超薄共形電極的設(shè)計(jì)及其在電生理信號(hào)采集的研究進(jìn)展

陳敏祺，宋忠乾，李偉燕，孔惠君，牛 利

（廣州市傳感材料與器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州大學(xué) 分析科學(xué)技術(shù)研究中心 化學(xué)化工學(xué)院，廣東 廣州 510006）

柔性可穿戴電子設(shè)備的飛速發(fā)展，不斷改變著人們的生活方式?？纱┐鱾鞲衅髯鳛榭纱┐髟O(shè)備中的核心部件之一，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與人體相關(guān)的物理與化學(xué)信號(hào)變化。超薄共形電極作為可穿戴傳感模塊中的組件之一，可以共形緊密貼附在人體皮膚、組織或器官表面，實(shí)現(xiàn)包括心電（Electrocardiology，ECG）、腦電（Electroencephalography，EEG）和肌電（Electromyography，EMG）等人體生理電信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與監(jiān)測(cè)（圖1），為柔性可穿戴電子設(shè)備提供豐富的數(shù)據(jù)支撐，將促進(jìn)健康管理、醫(yī)學(xué)診斷和人機(jī)交互等領(lǐng)域的多樣化發(fā)展［1-3］。

圖1 超薄共形電極的材料組成、制備方法、關(guān)鍵參數(shù)及應(yīng)用示意圖Fig．1 Illustration of the ultra-thin conformal electrode，including the material，fabrication，key parameters and applications

1 超薄共形電極概述

超薄共形電極是一種超薄、輕質(zhì)且可與人體皮膚和組織共形貼合以用于高保真度生命體征信號(hào)監(jiān)測(cè)的電極裝置。傳統(tǒng)Ag/AgCl凝膠電極通過導(dǎo)電凝膠與皮膚的粘合可實(shí)現(xiàn)良好的接觸，但導(dǎo)電凝膠會(huì)隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸失水，導(dǎo)致信號(hào)采集能力下降。同時(shí)，長(zhǎng)期使用凝膠電極可能會(huì)引起皮膚的刺激排斥和過敏反應(yīng)。超薄共形電極具有超薄、柔軟、可拉伸、透水、透氣和優(yōu)異的生物相容性等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體生物電信號(hào)的長(zhǎng)期高保真實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，有望取代Ag/AgCl凝膠電極。一方面，超薄電極擺脫了傳統(tǒng)凝膠電極所涉及的復(fù)雜電纜，在受試者佩戴過程中可以實(shí)現(xiàn)無(wú)感實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)［4］；另一方面，其輕薄特點(diǎn)以及與皮膚的高適形性，使超薄電極與皮膚間的界面阻抗（6~10 kΩ，1 Hz）與醫(yī)用凝膠電極（100~1 000 kΩ，1 Hz）相當(dāng)甚至更低，更易獲得低噪聲的電勢(shì)信號(hào)，具有抗運(yùn)動(dòng)偽影、高靈敏度、長(zhǎng)期穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)。因此，超薄共形電極在運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、健康評(píng)估［5］、人機(jī)交互［6-8］等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。同時(shí)，超薄共形電極還可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體體溫、脈搏、皮膚含水量等生理參數(shù)的監(jiān)測(cè)［9-10］，但本文重點(diǎn)集中在人體生物電信號(hào)的監(jiān)測(cè)，對(duì)此將不再闡述。

2 超薄共形電極的組成與制備

超薄共形電極一般包括柔性聚合物和導(dǎo)電填料兩個(gè)主要組成部分。柔性聚合物可以保證電極具有良好的可拉伸性和機(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)提供與皮膚較強(qiáng)的相互作用力，以實(shí)現(xiàn)與皮膚的高保形性粘附；導(dǎo)電填料可以賦予電極良好的導(dǎo)電性，避免高阻抗帶來電信號(hào)衰減。另外，采用犧牲基底或溶液轉(zhuǎn)移的方法制備無(wú)襯底超薄共形電極逐漸得到了更多的關(guān)注，該方法更易實(shí)現(xiàn)納米級(jí)超柔順共形電極的制備。

