無縫編織碳納米管織物電極用于可穿戴生物傳感

緊貼皮膚的可穿戴電子設(shè)備對(duì)于持續(xù)健康監(jiān)測(cè)和人機(jī)交互應(yīng)用非常有吸引力。通常使用的凝膠電極（例如Ag/AgCl）會(huì)使人體不適，不適合連續(xù)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。北卡羅萊納州立大學(xué)（North Carolina State University）聯(lián)合康奈爾大學(xué)（Cornell University）、美國(guó)空軍生命周期管理中心（Air Force Life Cycle Management Center）以及美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（Air Force Research Laboratory）開發(fā)出可使用不同紡織工藝制造基于碳納米管（CNT）電極的方法。他們提出了使用碳納米管包裹紡織紗線（這些紗線高度貼合皮膚并測(cè)量高保真心電圖（ECG）信號(hào)）的常規(guī)編織和辮狀編織的電極設(shè)計(jì)。皮膚和電極接觸的阻抗分析揭示了尺寸相關(guān)行為。為了證明該可穿戴電子設(shè)備卓越的耐用性，研究人員設(shè)計(jì)了一種無縫編織電極，可作為腕帶佩戴。同時(shí)，他們?cè)O(shè)計(jì)的碳納米管基干電極顯示出創(chuàng)紀(jì)錄的高信噪比，在運(yùn)動(dòng)偽影的影響下也非常穩(wěn)定。電極的耐久性測(cè)試顯示出其對(duì)洗滌的魯棒性（可清洗），以及可重復(fù)、可持續(xù)使用的實(shí)用性。

利用碳納米管包裹的棉和氨綸紗線，通過定制紡紗設(shè)備制造的電極如圖1a所示。首先，研究人員將兩個(gè)碳納米管陣列安裝在紡絲裝置的上料區(qū)。芯棉和氨綸紗線穿過送料筒的內(nèi)管。芯棉和芯紗插入內(nèi)管的直徑為0.5?cm，以適應(yīng)多種紗線的紡織。為了確保順利進(jìn)紗，研究人員使用了彈簧張緊系統(tǒng)來控制張力。對(duì)準(zhǔn)的碳納米管薄片被引導(dǎo)通過放料筒上的導(dǎo)向器，并被致密化成帶狀。由于該碳納米管帶缺乏捻度，因此其纖維間的相互作用很低，導(dǎo)致強(qiáng)度低。然后將碳納米管片纏繞在紗芯上，并在纏繞過程中引入捻度。經(jīng)纏繞和扭轉(zhuǎn)處理后，形成的芯鞘紗為圓柱形，并增加了紗線的填充密度。最后，在將紗線收集到線軸上之前，研究人員采用了1%的TPU（熱塑性聚氨酯彈性體橡膠）粘合劑（圖1b）。

圖1 碳納米管紗線和紡織品制造

不同電極的幾何形狀和表面特性如圖2a~f所示。機(jī)織物（圖2a）包含緯紗方向（水平）的碳納米管-棉-TPU紗線和經(jīng)紗方向（垂直）的棉紗?？椢镫姌O具有良好的尺寸穩(wěn)定性，并且結(jié)構(gòu)的非彈性不會(huì)改變張力下的電阻。雖然編織電極可能適合于人體放松情況或低強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)條件，但他不是身體運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度較大條件的優(yōu)選電極結(jié)構(gòu)。此外，由于羅紋結(jié)構(gòu)在應(yīng)力作用下的穩(wěn)定性相對(duì)較好，因此其相較針織結(jié)構(gòu)，能更好地防止運(yùn)動(dòng)偽影。根據(jù)剪切和彎曲剛度，其舒適和耐用性的優(yōu)劣順序?yàn)槠结樉幙梼?yōu)于常規(guī)編制結(jié)構(gòu)，而常規(guī)編制又優(yōu)于辮狀編織結(jié)構(gòu)。與其它報(bào)道的碳納米管-紗線心電圖電極相比，該紗線和織物電極都顯示出更高的延展性。

