近年來，隨著生理電信號(hào)在輔助醫(yī)療、科學(xué)訓(xùn)練及神經(jīng)科學(xué)研究等的領(lǐng)域的不斷深入和廣泛應(yīng)用，可穿戴柔性電極成為了眾多學(xué)者的研究焦點(diǎn)。非侵入式柔性電極能夠?qū)⑷梭w內(nèi)部的離子電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電子元器件可讀取的電子信號(hào)，成為了連接這兩者的橋梁。然而如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量信號(hào)的采集、實(shí)現(xiàn)不同皮膚狀態(tài)下的長時(shí)間穩(wěn)定粘附及提高長時(shí)間穿戴舒適性，是阻礙柔性電極應(yīng)用的研究難點(diǎn)。盡管已有研究團(tuán)隊(duì)提出了許多能提高粘附力與增加透氣性的結(jié)構(gòu)，但仍舊難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定粘附性、低界面阻抗和高透氣性的有機(jī)統(tǒng)一。因此，開發(fā)一款兼具高透水透氣性和粘附穩(wěn)定性的柔性電極十分必要。

近期，西安交通大學(xué)邵金友、田洪淼團(tuán)隊(duì)提出了一種仿樹蛙腳蹼的非侵入式柔性可穿戴電極，用于生理電信號(hào)的長時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)。該柔性電極是使用摩方精密nanoArch® S130(精度：2μm)高精度3D打印設(shè)備加工模具后使用導(dǎo)電復(fù)合材料翻模制備而成。相關(guān)研究成果以“Treefrog-Inspired Flexible Electrode with High Permeability, Stable Adhesion, and Robust Durability”發(fā)表在《Advanced Materials》上，西安交通大學(xué)蘭天翔博士為論文的第一作者，西安交通大學(xué)邵金友教授和田洪淼教授為共同通訊作者。

該柔性電極的設(shè)計(jì)靈感來源于紅蹼樹蛙腳蹼表面的分散六邊形柱狀結(jié)構(gòu)及深層的粘液腺。六邊形分散柱狀結(jié)構(gòu)可以將大液橋分散為多個(gè)小液橋，從而大幅提高樹蛙腳蹼與各種表面之間的粘附力；分布于六邊形柱狀結(jié)構(gòu)間隙的粘液腺，則可使得粘液在樹蛙腳蹼間均勻分散，這兩種結(jié)構(gòu)共同實(shí)現(xiàn)了樹蛙在多種表面的穩(wěn)定黏附。

結(jié)合此兩種結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)了一種兼具高透水透氣性、穩(wěn)定粘附性及長時(shí)間耐用性的柔性可穿戴電極。該電極可分為上下兩層：下層為分散柱狀結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)高效而穩(wěn)定的電極-皮膚界面接觸（接觸面積/總面積相較于平膜提升了近一倍）、低界面阻抗（面積標(biāo)準(zhǔn)化阻抗與商用Ag/AgCl凝膠電極相近）及穩(wěn)定附著（在干/濕條件下的粘附力相較于無結(jié)構(gòu)電極提升了2.79/13.16倍）；上層為參照鳥喙和粘液腺設(shè)計(jì)的改進(jìn)錐孔結(jié)構(gòu)，有利于實(shí)現(xiàn)人體皮膚表面排泄物定向搬運(yùn)，從而提高了該電極的透水透氣性（正向透氣性相較于棉紡織物提升近12倍，透水性相較于3M醫(yī)用敷料提升了40倍以上）。該仿生電極在粘附穩(wěn)定性、透水透氣性和耐用性等方面都具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

首先，研究團(tuán)隊(duì)通過理論推導(dǎo)和仿真計(jì)算的方式得到了錐孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合適參數(shù)區(qū)間，并將該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與電極底面分散柱狀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)解耦，大幅降低了分散柱狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

底面離散化結(jié)構(gòu)除了能實(shí)現(xiàn)高效而穩(wěn)定的界面接觸之外，還能有效降低汗腺的被堵塞率，從而避免排泄物的局部堆積導(dǎo)致的粘附效果降低。為此，研究團(tuán)隊(duì)采用圖像處理技術(shù)及離散優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，量化計(jì)算了全部三種可單一平面密鋪正多邊形柱狀結(jié)構(gòu)在不同尺寸參數(shù)下的最大汗腺堵塞率（最大堵塞率越小代表該電極在濕潤條件下的粘附越可靠）及理論有效面積（該值會(huì)影響接觸阻抗進(jìn)而影響采集的信號(hào)質(zhì)量），并在綜合考慮這兩者之間的矛盾關(guān)系后，制造了優(yōu)化設(shè)計(jì)的柔性可穿戴電極。

在設(shè)計(jì)完成電極的微觀結(jié)構(gòu)之后，研究團(tuán)隊(duì)采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)加工了具有良好一致性的樹脂模具，并通過模塑工藝制造出了仿生電極和只含有錐孔的電極（對(duì)比組）。仿生電極相較于對(duì)比組的干/濕粘附力提升了2.79/13.16倍，實(shí)現(xiàn)了在干/濕環(huán)境下的穩(wěn)定附著。

之后，研究團(tuán)隊(duì)還測(cè)試了該仿生電極的正向和逆向水蒸氣透過率，該電極的正向/逆向水蒸氣透過率相較于棉織物提升了近12/6倍，實(shí)現(xiàn)了較好的透氣性能。

最后，研究團(tuán)隊(duì)采集了多種生理電信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行了分析。該仿生電極采集出的生理電信號(hào)質(zhì)量可與商用Ag/AgCl凝膠電極相媲美，并且長時(shí)間使用下安全性和穩(wěn)定性性均優(yōu)于商用Ag/AgCl凝膠電極。相較于已報(bào)道文獻(xiàn)，本文所提出的仿生電極在機(jī)械性能、電學(xué)性能及電極性能方面表現(xiàn)出優(yōu)異的均衡性能。

綜上所述，本研究提出的基于樹蛙腳蹼的仿生電極可以實(shí)現(xiàn)在干/濕皮膚表面的穩(wěn)定粘附，且兼具高透水透氣性、長時(shí)間穿戴舒適性及穩(wěn)定的低接觸阻抗等優(yōu)點(diǎn)，有望促進(jìn)生理電信號(hào)長時(shí)間持續(xù)檢測(cè)的廣泛應(yīng)用。