A hagyományos EEG-gyűjtő berendezések terjedelmesek, vezető gélre támaszkodnak, és érzékenyek az interferenciára. Ahhoz, hogy az agy-számítógépes interfész (BCI) technológia valóban a mindennapi élet részévé váljon, az innovációkat a legelején kell elkezdeni. A közelmúltban a Liu Ran kutató és Gao Xiaorong professzor, a Tsinghua Egyetem Orvosbiológiai Mérnöki Karának munkatársa által vezetett csapat egy jelentős eredményt publikált az ACS Applied Materials & Interfaces folyóiratban: kifejlesztettek egy MXene-alapú mikrotű-elektródát, amely nemcsak magas-ingyenes, de komplex minőségű EEG-jelek felvételét is lehetővé teszi. hordható és nagyon kompatibilis. Ez az új elektróda megnyitja az utat a BCI-eszközök általánossá válása előtt.
Ⅰ. Egy okosabb "agyfolt"
A hagyományos elektroencefalográfiás (EEG) eszközök általában gél{0}}alapú nedves elektródákat használnak. Noha stabil jelminőséget biztosítanak, használatuk nehézkes lehet, bőrirritációt okozhat, és érzékenyek lehetnek az interferenciára. Az elmúlt években a száraz elektródák alternatívaként jelentek meg, de a kényelem, a jelminőség és a könnyű kopás egyensúlya állandó kihívást jelent az anyagtudományban és a neuromérnökökben.
Ez a kutatócsoport az MXene-t (egyfajta kétdimenziós szénanyag) használta vezető magként, és mikrotűs szerkezettel kombinálva egy mindössze 1 négyzetmilliméteres száraz EEG-elektródát tervez. Az MXene a közelmúltban nagy figyelmet kapott kiváló vezetőképessége, rugalmassága és biokompatibilitása miatt. A mikrotű-elrendezés lehetővé teszi az elektróda számára, hogy "könnyen behatoljon" a bőr felszíni rétegébe, a stratum corneumba, így nincs szükség borotválkozásra vagy gél felvitelére, és lehetővé teszi az alacsony-impedanciájú, nagy-jel-/-zaj arányú EEG-jelek beszerzését. Ez a szerkezet nemcsak jelentősen javítja az elektróda és a fejbőr érintkezési stabilitását, hanem olyan előnyöket is kínál, mint a mozgásállóság, az izzadság és az újrafelhasználhatóság.
Ⅱ. Feldolgozás és tesztelés: Nem csak könnyű, de kompatibilis az MRI-vel és a nagy sebességű vasúti{1}}alkalmazásokkal is.
Az elektróda átfogó teljesítményének ellenőrzésére a kutatók kísérleti teszteket végeztek több dimenzióban, beleértve az anyagtulajdonságokat, a fiziológiás jelgyűjtési teljesítményt, a biokompatibilitást és az MRI-kompatibilitást.
Először is, az elektródák gyártása során a kutatók mikroformázási és hidrogélhordozó technológiát alkalmaztak annak biztosítására, hogy a mikrotű-tömb megőrizze az átszúrási képességet, miközben megőrzi a kiváló rugalmasságot a bőrkárosodás megelőzésére. A felületet MXene anyaggal kezelték, lehetővé téve a vezetőréteg szabályozható vastagságát, ami a szerkezeti stabilitást és a nagy jelfogó képességet egyaránt eléri.
A jeltesztelési szakaszban a csapat az elektródát egy közös agyi{0}}számítógép-interfész paradigmára alkalmazta: állandósult-állapotú vizuális kiváltott potenciálra (SSVEP). Az SSVEP jelenleg az egyik legstabilabb és legpontosabb jelforrás a nem-invazív BCI-kben, és széles körben használják olyan esetekben, mint a helyesírási bevitel és a robotvezérlés. A teszteredmények azt mutatták, hogy ez a mikrotűs elektróda a hagyományos gélelektródákkal összehasonlítható pontosságot ért el az SSVEP jelgyűjtésben, sőt zajos környezetben és minimális mozgás mellett is stabilabban működött.
Nevezetesen, a kutatócsoport értékelte az elektródának a mágneses rezonancia képalkotással (MRI) való kompatibilitását is, és nem talált jelentős műtermékeket vagy rendellenes felmelegedést erős mágneses térben, ami arra utal, hogy a jövőben felhasználható szinkronizált EEG-felvételre a klinikai agyi funkcionális képalkotás során. Ezenkívül a biokompatibilitási tesztek kimutatták, hogy a hosszan tartó kopás nem vált ki gyulladást vagy bőrreakciókat, így alkalmas napi vagy folyamatos klinikai monitorozásra.
Ⅲ. Új kezdet a "nulla{1}}érzékelős" BCI-k felé
Ennek a kutatásnak a legnagyobb jelentősége abban rejlik, hogy a hagyományos EEG-elektródák kényelmét és teljesítményét{0}}megváltoztatták. Az MXene anyagok nagy vezetőképességének és a mikrotűs szerkezet áthatoló tulajdonságainak ötvözésével ez az elektróda kiváló-minőségű, hosszú-távú EEG-felvételt ér el gél nélkül, megalapozva ezzel a BCI-eszközöket, hogy valóban beléphessenek a „hordható” korszakba.
A jövőben előreláthatólag ezeket a mikrotűs elektródákat vezeték nélküli kommunikációs modulokkal, miniatürizált erősítőkkel és szélső AI-chipekkel integrálják majd, hogy létrehozzanak egy plug{0}}and-play brain-számítógép-rendszert, amely okosóraként integrálható a mindennapi életbe. Ezenkívül az orvosi alkalmazások szélesebb körét is szolgálhatja, beleértve a neurorehabilitációt, az epilepszia figyelmeztetést és az alvásfigyelést. Az agy-számítógépes interfészek iparága számára ez azt jelenti, hogy a laboratóriumtól a piacig vezető „utolsó mérföld” áthidalása folyamatban van.