一、研究背景

皮膚接口電極在健康監(jiān)測、康復(fù)、刺激、游戲和AR/VR等領(lǐng)域中至關(guān)重要。下一代可穿戴設(shè)備要求高信號質(zhì)量、高貼合性和長期佩戴舒適性，然而目前常用的凝膠電極（如Ag/AgCl）和干電極仍存在諸多不足：

• 凝膠電極雖能實現(xiàn)較低的皮膚-電極阻抗，但導(dǎo)電性低、佩戴不舒適且不適合長期使用。

• 干電極（如填充顆粒復(fù)合材料和薄膜）雖然避免了凝膠的問題，但往往存在高皮膚-電極阻抗、信號衰減和界面噪聲等問題，難以實現(xiàn)高保真、長期監(jiān)測。

近年來，液態(tài)金屬電子學(xué)的發(fā)展為皮膚接口設(shè)備開辟了新方向。鎵基共晶合金（如Ga-In）具有金屬級導(dǎo)電性和室溫流體特性，無毒且能與彈性體基底共形變形，非常適合用于可拉伸、可重構(gòu)的電路。然而，如何實現(xiàn)液態(tài)金屬電極的規(guī)?；圃?、降低界面阻抗并提升長期穩(wěn)定性仍是挑戰(zhàn)。

二、研究內(nèi)容

本研究提出了一種通過直接墨水書寫（DIW）3D微結(jié)構(gòu)印刷技術(shù)制造的雙相柔軟電極。這種電極結(jié)合了：

• 銀片（Ag flakes）提供高導(dǎo)電性；

• 共晶鎵銦（EGaIn）液態(tài)金屬微滴增強皮膚貼合性和界面接觸面積；

• 熱塑性聚氨酯（TPU）提供柔性和機械拉伸性。

通過調(diào)控印刷填充率（infill percentage），研究優(yōu)化了電極表面微結(jié)構(gòu)，使其更好地貼合皮膚微紋理，從而顯著降低皮膚-電極接觸阻抗，并提升信號質(zhì)量。

圖1：印刷Ag-EGaIn-TPU電極的概覽、制造過程和應(yīng)用演示。(A) 用于EEG、EOG、ECG和EMG的印刷生物貼片；(B) 導(dǎo)電墨水成分；(C) 直接墨水書寫（DIW）過程示意圖；(D) 多層電極結(jié)構(gòu)；(E) 印刷電極光學(xué)圖像；(F) 不同填充率電極的貼合性對比；(G) 不同電極的電容值對比；(H, I) 使用后皮膚印跡圖像。

圖2：不同填充率印刷電極的表面形貌與微觀結(jié)構(gòu)表征。(A–D) 分別為20%、40%、60%和100%填充率下的設(shè)計圖案、印刷電極及表面粗糙度圖；(E) 40%填充率電極的SEM圖像，顯示互連三角晶格結(jié)構(gòu)；(F, G) 高倍SEM圖像，展示導(dǎo)電線路表面細節(jié)；(H, I) EDS元素分布圖，顯示銀（Ag）和鎵（Ga）的均勻分布。

研究還開發(fā)了一個理論模型，用于分析電極表面形貌（由打印填充率控制）如何影響有效的皮膚-電極接觸面積，并指導(dǎo)電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

三、研究結(jié)論

1. 電性能提升

• 在EEG頻率范圍（1–100Hz）內(nèi)，60%填充率的印刷電極實現(xiàn)了4.7kΩ的皮膚-電極阻抗，相比傳統(tǒng)Ag/AgCl電極（66.1kΩ）降低了14.1倍。

• 60%填充率電極在ECG測試中實現(xiàn)了14.47dB的信噪比（SNR），優(yōu)于Ag/AgCl（13.90dB）和金杯電極（12.37dB）。

圖3：電極-皮膚阻抗特性與信噪比分析。(A) 測試電極圖像；(B) 平均電極-皮膚接觸阻抗（0.1Hz–100kHz）；(C) EEG頻率范圍阻抗對比；(D) 等效電路模型；(E) 各電極的電阻與電容值。

2. 抗運動干擾能力強

• 在不同強度的振動干擾下，60%填充率印刷電極的SNR幾乎保持不變，表現(xiàn)出優(yōu)異的運動偽影抑制能力。

• 在48小時連續(xù)佩戴測試中，電極在出汗、睡眠、運動等多種環(huán)境下仍保持高信號質(zhì)量（SNR中位數(shù)為22.0dB）。

圖4：運動偽影測試與信噪比分析。(A, B) 實驗設(shè)置：振動電機與電極距離分別為無振動、5cm、3cm、1cm；(C–E) 分別為印刷電極、Ag/AgCl電極和金杯電極在不同振動條件下的ECG信號與SNR值。

圖5：48小時連續(xù)佩戴測試。上圖：心率（HR）與ECG信噪比（SNR）隨時間變化；下圖：電極-皮膚阻抗（Z）間歇測量值。測試涵蓋日?；顒印⒊龊?、睡眠、高溫等多種環(huán)境，SNR中位數(shù)為22.0dB，阻抗范圍為3.21–12.5kΩ。

3. 多樣化應(yīng)用驗證

• ECG監(jiān)測：可穿戴胸貼實現(xiàn)靜態(tài)與動態(tài)（如走路）下的高質(zhì)量心電信號采集。

• EEG監(jiān)測：在前額成功檢測到Berger效應(yīng)（閉眼時10Hz α波出現(xiàn)），這在傳統(tǒng)電極中極難實現(xiàn)。

• EOG監(jiān)測：用于睡眠階段識別，成功檢測到REM睡眠期的快速眼動。

• EMG監(jiān)測：實現(xiàn)12種手勢的高準確率識別（>90%），并成功用于控制機器人手。

圖6：印刷電極在ECG和紡織品中的應(yīng)用演示。(A–H) 可穿戴ECG胸貼及其信號質(zhì)量；(I–O) 大面積床用紡織品用于位置無關(guān)的ECG監(jiān)測。

圖7：印刷電極在EEG、EOG和EMG中的應(yīng)用演示。(A–C) 前額EEG檢測Berger效應(yīng)；(D–F) EOG用于睡眠階段識別；(G–L) EMG用于手勢識別與機器人手控制。

四、論文信息