中山大学，首篇Nature Sensors！

“柔性电子毛发”让柔性电极真正走进肌肉

在人机交互、智能假肢和生物电子医学快速发展的今天，如何在不造成创伤的前提下，把电极稳定、长期地“送进”皮肤和肌肉，始终是一道绕不开的难题。传统的金属针电极虽然成熟，却不可避免地带来出血、疼痛和组织损伤；而柔性电极虽然在力学匹配上更接近生物组织，却往往“太软了”，单靠自身无法刺入致密组织，仍需依赖空心针、手术或复杂的辅助结构。这种“又软又要插得进去”的矛盾，长期制约着可穿戴与半植入式生物电子器件的真正落地。

今日，中山大学谢曦教授课题组提出一种全新的“尖端聚焦射频穿孔”（TFRFP）策略：利用射频在柔性电极尖端产生高度局域的热效应，在不使用任何硬针的情况下，实现类似“头发丝”般柔软的电子电极，直接、不出血地植入皮肤和肌肉。植入后的柔性电子毛发（FEHs）可稳定进行肌电信号记录和电刺激，并进一步与人工智能算法结合，驱动假肢和机器人运动。这项工作为下一代无创或微创人机接口提供了一条全新路径。相关成果以“Soft implantation of flexible electronic hairs via tip-focused radiofrequency perforation for in-tissue electrophysiology”为题发表在《Nature Sensors》上，Shuang Huang, Xinshuo Huang和Chuanjie Yao为共同第一作者。

谢曦教授

研究的整体构想从“自然界的毛发”获得灵感。在图1a中，作者描绘了一种全新的植入场景：不再依赖金属针头，而是将柔软、细长的电子“毛发”直接插入皮肤或肌肉中，外部仅保留轻量化的可穿戴电路。关键在于图1b、1c所示的物理机制——当射频电场施加到FEH尖端时，局域区域内的水分子和离子发生高速振荡，瞬间产生受限的热效应，使组织在尖端位置发生微尺度“穿孔”和收缩，从而为柔性电极打开一条隐蔽的进入通道（图1c）。整个过程不需要锋利结构，插入路径干净而克制。

图1：TFRFP软植入的整体概念与工作原理示意图

这一设想在实验中首先通过模型组织得到了验证。图2a、2b展示了所使用的Pt/Ir柔性微电极，其直径约100 μm，与人类头发相当，弯曲刚度极低。在没有射频的情况下，电极一接触组织便发生弯折，根本无法进入（图2c，RF=0 W）。而一旦开启射频，电极尖端便能“悄无声息”地进入组织内部（图2c–e），插入深度随时间平稳增加（图2d）。红外热成像进一步揭示了这一过程的“分寸感”：温升主要集中在尖端附近的A3区域，而侧壁和远端组织几乎不受影响（图2e、2f），证明这是一种高度局域、对周围组织友好的过程。为了更深入理解安全性，研究者对植入轨迹进行了多角度表征。通过微CT和光学显微镜（图2h、2i），可以清楚看到FEH与组织之间紧密贴合，没有明显空隙。更重要的是，当电极被取出后，组织中并未留下明显烧灼痕迹，说明射频并未造成不可逆的热损伤。

图2：柔性电子毛发的结构、射频辅助插入过程及局域热效应表征

在图3中，作者展示了这项技术的“可扩展性”。通过在更细的电极外包覆可溶解的明胶层，FEH在插入前被暂时“加硬”，插入后迅速恢复柔软（图3a–d）。如果担心热效应，还可以在侧壁增加冷却层，将温升进一步限制在尖端（图3e–h）。此外，FEH侧壁还能直接涂覆生物胶，实现一步植入后的牢固固定（图3i–m），这一点是传统空心针辅助方法难以做到的。

图3：通过明胶层、冷却层和生物胶提升植入稳定性与安全性的策略

真正决定这项技术价值的，是它在活体中的表现。图4a显示，与传统针刺相比，TFRFP植入的出血概率大幅降低。动物行为学实验表明，植入柔性电极的动物在跑台测试中的运动能力几乎不受影响（图4b、4c）。组织切片与RNA测序结果进一步证实，TFRFP引发的炎症反应显著低于刚性电极（图4e–i）。在电学性能上，TFRFP植入的电极与组织之间阻抗更低，在1 kHz处仅约21 kΩ，明显优于空心针方法（图4j），为高质量肌电信号采集奠定了基础。

图4：TFRFP植入的生物相容性、炎症反应及电学性能评估

在此基础上，作者系统展示了多种动物模型中的肌电记录能力。从兔子腿部连续多小时的诱发肌电（图5a–c），到多天重复记录的自发运动信号（图5d–f），再到猪等大体型动物的深部肌肉记录（图5g–j），FEHs都表现出稳定、清晰的信噪比。这些结果说明，这种“像头发一样的电极”，并非只能用于实验室演示，而是真正具备向复杂生理场景拓展的潜力。

图5：多种动物模型中FEHs的体内肌电记录示例

接着，研究团队将多通道FEHs植入脊髓蛙腿部肌肉，采集复杂动作对应的肌电信号，并通过卷积神经网络和PCA模型进行解码（图6a、6e）。最终，系统不仅能预测肢体运动轨迹，还能驱动机械臂完成相应动作（图6f、6g）。统计结果显示，多通道FEHs的动作预测误差显著降低（图6h），展示了柔性、微创植入技术与人工智能深度融合的巨大潜力。

图6：FEHs结合AI实现动作识别与假肢/机械臂控制的演示

小结

总体来看，这项工作提出了一种兼顾“柔软性”和“可植入性”的全新思路：不再强迫柔性电极变硬，而是借助射频在微尺度上“为它让路”。这种尖端聚焦射频软植入策略，成功绕开了针刺带来的出血与损伤问题，同时保留了柔性器件在长期稳定性上的优势。随着技术的进一步成熟，它有望推动可穿戴诊断、神经康复和高精度人机接口从实验室走向真实世界。