腦電圖（EEG）作為一種非侵入式的腦機(jī)接口（BCI）技術(shù)前景廣闊，但其廣泛應(yīng)用一直受限于電極性能。傳統(tǒng)濕電極雖然信號(hào)質(zhì)量高，但需要手動(dòng)涂抹導(dǎo)電膏，設(shè)置繁瑣，且難以集成到可穿戴設(shè)備中；而干電極雖然使用方便，卻難以穿透毛發(fā)與頭皮形成共形接觸，導(dǎo)致信號(hào)阻抗高、不穩(wěn)定。如何在多毛的頭皮上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高質(zhì)量的信號(hào)采集，同時(shí)保持可穿戴設(shè)備所需的便捷性，是領(lǐng)域內(nèi)長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)。

受蜜蜂筑巢行為的啟發(fā)，南洋理工大學(xué)陳曉東教授、關(guān)存太教授和清華大學(xué)高小榕教授合作開發(fā)出一種熱致粘彈性可切換電極（HIVE）。蜜蜂通過局部加熱蜂蠟，可逆地改變其粘彈性狀態(tài)，從而塑造出堅(jiān)固的蜂巢。借鑒這一策略，HIVE電極整合了熱響應(yīng)明膠凝膠和嵌入式微型加熱器，能夠主動(dòng)調(diào)控電極界面狀態(tài)。在加熱時(shí)，凝膠變?yōu)榭闪鲃?dòng)的溶膠，滲透毛發(fā)并與頭皮形成緊密共形接觸；停止加熱后，凝膠在體溫下恢復(fù)為粘彈性狀態(tài)，提供牢固粘附。該電極還具備基于實(shí)時(shí)阻抗反饋的閉環(huán)加熱控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)準(zhǔn)備。在穩(wěn)態(tài)視覺誘發(fā)電位（SSVEP）范式中，HIVE的分類準(zhǔn)確率可與金標(biāo)準(zhǔn)濕電極相媲美，并能成功應(yīng)用于基于視覺的輪椅導(dǎo)航和高速文本輸入等可穿戴BCI演示中，為頭皮多毛表面的共形生物電子接口提供了全新的設(shè)計(jì)范式。相關(guān)論文以“Bioinspired Heat-Induced Viscoelasticity-Switchable Electrodes for Conformal Brain-Computer Interfaces”為題，發(fā)表在

Advanced Materials

這項(xiàng)創(chuàng)新的核心機(jī)制直觀地體現(xiàn)在其設(shè)計(jì)原理圖中。研究者從蜜蜂工蜂通過體溫局部加熱蜂蠟、使其在堅(jiān)硬承重態(tài)與柔軟可塑態(tài)之間可逆切換以筑造蜂巢的過程獲得靈感。基于此，HIVE將熱響應(yīng)明膠凝膠封裝于親水海綿基質(zhì)中，并集成了片上微型加熱器。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，電極最初以固態(tài)凝膠形式置于頭皮上；啟動(dòng)加熱后，凝膠熔化成溶膠，流出海綿并滲透毛發(fā)，自適應(yīng)地貼合頭皮輪廓；停止加熱后，凝膠冷卻至體溫并轉(zhuǎn)變?yōu)檎硰棏B(tài)，從而提供持久穩(wěn)定的粘附與電接觸。

圖1 | 用于多毛頭皮貼合式腦機(jī)接口的仿生熱致粘彈性可切換電極示意圖。 a) 在蜂巢構(gòu)建過程中，工蜂利用自身體溫局部加熱蜂蠟，可逆地將其粘彈性狀態(tài)在剛性承載狀態(tài)與柔軟可塑狀態(tài)之間切換。 b) HIVE將溫敏明膠凝膠封裝于海綿基質(zhì)中，并結(jié)合電極上的微型加熱器，主動(dòng)調(diào)控凝膠的粘彈性。 c) HIVE在多毛皮膚上的原位熱致貼合接觸過程。（i）初始佩戴時(shí)，凝膠為固態(tài)，未與頭皮貼合。（ii）加熱使凝膠熔化，滲透毛發(fā)并貼合頭皮。（iii）停止加熱后，凝膠恢復(fù)至體溫，變?yōu)檎硰椥圆a(chǎn)生強(qiáng)附著力。