2.1 材料組成

超薄共形電極根據(jù)其電極組成特點(diǎn)和狀態(tài)分為納米薄膜和離子凝膠兩大類［11-12］，兩類電極均以柔性聚合物材料為基本組成，輔助其他填料添加賦予電極粘附、導(dǎo)電、自愈合等特點(diǎn)。其中聚合物組成包括非生物高分子聚合物，如聚乙烯醇（PVA）［13］、聚偏氟乙烯（PVDF）［14］、苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）［15-16］、聚氨酯（PU）［11］、聚二甲基硅氧烷（PDMS）［17-19］、聚酰胺［20-21］等；或生物高分子聚合物，如：蠶絲［22-24］、絲蛋白［24-25］等。其中，由生物高分子聚合物為基礎(chǔ)制成的柔性電極因有著更好的生物相容性，已成為超薄共形電極研究的一大熱點(diǎn)。

超薄共形電極中的導(dǎo)電組成部分通常包括金屬納米填料、非金屬納米填料和導(dǎo)電聚合物三大類。金屬納米填料包含液態(tài)金屬［26］、金（Au）［11］、銀（Ag）［27］、銅（Cu）等納米顆粒和納米線；非金屬納米填料包括碳納米管（CNTS）［28-29］、石墨烯［30-32］、二硫化鉬（MoS2）［1］等；導(dǎo)電聚合物包括聚（3，4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT）［33-34］、聚吡咯（PPy）［35］、聚苯胺（PANi）等。水凝膠類薄膜電極通常還會(huì)引入離子導(dǎo)體，如鹽類電解質(zhì)、離子液體等構(gòu)成離子導(dǎo)電通路［36］。

無(wú)襯底超薄共形電極通常采用犧牲基底或溶液轉(zhuǎn)移法直接在人體皮膚表面形成納米級(jí)厚度的超薄共形電極，其材料組成包括石墨烯［37-38］、Au［39］和PEDOT［6］等具有優(yōu)異導(dǎo)電性的材料。由于其獨(dú)特的無(wú)襯底結(jié)構(gòu)，電極可以實(shí)現(xiàn)對(duì)皮膚的超高共形貼附，通常表現(xiàn)出優(yōu)異的透氣性及信號(hào)高保真性的特點(diǎn)。

2.2 制備方法

超薄電極的制備方法通常涉及靜電紡絲法［20-22］、旋涂法［17，40］、溶液涂膜法［26］等，采用輔助濺射蒸鍍［11］、噴墨打印［41-42］、浸漬［22，26］等手段實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電化。其中靜電紡絲是制備具有優(yōu)異透氣性超薄電極的常用方法。由于該技術(shù)制得的薄膜輕薄透氣、厚度可調(diào)，被廣泛應(yīng)用于超薄電極的制作［21-22，27，43-44］。東京大學(xué)Someya教授團(tuán)隊(duì)［43］是較早開展超薄電極研究的團(tuán)隊(duì)之一，2017年，其團(tuán)隊(duì)結(jié)合靜電紡絲和真空蒸鍍法制備了一種無(wú)炎癥反應(yīng)、透氣、超輕且可拉伸的聚乙烯醇/金（PVA/Au）超薄電極，由于PVA充當(dāng)Au轉(zhuǎn)移過程中的犧牲層，所制備超薄電極屬于無(wú)襯底電極，其電極厚度僅有幾十納米，實(shí)現(xiàn)了與皮膚的超高共形貼合，可用于超薄拉伸電路和人體表皮EMG信號(hào)的采集。基于此電極，實(shí)現(xiàn)了皮膚水氣透過率的超高精度、連續(xù)和長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)［13］。但由于PVA材料的可拉伸性較差（最大應(yīng)變~20%），該團(tuán)隊(duì)［44］通過靜電紡絲方法進(jìn)一步制備了PU/PDMS/Au超薄電極，在保留電極較高透氣性的同時(shí)，提高了電極的拉伸性、粘附性、耐水性和機(jī)械強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)達(dá)7 d的ECG信號(hào)的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。靜電紡絲法制備的電極較薄，與皮膚的保形性較高，可減少電極與皮膚之間的空氣層，提高電極的抗偽影能力，降低界面阻抗，可作為制備超薄電極的首選方法。