圖2 碳納米管紡織電極的形態(tài)和電特性

阻抗測(cè)量中使用的電極位置如圖3a所示。從手臂上收集的皮膚和電極之間的界面阻抗如圖3b所示。電極阻抗根據(jù)電極設(shè)計(jì)和尺寸而變化。所有使用的織物電極都是腕帶的形式。與常規(guī)編織和平針編織結(jié)構(gòu)相比，辮狀編織結(jié)構(gòu)具有相對(duì)較低的皮膚電極阻抗。常規(guī)編織電極和辮狀編織電極都顯示了電極尺寸和阻抗之間的直接關(guān)系，皮膚電極阻抗隨著電極尺寸的增加而降低（圖3c和3d）。在編織電極的情況下，由于常規(guī)編織電極包含絕緣棉紗，增大尺寸會(huì)略微降低阻抗。相反，織物電極與皮膚接觸的導(dǎo)電材料的量之間存在相關(guān)性。此外，接觸壓力還影響皮膚電極阻抗。與常規(guī)編織電極不同，辮狀編織電極包含所有碳納米管紗線，并顯示出電極尺寸和阻抗之間的直接相關(guān)性（圖3d）。

圖3 碳納米管紡織電極的阻抗分析

平針編織面料更柔韌，更貼合身體，這也是它們被常用于運(yùn)動(dòng)服和緊身衣的原因。因此，研究人員預(yù)計(jì)平針編織電極性能優(yōu)于常規(guī)編織電極。電極的信噪比（SNR）如圖4g和4h所示，研究人員將其與商用電極進(jìn)行了比較。電極的信噪比受電極尺寸、設(shè)計(jì)和制造方法的影響很大。信噪比隨常規(guī)編織電極尺寸的增大而減小，而隨辮狀編織電極尺寸的增大而增大。這是由于每單位的活性電極面積的變化引起的。盡管辮狀編織層1與編織層3相比電阻更高，但編織層3的高孔隙率可能會(huì)降低信噪比。然而，低電阻并不是電極在心電圖信號(hào)記錄過程中表現(xiàn)更好的唯一標(biāo)準(zhǔn)，并且心電圖信號(hào)是否僅取決于低皮膚電極阻抗尚不清楚。

在人體三種不同的運(yùn)動(dòng)條件下（分別為以2英里/小時(shí)的速度行走，以4英里/小時(shí)速度慢跑以及以6英里/小時(shí)的速度奔跑）采集的電極心電圖記錄如圖4d~f所示。峰值形狀的差異是因?yàn)闇y(cè)量期間電極的方向（導(dǎo)線與試樣的連接方式）不同導(dǎo)致的。在人體步行和慢跑狀態(tài)下，心電圖波形是可區(qū)分的。然而，人體隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的增加，心電圖信號(hào)中會(huì)出現(xiàn)噪聲。基線漂移主要是由于接觸不穩(wěn)定造成的，因?yàn)楠?dú)立式辮狀編織1和針織腕帶是在低接觸壓力下佩戴在手臂上的。另一方面，使用常規(guī)編制3的壓力帶，觀察到了相對(duì)穩(wěn)定的基線。而基線漂移的輕微變化是由于呼吸導(dǎo)致的。與辮狀編織1相比，常規(guī)編制3和針織腕帶抗運(yùn)動(dòng)偽影穩(wěn)定性更高。

圖4 碳納米管織物電極的心電圖傳感性能

綜上所述，研究人員通過商業(yè)紡織品制造工藝生產(chǎn)了多種織物結(jié)構(gòu)，為干式心電圖電極提供了全面的解決方案。他們首先通過將碳納米管分別包裹在棉紗和氨綸紗線上，以芯鞘結(jié)構(gòu)開發(fā)了一種可紡織加工的導(dǎo)電紗線。棉紗因其柔軟性、生物降解性、透氣性和低成本特性，成為最常用的紡織纖維。氨綸芯賦予紗線高拉伸性，與織物結(jié)構(gòu)相結(jié)合，使其具備與皮膚超貼合的特性，并能防止變形引起的運(yùn)動(dòng)偽影。本文介紹了三種不同的織物結(jié)構(gòu)：平針編織、常規(guī)編織和辮狀編織。每種結(jié)構(gòu)都具備獨(dú)特的拉伸和舒適特性，并允許針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景調(diào)整屬性。例如，用于日常室內(nèi)使用的織物電極可以設(shè)計(jì)為低拉伸性，而用于體育活動(dòng)的電極可設(shè)計(jì)為高延展性。該織物電極不需要粘合劑或支撐結(jié)構(gòu)來收集可靠的心電圖數(shù)據(jù)，并且可以像常規(guī)的基于織物的設(shè)備一樣佩戴和清洗，無需封裝。研究人員證明，在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件下，基于織物的電極與標(biāo)準(zhǔn)的商用Ag/AgCl（銀和氯化銀）電極記錄了類似的心電圖信號(hào)（具有相似的信噪比）。

審核編輯：郭婷