為了確保電極的性能與可靠性，研究人員對(duì)其材料和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入表征與優(yōu)化。HIVE采用集成化設(shè)計(jì)，包含Ag/AgCl信號(hào)采集電極、金基加熱電阻以及作為導(dǎo)電界面的凝膠-海綿復(fù)合材料。流變學(xué)測(cè)試表明，通過調(diào)節(jié)明膠、氯化鈉和甘油的含量，可將凝膠的相變溫度精確調(diào)控至約38°C，使其在略高于體溫時(shí)熔化，并在體溫下保持粘彈態(tài)以提供良好附著力。此外，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種將商用疏水海綿轉(zhuǎn)化為超親水“水凝膠海綿”的方法，該海綿能通過毛細(xì)作用在凝膠熔化后仍將其有效錨定在電極上，防止其流失。對(duì)比實(shí)驗(yàn)顯示，HIVE在毛發(fā)頭皮上的阻抗與濕電極相當(dāng)，遠(yuǎn)低于干電極，且其凝膠-海綿復(fù)合結(jié)構(gòu)的粘附力隨溫度變化可調(diào)，實(shí)現(xiàn)了在儲(chǔ)存時(shí)低粘附、在使用時(shí)高粘附的智能切換。添加的甘油有效防止了凝膠脫水，賦予了電極長(zhǎng)時(shí)間使用的穩(wěn)定性。

圖2 | 用于自適應(yīng)毛發(fā)界面接觸的HIVE中粘彈性可切換凝膠與凝膠保持海綿。 a) HIVE的爆炸視圖示意圖。中央銀/氯化銀電極用于阻抗測(cè)量與腦電記錄，鍍金部件作為加熱電阻。 b, c) 不同明膠含量（b）與氯化鈉含量（c）的明膠凝膠在10°C至70°C升溫過程中的儲(chǔ)能模量與損耗模量。 d) 通過凝膠化反應(yīng)將商業(yè)疏水海綿改性為水凝膠海綿的制備過程。改性前海綿接觸角為116°±2°，改性后可快速吸收液滴。 e) 凝膠熔化后，海綿通過毛細(xì)作用將凝膠保留在電極上；而無海綿的電極在凝膠液化后會(huì)流失凝膠。為便于觀察，凝膠已染色。 f) 可視化展示HIVE在毛發(fā)存在下的接觸情況：加熱后凝膠熔化并透過毛發(fā)與玻璃接觸。 g) 干電極、濕電極與HIVE在多毛頭皮上的阻抗譜對(duì)比。 h) 凝膠-海綿復(fù)合材料與無海綿凝膠在不同表面溫度下的粘附力對(duì)比。 i) 不同甘油含量的明膠凝膠的脫水情況。

為實(shí)現(xiàn)用戶友好的自適應(yīng)操作，HIVE集成了智能閉環(huán)熱控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過微控制器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電極-頭皮阻抗，并以此反饋控制加熱過程。當(dāng)阻抗降至預(yù)設(shè)閾值以下時(shí)，加熱自動(dòng)停止，確保了高效與安全。紅外熱成像顯示，電極采用分段加熱策略（先連續(xù)加熱120秒，后間歇加熱），可在安全溫度范圍內(nèi)快速達(dá)到并維持所需溫度。在實(shí)際測(cè)試中，無論使用者頭發(fā)長(zhǎng)短疏密，該系統(tǒng)都能自動(dòng)調(diào)整加熱時(shí)間，使阻抗穩(wěn)定降低至理想范圍，整個(gè)過程可由用戶獨(dú)立完成。

