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  腦卒中是威脅人類健康的全球性腦血管疾病之一，大多數(shù)幸存者由于神經(jīng)傳遞通路受損，會(huì)留下不同程度的肢體活動(dòng)障礙，嚴(yán)重影響其正常生活。幸運(yùn)的是，長期和重復(fù)的運(yùn)動(dòng)被認(rèn)為是一種有效的策略，可以通過逐漸加強(qiáng)偏癱區(qū)域的肌肉活動(dòng)來改善病情，從而使患者最終康復(fù)。而傳統(tǒng)的被動(dòng)康復(fù)方法需要訓(xùn)練有素的醫(yī)務(wù)人員，費(fèi)用昂貴且供不應(yīng)求，特別是在COVID-19大流行期間。因此，人們提出了各種外骨骼康復(fù)機(jī)器人來輔助患者進(jìn)行重復(fù)性運(yùn)動(dòng)，與手動(dòng)模式相比，可以更好地保證在長期康復(fù)訓(xùn)練中對(duì)每次重復(fù)性運(yùn)動(dòng)的頻率和強(qiáng)度進(jìn)行精確控制，從而在醫(yī)院得到廣泛應(yīng)用。然而，被動(dòng)康復(fù)的效果較差，因?yàn)闊o法形成從意圖到執(zhí)行的封閉神經(jīng)回路。近年來，主動(dòng)康復(fù)策略被提出，將康復(fù)機(jī)器人與先進(jìn)的人機(jī)交互(HMI)技術(shù)相結(jié)合，通過預(yù)先獲取患者的運(yùn)動(dòng)意圖，使患者主動(dòng)參與康復(fù)訓(xùn)練。對(duì)于主動(dòng)康復(fù)，其基礎(chǔ)是通過精確和靈活的傳感器實(shí)時(shí)采集人體肌肉運(yùn)動(dòng)信號(hào)。

  研究人員已經(jīng)證明，通過將表皮電極應(yīng)用于特定身體部位的表皮，肌電圖(EMG)和腦電圖(EEG)等電生理信號(hào)可用于識(shí)別人體運(yùn)動(dòng)意圖。與EEG相比，EMG信號(hào)更容易采集和處理，更適合用于主動(dòng)康復(fù)。而基于EMG信號(hào)的人體運(yùn)動(dòng)意圖識(shí)別還存在兩個(gè)主要挑戰(zhàn)。一是由于運(yùn)動(dòng)偽影的存在，高信噪比的表面EMG信號(hào)的采集很困難。用于采集EMG信號(hào)的表皮電極需要高導(dǎo)電性，并與皮膚緊密保形接觸，以實(shí)現(xiàn)低電極-皮膚界面阻抗，這是獲取高質(zhì)量EMG信號(hào)的關(guān)鍵。二是從單通道EMG信號(hào)中提取的特征變量不足以有效區(qū)分多個(gè)動(dòng)作，導(dǎo)致識(shí)別準(zhǔn)確率較低。而又因?yàn)?/span>EMG在體表以電信號(hào)的形式傳播，故而多通道的EMG人機(jī)交互系統(tǒng)的不同通道之間的信號(hào)存在較大冗余，故而提高通道數(shù)量對(duì)于準(zhǔn)確率的提升有限。除了EMG信號(hào)外，肌力圖(FMG)是另一種重要的肌肉活動(dòng)信號(hào)，是比EMG信號(hào)更平穩(wěn)的信號(hào)。集成來自同一肌肉區(qū)域的EMG信號(hào)和FMG信號(hào)的人機(jī)界面有可能提高人機(jī)交互的效率和準(zhǔn)確性。

  具有三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的富水凝膠具有類似皮膚的機(jī)械性能、導(dǎo)電性、生物相容性、低成本和多刺激響應(yīng)性，使其成為人機(jī)界面中有希望的柔性傳感材料。在制備表皮電極時(shí)，尤其需要對(duì)水凝膠的粘附性能進(jìn)行優(yōu)化，以期在發(fā)生出汗的情況下，也能在水凝膠與生物皮膚之間構(gòu)建一個(gè)無縫、適形、長期穩(wěn)定的界面。一般來說，可以通過在網(wǎng)絡(luò)中引入粘合成分和官能團(tuán)來增強(qiáng)水凝膠的自粘性。受水生生物的啟發(fā)，在水凝膠中引入富含兒茶酚基團(tuán)的物質(zhì)將是在水環(huán)境中實(shí)現(xiàn)粘附的有效策略，并且水凝膠有望長時(shí)間粘附在皮膚表面。此外，用一般的水凝膠監(jiān)測微小的FMG信號(hào)是極具挑戰(zhàn)性的。這是由于在沒有其他機(jī)制參與的情況下，固體水凝膠在小變形下離子傳輸途徑的變化可以忽略不計(jì)，從而導(dǎo)致壓力響應(yīng)性差。因此迫切需要進(jìn)一步開發(fā)更高性能的水凝膠壓力傳感器。同時(shí)，對(duì)于人機(jī)界面的信號(hào)處理和傳輸模塊，還需要設(shè)計(jì)一種小尺寸、低功耗的柔性印刷電路板(FPCB)，將包括傳感器在內(nèi)的各種電子元件集成在柔性基板上，以保證整個(gè)人機(jī)交互系統(tǒng)的可穿戴性。

  論文信息：H. Wang, Q. Ding, Y. Luo, Z. Wu, J. Yu, H. Chen, Y. Zhou, H. Zhang, K. Tao*, X. Chen, J. Fu, J. Wu*, High-Performance Hydrogel Sensors Enabled Multimodal and Accurate Human-Machine Interaction System for Active Rehabilitation. Adv. Mater. 2023,2309868.

  原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202309868

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