相比而言，旋涂法或溶液涂膜法制得的超薄電極結(jié)構(gòu)較為緊密，透氣性較差，但制備過程簡(jiǎn)單，儀器設(shè)備要求較低，且更易實(shí)現(xiàn)復(fù)合與改性，賦予超薄電極的多功能化特點(diǎn)［45］。例如，為了克服拉伸性和導(dǎo)電性之間的固有矛盾，Kim等［46］采用溶液涂膜法實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)鍍金-銀納米線與聚（苯乙烯-丁二烯）共聚物的復(fù)合，實(shí)現(xiàn)了最大72 600 S·cm-1和840%的導(dǎo)電性和拉伸率，所制備可拉伸電極同時(shí)具備高拉伸、高導(dǎo)電、優(yōu)良的生物相容性和可植入等功能特點(diǎn)，可以共形貼附在人體皮膚和豬心臟表面實(shí)現(xiàn)EMG信號(hào)和ECG信號(hào)的高真度采集與監(jiān)測(cè)。Ouyang等［47］利用溶液涂膜法將PEDOT∶PSS、水性聚氨酯和山梨糖醇復(fù)合成膜，所制備的超薄電極表現(xiàn)出較高的導(dǎo)電性（＞390 S·cm-1）和高拉伸性（＞43%），且與皮膚具有較強(qiáng)的粘附能力和較低的接觸阻抗（82 kΩ·cm2@10 Hz），可實(shí)現(xiàn)在干、濕皮膚以及身體運(yùn)動(dòng)等復(fù)雜狀況下ECG、EMG以及EEG等信號(hào)的高分辨監(jiān)測(cè)。最近，Zhang等［48］提出了一種吹氣鼓泡法結(jié)合銀納米線轉(zhuǎn)移的溶液加工方法，制備了厚度僅有90 nm的超薄共形電極，并對(duì)皮膚表現(xiàn)出極高的粘附，實(shí)現(xiàn)了EMG信號(hào)的高保真采集，但該方法難以實(shí)現(xiàn)超薄電極的批量化制備。

雖然溶液涂膜法制備復(fù)合超薄電極較為有效，且易于實(shí)現(xiàn)多功能化，但難以實(shí)現(xiàn)厚度小于100 nm超薄電極的制備，相比之下，旋涂法可以彌補(bǔ)這一不足。2021年，北京師范大學(xué)劉楠教授團(tuán)隊(duì)［6］將旋涂法制備的PEDOT∶PSS超薄膜與單層化學(xué)氣相沉積的Graphene復(fù)合，利用兩者之間較強(qiáng)的π-π相互作用實(shí)現(xiàn)高效電荷轉(zhuǎn)移，在保持極高電導(dǎo)率（4 142 S·cm-1）的前提下實(shí)現(xiàn)了厚度約為100 nm的超薄電極制備，在ECG和EMG信號(hào)的長(zhǎng)期實(shí)時(shí)采集與監(jiān)測(cè)方面表現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。

另外，通過濺射蒸鍍方法制作的超薄電極在進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)過程中易發(fā)生開裂，抗拉伸性較差，通常采用預(yù)拉伸-后釋放方法引入褶皺結(jié)構(gòu)緩解拉伸過程中的應(yīng)力［49］。而溶液浸漬法可以提高導(dǎo)電填料與聚合物之間的相互作用，緩解應(yīng)力失穩(wěn)現(xiàn)象［26］。2021年，Chen等［22］結(jié)合靜電紡絲和浸漬PEDOT∶PSS溶液，制備了一種基于蠶絲蛋白的散熱、透氣且耐汗的超薄電極，其拉伸率超過250%。

