摘要：第一作者：Sanghyun Lee，Dong Hae Ho，Janghwan Jekal通讯作者：Jeong Ho Cho，Kyung-In Jang通讯单位：延世大学，大邱庆北科学技术院DOI: 10.1038/s41467-024-49939-x
第一作者：Sanghyun Lee，Dong Hae Ho，Janghwan Jekal
通讯作者：Jeong Ho Cho，Kyung-In Jang
通讯单位：延世大学，大邱庆北科学技术院
DOI: 10.1038/s41467-024-49939-x
背景介绍
由于人口老龄化和传染病的出现等各种社会问题，可穿戴技术在医疗保健领域的重要性日益凸显。预防医学有可能通过对急性疾病进行早期干预来显著降低社会成本。然而，预防医学的有效实施面临着若干挑战，包括难以实现生物数据采集系统的小型化、难以确保皮肤与生物电极之间的稳定接触、难以连续佩戴以及难以进行数据分析。为了应对这些挑战，可穿戴医疗保健系统已成为能够无缝收集和跟踪用户生物数据的突出候选系统。
在可穿戴医疗保健系统中，基于纹身和基于纺织品的可穿戴设备因其可用于日常分析生理疾病（如心血管疾病、肌肉疾病、帕金森病和阿尔茨海默病）而得到了广泛研究。可拉伸和柔性干电极（由一维 (1D) 或二维 (2D) 导电材料组成）的最新进展显著提高了其灵敏度，尤其是对于紧身衣类型的应用。尽管可穿戴设备具有诸多优势，但由于直接接触皮肤，它们一直存在不适问题。Tokihiko 等人强调了穿戴舒适度的重要性，它是可穿戴设备未来的一个关键参数，类似于选择舒适的衣服。这个术语描述了设备无缝融入用户日常生活的能力，而不会因其物理存在而造成任何干扰或不规则感。尽管目前刚性可穿戴设备（如手表或戒指）的尺寸已经减小以增强舒适度，但佩戴此类设备带来的不适感却未能消除。因此，对不规则物体引起的不适敏感的个人不鼓励使用这些设备，这反过来又阻碍了可穿戴医疗设备的采用，并限制了预防医学工作的有效性。
本文亮点
1. 本工作通过利用MXene干电极的高电导率和低皮肤到电极接触阻抗，为生物信号传感提供了一种创新方法。
2. 其设计灵感来自Nesler的气动干扰致动器，可确保稳定的皮肤到电极接触，从而能够在各种情况下实现可靠的生物信号检测。
3. 开发了一种实时无线电生理监测系统，其信噪比和精度可与商用生物电极相媲美。
图文解析
图1. FLEXER 作为可穿戴设备的概念。
a 使用可控 FLEXER 在 (i) 失活状态和 (ii) 激活状态下进行心电图监测的示意图。b FLEXER 中 Nesler PIA 关节的激活过程。c 三足 FLEXER 的失活和激活状态的照片。d 由 MX-CNF-PCE、棉和 TPU 组成的 FLEXER 的结构布局。e 使用定制 XY 绘图仪进行热封过程的照片。f 衣服内部回缝 FLEXER 的照片。
图2. FLEXER 的物理和设计分析。
气动驱动的动力学分析：a 拉直的简单线性形状的 FLEXER 和 b 三足 FLEXER 的三个驱动快照，以及相应的距离、速度和角度随时间的变化。c 通过比较气球型和三足 FLEXER 的力对时间的分化来测量接触稳定性。d 在 FLEXER 中引入不同的 SL 宽度和数量。e 评估 16 种多足对称 FLEXER 变体。f 基于施加的 5 psi 气动压力的多足对称 FLEXER 接触力。平面表示等式 (1)。g 两足和五足 FLEXER 在接触面积的 3 × 3 网格划分上的力分布。h 基于 FLEXER 的 SL 数量的每个分区的接触力的标准偏差，参考图 2g 和补充图 13 中的接触力分布数据。
图3. MX-CNF-PCE 电极的化学分析。
a FLEXER 喷涂 MX-CNF-PCE 的照片图像。b MX-CNF-PCE 的 SEM 和 EDX 元素映射。c MXene 基电极的薄层电阻比较：原始 MXene、MX-CNF 和 MX-CNF-PCE。条形图显示样本平均值（n = 8）和标准偏差误差线。d 参考干湿 Ag/AgCl 电极与气动完全激活的 FLEXER 之间的皮肤阻抗比较。在四种不同条件下的归一化电阻稳定性测量：e 拉伸应变显示样本平均值（n = 5）和标准偏差误差线，f 15% 弯曲应变测试的 1000 次循环，g 100% 湿度环境显示样本平均值（n = 5）和标准偏差误差线，h 人造汗滴显示样本平均值（n = 5）和标准偏差误差线。i XRD 测量。j XPS 图。k XPS 分析结果 Ti2+/Ti3+ 面积比和氢键比比较参考 XPS 解卷积峰面积。
图4. 使用 FLEXER 进行实时心电图监测。
a 使用 FLEXER 的无线电生理监测系统的示意图和框图。b、c 比较代表性心电图信号（V，电压）（b）及其由各种电极记录的 SNR 值（c）。d、e 运动前后获得的代表性心电图信号（V，电压）（d）和心率（e）。f 使用多 FLEXER 在站立、行走和驾驶等情况下实时测量心电图，包括 FLEXER 的非活动状态和活动状态。
图5. 使用 FLEXER 进行 EMG 监测。
a 使用 FLEXER 进行 EMG 监测的概念图。b 用于手势识别的手势和相应的 EMG 信号。c 用于手势识别的多输入 CNN 架构管道。d 手势识别的 t-SNE 可视化（Fold 5）。e 手势识别结果的混淆矩阵（Fold 5）。混淆矩阵轴上的每个数字对应一个唯一的手势。f 握力测试期间的 EMG 信号。g 具有不同握力的 VRMS。
来源：华算科技