Traditionell EEG-insamlingsutrustning är skrymmande, förlitar sig på ledande gel och är känslig för störningar. För att hjärnans-datorgränssnittsteknik (BCI) verkligen ska bli en del av vardagen måste innovationer börja redan från början. Nyligen publicerade ett team under ledning av forskaren Liu Ran och professor Gao Xiaorong från School of Biomedical Engineering vid Tsinghua University en betydande prestation i tidskriften ACS Applied Materials & Interfaces: de har utvecklat en MXene-baserad mikronålelektrod som inte bara möjliggör EEG-signaler av hög-kvalitet, utan även erbjuder de komplexa fördelarna med att vara{5} och mycket kompatibel. Denna nya elektrod banar väg för BCI-enheter att bli vanliga.
Ⅰ. En smartare "Brain Patch"
Traditionella elektroencefalografiapparater (EEG) använder vanligtvis gelbaserade våta elektroder-. Även om de erbjuder stabil signalkvalitet, kan de vara besvärliga att använda, kan orsaka hudirritation och kan vara mottagliga för störningar. Under de senaste åren har torra elektroder dykt upp som ett alternativ, men att balansera komfort, signalkvalitet och lätthet att bära har varit en ihållande utmaning inom materialvetenskap och neuroteknik.
Det här forskarteamet använde MXene (en typ av två-dimensionellt kolmaterial) som en ledande kärna och kombinerade den med en mikronålstruktur för att designa en torr EEG-elektrod som bara mätte 1 kvadratmillimeter. MXene har nyligen fått stor uppmärksamhet för sin utmärkta ledningsförmåga, flexibilitet och biokompatibilitet. Mikronålarrayen gör det möjligt för elektroden att "lätt penetrera" hudens ytskikt, stratum corneum, vilket eliminerar behovet av rakning eller applicering av gel och möjliggör insamling av EEG-signaler med låg-impedans och hög-signal-till-brusförhållande. Denna struktur förbättrar inte bara avsevärt kontaktstabiliteten mellan elektroden och hårbotten, utan erbjuder också fördelar som motstånd mot rörelse, svett och återanvändbarhet.
Ⅱ. Bearbetning och testning: Inte bara lätt, utan också kompatibel med MRI- och höghastighetståg.-
För att verifiera elektrodens omfattande prestanda, genomförde forskare experimentella tester över flera dimensioner, inklusive materialegenskaper, fysiologisk signalupptagningsprestanda, biokompatibilitet och MRI-kompatibilitet.
Först, i elektrodtillverkning, använde forskarna mikrogjutning och hydrogelbärarteknik för att säkerställa att mikronålarrayen bibehåller punkteringsförmågan samtidigt som den bibehåller utmärkt flexibilitet för att förhindra hudskador. Ytan behandlades med MXene-material, vilket möjliggör en kontrollerbar tjocklek på det ledande lagret, vilket uppnår både strukturell stabilitet och hög signalfångstförmåga.
Under signaltestfasen applicerade teamet elektroden på ett vanligt-datorgränssnittsparadigm: steady-state visual evoked potential (SSVEP). SSVEP är för närvarande en av de mest stabila och exakta signalkällorna i icke-invasiva BCI:er och används ofta i scenarier som stavning och robotkontroll. Testresultat visade att denna mikronålelektrod uppnådde jämförbar noggrannhet i SSVEP-signalupptagning som traditionella gelelektroder, och till och med fungerade mer stabilt i bullriga miljöer och med minimal rörelse.
Noterbart utvärderade forskargruppen också elektrodens kompatibilitet med magnetisk resonanstomografi (MRT), och hittade inga signifikanta artefakter eller onormal uppvärmning i höga magnetfält, vilket tyder på dess potential för framtida användning vid synkroniserad EEG-insamling under klinisk hjärnfunktionell avbildning. Dessutom visade biokompatibilitetstester att långvarigt slitage inte framkallar inflammation eller hudreaktioner, vilket gör den lämplig för daglig eller kontinuerlig klinisk övervakning.
Ⅲ. En ny början mot "noll-sensor" BCI:er
Den största betydelsen av denna forskning ligger i dess genombrott i avvägningen-mellan komfort och prestanda i traditionella EEG-elektroder. Genom att kombinera den höga ledningsförmågan hos MXene-material med de penetrerande egenskaperna hos mikronålstrukturen, uppnår denna elektrod hög-kvalitet, lång- EEG-insamling utan behov av gel, vilket lägger grunden för BCI-enheter att verkligen gå in i den "bärbara" eran.
I framtiden förutser vi att dessa mikronålselektroder kommer att integreras med trådlösa kommunikationsmoduler, miniatyriserade förstärkare och edge AI-chips för att skapa ett plug-and-play brain-datorsystem, integrerat i det dagliga livet som en smartklocka. Dessutom kan det också tjäna ett bredare utbud av medicinska tillämpningar, inklusive neurorehabilitering, epilepsivarning och sömnövervakning. För hjärnans-datorgränssnittsindustrin innebär detta att den "sista milen" från laboratoriet till marknaden överbryggas.