具有高粘附性的離子導(dǎo)電凝膠因可以橋接離子傳導(dǎo)的皮膚和電子傳導(dǎo)的電極，成為近年研究的熱點(diǎn)。Chen等［36］報(bào)告了一種帶有LiCl（5%）的海藻酸鹽-聚丙烯酰胺的導(dǎo)電水凝膠，其較強(qiáng)的粘附作用和低模量特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)在皮膚上的共形貼附，保證了較低的界面阻抗（20 kΩ@1 Hz），實(shí)現(xiàn)了無(wú)膠帶固定情況下肌電信號(hào)的高信噪比采集。雖然離子凝膠可以實(shí)現(xiàn)對(duì)皮膚的高粘附，保證電極較好的抗偽影能力和較低的界面阻抗，但當(dāng)前大多數(shù)離子凝膠的機(jī)械強(qiáng)度和韌性較低，難以實(shí)現(xiàn)超薄厚度電極的制備，同時(shí)電極的易失水、透氣性差、水下粘附差等問題也限制了離子凝膠的發(fā)展［8，12，50］。

3 超薄電極當(dāng)前存在的問題

3.1 界面粘附

由于人體表皮生物電勢(shì)信號(hào)通常在毫伏級(jí)別，高質(zhì)量生物電信號(hào)的采集除了要求超薄電極具備良好的拉伸性和導(dǎo)電性，電極與皮膚之間的粘附力也尤為重要。具有較強(qiáng)粘附力的超薄電極可消除電極與皮膚間的空氣層，降低界面阻抗以增強(qiáng)表皮電勢(shì)信號(hào)的傳導(dǎo)，同時(shí)還可以防止電極滑動(dòng)，提高電極的抗肌體干擾和抗運(yùn)動(dòng)偽影能力，保證采集信號(hào)的保真度。

超薄電極與皮膚之間的共形接觸依賴于兩者之間的界面能，由電極的彎曲能、皮膚的彈性能以及接觸界面的粘附能三部分共同決定。其中，電極的彎曲能由電極的彈性模量決定，皮膚彈性能由皮膚紋理和模量決定，接觸界面的粘附能依賴于電極與皮膚之間的界面相互作用［51-53］。因此，調(diào)控電極與皮膚間的范德華力、氫鍵相互作用和共價(jià)鍵接是實(shí)現(xiàn)超高界面粘附的關(guān)鍵。增加超薄電極與皮膚間的界面粘附最常用的兩類手段是設(shè)計(jì)微觀結(jié)構(gòu)（如仿生結(jié)構(gòu)［54-60］、機(jī)械連鎖［11，61］等）和引入壓敏粘合劑（曲拉通［17］、環(huán)糊精［45］、山梨糖醇［47］和蠶絲蛋白［62］等）。Stauffer等［63］受蚱蜢腳微結(jié)構(gòu)的啟發(fā)設(shè)計(jì)了一種具有較高自粘附能力的超薄電極（圖2A），實(shí)現(xiàn)了在皮膚劇烈運(yùn)動(dòng)和變形下的高順應(yīng)性貼附，顯著降低了噪聲和運(yùn)動(dòng)偽影，在ECG和EEG信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方面表現(xiàn)出極大的優(yōu)勢(shì)。相比微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，引入壓敏粘合劑可實(shí)現(xiàn)更高的界面粘附作用。近期，Huang等［42］在超薄電極內(nèi)部引入富含羥基和羧基的超分子結(jié)構(gòu)，大大提升了PEDOT∶PSS電極的粘附力，在低噪聲比EMG信號(hào)采集方面具有很高的應(yīng)用價(jià)值。但電極與皮膚的分離可能會(huì)導(dǎo)致電極失效和角質(zhì)層損傷，因此可逆粘附和分離可以保護(hù)受試者皮膚不受損傷，也有利于電極的多次重復(fù)利用［41，64-65］。雖然目前研究人員已經(jīng)通過改變濕度［56］、溫度［66］、光［67］、電壓［68］等實(shí)現(xiàn)了電極粘附力的調(diào)控，但在保證電極較高拉伸性和離子導(dǎo)電性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)超薄電極的可逆粘附與分離仍存在一定的挑戰(zhàn)，并將成為未來需重點(diǎn)研究的方向之一。