圖3 | 基于電極-頭皮阻抗的閉環(huán)熱控制，實(shí)現(xiàn)可穿戴腦機(jī)接口設(shè)備的自主準(zhǔn)備。 a) HIVE在電加熱過程中的紅外熱成像圖。 b) HIVE內(nèi)部溫度分布的仿真結(jié)果。 c) 通過紅外成像測(cè)得的HIVE表面中心溫度變化。彩色區(qū)域代表加熱階段，120秒連續(xù)加熱后轉(zhuǎn)為間歇加熱模式。 d) 用于設(shè)置與操作HIVE的智能手機(jī)應(yīng)用界面。 e) 閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖：根據(jù)實(shí)時(shí)阻抗反饋調(diào)節(jié)加熱時(shí)長(zhǎng)。 f) 用戶佩戴四個(gè)HIVE電極（位于Pz、O1、Oz、O2位置）的照片。耳垂處的電極作為阻抗測(cè)量的對(duì)電極。 g) 微控制器在加熱過程中測(cè)得的實(shí)時(shí)阻抗。當(dāng)阻抗低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)加熱自動(dòng)停止。 h) 不同發(fā)長(zhǎng)使用者所需的加熱時(shí)間，顯示HIVE可根據(jù)用戶發(fā)長(zhǎng)自動(dòng)調(diào)節(jié)加熱時(shí)間。

最終的性能驗(yàn)證證明了HIVE在可穿戴BCI應(yīng)用中的卓越潛力。在8目標(biāo)SSVEP分類實(shí)驗(yàn)中，HIVE的分類準(zhǔn)確率與濕電極相當(dāng)（使用1秒數(shù)據(jù)即可超過90%），顯著優(yōu)于干電極。更重要的是，在長(zhǎng)達(dá)8小時(shí)的連續(xù)記錄中，商用濕電極因凝膠脫水導(dǎo)致性能在4小時(shí)后顯著下降，而HIVE憑借其抗脫水特性始終保持高準(zhǔn)確度。研究者進(jìn)一步將HIVE與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡結(jié)合，開發(fā)了完全可穿戴的視覺BCI系統(tǒng)，使用者可通過注視不同頻率的刺激目標(biāo)，實(shí)時(shí)控制電動(dòng)輪椅的移動(dòng)。此外，系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了40目標(biāo)的SSVEP分類，可用于全鍵盤視覺打字，展現(xiàn)了其在復(fù)雜控制場(chǎng)景下的穩(wěn)健性能。

圖4 | 基于HIVE的高保真、長(zhǎng)時(shí)程可穿戴視覺腦機(jī)接口系統(tǒng)及其輔助應(yīng)用展示。 a) 八目標(biāo)SSVEP實(shí)驗(yàn)示意圖：屏幕上同時(shí)顯示8個(gè)頻率在8至15Hz間閃爍的目標(biāo)，受試者按要求注視其中一個(gè)。 b) 在8Hz與12Hz視覺刺激下，使用HIVE記錄的腦電波形。 c) 分類準(zhǔn)確率與采樣時(shí)間的關(guān)系：HIVE與濕電極準(zhǔn)確率相當(dāng)，干電極則顯著較低。 d) 使用1秒采樣時(shí)間時(shí)，HIVE與濕電極在8小時(shí)長(zhǎng)時(shí)記錄中的分類準(zhǔn)確率變化。 e) HIVE在72小時(shí)長(zhǎng)時(shí)使用中保持良好的分類準(zhǔn)確率與低阻抗。 f) 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡顯示的SSVEP可穿戴腦機(jī)接口系統(tǒng)。腦電功率譜密度圖顯示用戶注視不同頻率刺激時(shí)對(duì)應(yīng)的信號(hào)響應(yīng)，映射為控制電動(dòng)輪椅的特定指令。用戶可通過注視相應(yīng)目標(biāo)控制輪椅運(yùn)動(dòng)。

這項(xiàng)研究成功將自然界蜜蜂調(diào)控粘彈性的策略轉(zhuǎn)化為一種實(shí)用的生物電子接口解決方案。HIVE電極融合了高信號(hào)質(zhì)量、穩(wěn)固粘附、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、可重復(fù)使用和便捷操作等諸多優(yōu)勢(shì)，有效解決了在毛發(fā)皮膚表面進(jìn)行高保真電生理監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)。它不僅為可穿戴腦機(jī)接口的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用提供了切實(shí)可行的工具，也為在復(fù)雜多毛表面構(gòu)建熱調(diào)控共形生物接口確立了新的設(shè)計(jì)范式，有望拓展至人類、動(dòng)物乃至植物的電生理監(jiān)測(cè)等更廣泛領(lǐng)域。