圖2 受蚱蜢啟發(fā)的微結(jié)構(gòu)表面以改善電極對(duì)皮膚的粘附性（A）［63］，PU/PDMS納米膜的制備（B）［44］，雙梯度多層納米纖維膜對(duì)汗液的定向運(yùn)輸（C）［69］，多層全織物電極實(shí)現(xiàn)單向汗液滲透性（D）［70］，超薄電極應(yīng)用于頭頸部腫瘤患者的吞咽治療（E）［71］Fig．2 Soft electrode with grasshopper inspired microstructured surface for improved dry adhesion to the skin（A）［63］，fabrication of free-standing PU/PDMS nanofilm（B）［44］，dual-gradient multilayered nanofiber membrane for sweat conduction（C）［69］，all-nanofiber-based Janus epidermal electrode with directional sweat permeability（D）［70］，ultrathin electrode is applied to swallowing therapy for head and neck cancer patients（E）［71］

3.2 透氣性

長(zhǎng)時(shí)間使用過程中，由于超薄電極和皮膚的共形接觸，兩者間的水蒸氣和汗液殘留物需及時(shí)排出，以避免電極脫附或電極性能損傷，同時(shí)也避免給皮膚帶來刺激。開發(fā)具有多孔透氣特性的超薄電極是解決上述問題的最佳途徑。其中靜電紡絲是構(gòu)建具有連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的多孔納米纖維膜的高效且低成本方法，同時(shí)其纖維膜的纖維直徑、孔隙率和電極厚度具有較好的可控性，因此近年來越來越多的研究者利用靜電紡絲法構(gòu)建高性能和多功能可透氣超薄電極［20］。近期，Li等［22］利用靜電紡絲法制備了一種基于蠶絲和PEDOT∶PSS的可拉伸、透氣散熱的超薄電極，顯示了良好的耐汗特性。Wang等［44］利用靜電紡絲得到的聚氨酯纖維膜蘸取PDMS前驅(qū)體溶液并固化，得到了僅有95 nm厚度的超薄、透氣、隔水、自粘附且高拉伸強(qiáng)度的PU/PDMS納米膜（圖2B），表面沉積70 nm金后，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)7 d的ECG信號(hào)的高信噪比監(jiān)測(cè)。

聚合物的相分離過程也是一種簡(jiǎn)單、價(jià)廉且可批量化制備多孔透氣薄膜的方法。近期，Xu等［15］通過相分離法制備了一種超柔軟、防水、透氣且可循環(huán)利用的多孔SEBS薄膜，薄膜厚度約100 μm，其透氣率高達(dá)0．023 g·cm-2·h-1，結(jié)合噴印技術(shù)制備的SEBS/銀納米線電極可達(dá)100%拉伸率，可實(shí)現(xiàn)ECG、EMG信號(hào)和表皮含水量的監(jiān)測(cè)。相比靜電紡絲法，相分離法制備的超薄電極很難實(shí)現(xiàn)低于微米級(jí)的超薄透氣膜，但其在制備電極的效率和批量化方面具有優(yōu)勢(shì)。

3.3 單向排汗

雖然通過改善電極透氣性可有效地提高超薄電極的使用體驗(yàn)，但在人體高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)或炎熱條件下的排汗很難僅通過排氣實(shí)現(xiàn)水氣的傳導(dǎo)。因此，通過靜電紡絲法調(diào)控薄膜的多孔結(jié)構(gòu)和表面潤(rùn)濕性，利用毛細(xì)管驅(qū)動(dòng)力實(shí)現(xiàn)汗液的單向運(yùn)輸，賦予超薄透氣電極良好的水定向運(yùn)輸特性，可以很好地將汗液從皮膚表面導(dǎo)出，便于快速蒸發(fā)，是解決排汗問題的有效手段。近期，Yan等［69］通過對(duì)聚離子液體化學(xué)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和靜電紡絲工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，制備了一種基于雙梯度多層納米纖維膜（圖2C），利用潤(rùn)濕梯度和孔徑梯度的設(shè)計(jì)，在保證透氣性的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)汗液的定向運(yùn)輸以及對(duì)連續(xù)跑步過程中心電信號(hào)的持續(xù)監(jiān)測(cè)，相比傳統(tǒng)凝膠電極表現(xiàn)出極高的穩(wěn)定性和使用舒適度。Zhang等［70］受自然界非對(duì)稱潤(rùn)濕性結(jié)構(gòu)控制液體定向輸送機(jī)制的啟發(fā)，通過靜電紡絲結(jié)合真空抽濾法制備了由銀納米線導(dǎo)電層、聚氨酯疏水層、聚丙烯腈超親水層和醫(yī)用膠粘附層組成的多層織物傳感器（圖2D），實(shí)現(xiàn)了單向汗液滲透性，并在ECG和EMG信號(hào)的連續(xù)監(jiān)測(cè)方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。當(dāng)前，關(guān)于超薄電極的排汗功能研究較少，研究人員應(yīng)針對(duì)超薄電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和單向排汗機(jī)制進(jìn)行進(jìn)一步的探究。

4 超薄電極在生命體征信號(hào)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

皮膚作為最容易接觸到的人體器官，可提供大量的電生理信號(hào)用于醫(yī)學(xué)診斷、疾病治療、健康監(jiān)測(cè)和人機(jī)交互等研究領(lǐng)域，諸如ECG、EMG和EEG等電勢(shì)信號(hào)。其中ECG信號(hào)是反應(yīng)心臟健康的重要指標(biāo)之一，被廣泛應(yīng)用于臨床診斷。超薄共形電極因具有超薄、透氣、共形粘附等特點(diǎn)，可以緊密貼附在皮膚表面建立低阻抗界面，實(shí)現(xiàn)ECG信號(hào)的高保真采集。雖然目前已經(jīng)報(bào)道了大量的可用于ECG信號(hào)采集的超薄電極，并表現(xiàn)出比傳統(tǒng)凝膠電極更優(yōu)或者相當(dāng)?shù)男阅?，但針?duì)較為惡劣環(huán)境下ECG信號(hào)的采集仍缺乏足夠的研究，如超薄電極的耐汗及導(dǎo)汗性能、耐磨性、動(dòng)態(tài)拉伸下的導(dǎo)電穩(wěn)定性、可逆粘附與分離等。上述問題的攻克將進(jìn)一步推動(dòng)超薄電極的實(shí)際應(yīng)用。

EMG信號(hào)廣泛存在于人體皮膚表面，凡是涉及到皮下肌肉運(yùn)動(dòng)的人體表皮均可檢測(cè)到EMG信號(hào)。研究表明，EMG信號(hào)可用于神經(jīng)肌肉損傷識(shí)別、吞咽肌肉異常監(jiān)測(cè)和運(yùn)動(dòng)員康復(fù)與訓(xùn)練等領(lǐng)域。例如，Rieger等［71］開發(fā)了一種用于頭頸部癌癥患者吞咽治療的EMG信號(hào)監(jiān)測(cè)貼片電極（圖2E），具有與傳統(tǒng)凝膠電極相當(dāng)?shù)腅MG信號(hào)采集能力，在吞咽治療方面表現(xiàn)出很好的潛力。相比于傳統(tǒng)Ag/AgCl電極，超薄電極的超薄超輕特性可以最大化地削弱電極對(duì)肌肉正常運(yùn)動(dòng)的干擾，顯著降低運(yùn)動(dòng)偽影的產(chǎn)生，并同時(shí)保持與Ag/AgCl電極相當(dāng)乃至更高的保真度與信噪比。EMG信號(hào)還可以廣泛應(yīng)用于人機(jī)交互領(lǐng)域，并結(jié)合人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生命體征行為的準(zhǔn)確判斷和行為匹配的真實(shí)多模態(tài)數(shù)據(jù)融合應(yīng)用［72］。

EEG信號(hào)源于大腦內(nèi)神經(jīng)元活動(dòng)在頭部產(chǎn)生的微小電位變化（核心頻率0~50 Hz，幅值小于200 μV），超薄共形電極可以較高的時(shí)間分辨率（毫秒級(jí)精度）精確跟蹤大腦內(nèi)事件，所記錄的EEG信號(hào)可用于癲癇診斷［73］、腦機(jī)接口和情緒監(jiān)測(cè)［74］等領(lǐng)域。EEG信號(hào)監(jiān)測(cè)的可靠性和穩(wěn)定性是當(dāng)前面臨的最重要的問題。由于頭皮毛發(fā)和頭部分泌物的存在，導(dǎo)致電極與頭皮之間的接觸阻抗較大，因此，舒適、耐用且高保真采集EEG信號(hào)的難度較大。當(dāng)前，采用導(dǎo)電凝膠輔助增強(qiáng)信號(hào)傳導(dǎo)，或設(shè)計(jì)柱狀結(jié)構(gòu)增加表面粘附，是降低電極與頭部接觸阻抗的常用方法。Stauffer等［63］制備了一種帶有表面柱狀微結(jié)構(gòu)的超柔軟、自粘附電極，無(wú)需剃除毛發(fā)即可實(shí)現(xiàn)高保真ECG和EEG信號(hào)的采集和監(jiān)測(cè)，電極與帶有毛發(fā)的皮膚之間的粘附力高達(dá)0．1 N·cm-2，接觸阻抗低至50 kΩ·cm2（10 Hz），電極良好的共形性和粘附性可顯著降低噪音和運(yùn)動(dòng)偽影的產(chǎn)生，并實(shí)現(xiàn)和商用電極相當(dāng)?shù)谋O(jiān)測(cè)結(jié)果?？偟膩碚f，EEG信號(hào)強(qiáng)度較弱、頻率較低，易受肌電信號(hào)、眼電信號(hào)和環(huán)境噪音等干擾，降低電極厚度和界面接觸阻抗，提高電極導(dǎo)電性和拉伸性，是提高EEG信號(hào)保真度和抗運(yùn)動(dòng)偽影能力的關(guān)鍵。

5 展望

本綜述中，我們總結(jié)了超薄共形電極的組成，包括聚合物基質(zhì)和導(dǎo)電填料的組成與分類；介紹了超薄共形電極的主要制備方法，其中靜電紡絲法是制備超薄共形電極較為有效的方法之一；并針對(duì)當(dāng)前超薄共形電極所面臨的關(guān)鍵問題做了部分討論；最后對(duì)超薄共形電極在ECG、EMG和EEG信號(hào)監(jiān)測(cè)中的最新應(yīng)用進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)。雖然近年來超薄共形電極得到了快速的發(fā)展，但仍然有一些亟待解決的問題尚未得到足夠的重視：（1）當(dāng)前急需建立一套統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)超薄共形電極的信號(hào)保真度、透氣性、舒適度等做出評(píng)價(jià)；（2）建立超薄電極的批量化和低成本制備方法，以消除手工制備電極重現(xiàn)性和批次均勻性引起的人為誤差；（3）通過減薄或多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖實(shí)現(xiàn)了大量透氣性優(yōu)異的超薄電極制備，但具有自主單向排汗功能的超薄共形電極仍需引起更多的關(guān)注；（4）考慮到長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的穩(wěn)定性和抗干擾能力，超薄電極的動(dòng)態(tài)拉伸穩(wěn)定性、導(dǎo)電性和耐磨性也尤為重要；（5）發(fā)展新材料和新結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)超薄電極的動(dòng)態(tài)可逆粘附與剝離，并深入探究其工作機(jī)制，可實(shí)現(xiàn)高保真信號(hào)的采集，同時(shí)消除電極去除過程中對(duì)患者帶來的痛苦與不適。