Los músculos humanos producen una débil señal electrofisiológica, la señal emg, durante la contracción y relajación. La electromiografía superficial (semg) capta estas señales a través de electrodos adheridos a la superficie de la piel y desempeña un papel cada vez más importante en los campos de la medicina de rehabilitación, la ciencia del movimiento, la interacción hombre - computadora y la ingeniería neurológica.

Sin embargo, la adquisición de señales SEMG se enfrenta a dos desafíos naturales. En primer lugar, la amplitud de la señal EMG de la superficie corporal es de solo microvoltz (μv), que es muy fácil de sumergir por el ruido ambiental y los artefactos de movimiento. En segundo lugar, la piel humana es un tejido biológico suave, estirable y no plano, con el que los electrodos rígidos tradicionales son difíciles de igualar mecánicamente. Como primer paso en la adquisición de señales, el rendimiento del electrodo determina directamente el límite superior de calidad del procesamiento de señales posterior.

Aunque los electrodos húmedos de plata / cloruro de plata (ag / agc1) ampliamente utilizados en la clínica son considerados como el "estándar de oro" para la adquisición de señales biológicas, hay tres defectos congénitos: el secado del gel con el tiempo conduce al aumento de la resistencia al contacto y la disminución continua de la calidad de la señal; Los ingredientes del gel pueden causar reacciones alérgicas en la piel, y la mala transpirabilidad puede causar enrojecimiento e hinchazón de la piel; La preparación de la piel lleva mucho tiempo y la operación de aplicación es compleja, lo que no es adecuado para escenas portátiles diarias. Bajo estas restricciones, los electrodos secos flexibles se han convertido en la dirección de evolución tecnológica reconocida por la industria.

Dos y cuatro propuestas de ingeniería principales: el umbral técnico de los electrodos flexibles de EMG desde el laboratorio hasta la aplicación

Los electrodos secos flexibles no requieren geles y adhesivos conductores, pueden entrar en contacto directo con la piel para recoger señales y tienen ventajas centrales como no irritación, uso a largo plazo y reutilización. Sin embargo, para lograr el salto del laboratorio a la aplicación a gran escala, es necesario resolver sistemáticamente las siguientes cuatro propuestas básicas de ingeniería.

III. sistema de materiales de recubrimiento: selección múltiple de metales preciosos a bases de carbono

Las propiedades de los electrodos flexibles de EMG se derivan de su sistema de materiales conductores. Los diferentes materiales tienen sus propias opciones en términos de conductividad eléctrica, estabilidad química, biocompatibilidad y costo.

Oro (au)Debido a su excelente conductividad eléctrica, estabilidad química y biocompatibilidad, se ha convertido en el material preferido para el recubrimiento flexible de electrodos semg. La inercia química del oro le permite no corroer ni precipitar iones tóxicos en un entorno fisiológico, adecuado para el contacto a largo plazo con la piel.Plata / cloruro de plata (ag / agcl1)Es el sistema de materiales más común en electrodos biopotenciales, con bajo potencial de polarización y excelente estabilidad electroquímica, generalmente mediante la deposición electroquímica de cloruro de plata en electrodos de plata. En los últimos años, la tinta de electrodo seco AG / agc1 impresa en 3D estirable ha proporcionado nuevas ideas para la fabricación de electrodos flexibles.

Materiales a base de carbonoEntre ellos, los nanotubos de carbono y el Grafeno han atraído mucha atención debido a sus excelentes propiedades eléctricas, mecánicas flexibles y ligeras. El electrodo biológico superconductor ultrafino desarrollado por la Universidad Tecnológica de Tokio forma una estructura de malla de fibra mediante la aplicación de un material conductor en forma de fibra de nanotubos de carbono de una sola capa en una película elástica, cuya relación señal - ruido es comparable a la de los Electrodos de gel comercializados en el mercado. La resistencia media de los electrodos secos compuestos de nanotubos de carbono de paredes múltiples / polidimetilsiloxano (mwcnt - pdms) a 10 Hz es de 490,75 ± 71,57 kohm, y la relación señal - ruido después de la integración en el brazalete wearable puede alcanzar 34,23 ± 1,74 DBS (40 - 160hz), lo que es mejor que los resultados comparativos de los electrodos húmedos AG / agcll.

Polímero conductorEntre ellos, pedot: pss es uno de los materiales más estudiados en la actualidad. Pedot: el recubrimiento pss puede reducir la resistencia al contacto de los electrodos textiles en más del 85%, al tiempo que inhibe la corrosión metálica. Los parches secos de SEMG basados es es en electrodos mixtos de Grafeno y plata se preparan a través de la impresión de malla de alambre, con una relación señal - ruido de 11,5 db, que es comparable a la del electrodo AG / agcll (11,6 db), y la red de electrodos circulares de 4 × 2 realiza un registro EMG resuelto en el espacio.

4. proceso de recubrimiento: un eslabón clave en la transformación de las propiedades de los materiales en la fiabilidad de los Electrodos

El proceso de recubrimiento es el eslabón central para transformar las ventajas teóricas de los materiales conductores en las propiedades reales de los electrodos. Para las cuatro propuestas de ingeniería de electrodos flexibles emg,Ciencia y tecnología avanzadas de la AcademiaSe ha construido un sistema técnico completo, desde el material hasta el proceso.

• Avance en la Unión de la interfaz: activación del pretratamiento de plasma.En respuesta al problema de la industria de la falta de unión entre metales y sustratos poliméricos, el proceso de pretratamiento de plasma desarrollado por la Ciencia y la tecnología de la academia avanzada bombardea la superficie del sustrato a través del plasma, mejorando efectivamente la resistencia de unión entre el sustrato y la capa metálica. Con el diseño del recubrimiento gradiente, se logra la transición de tensión del sustrato a la capa metálica, evitando efectivamente la desprendimiento de la interfaz causada por la diferencia de módulo, la fuerza de adhesión de 100 celosías del recubrimiento alcanza el nivel 5b, y la resistencia a la desprendimiento supera los 0,8n / mm.
• Avance en la calidad del recubrimiento: galvanoplastia pulsada.La introducción de la tecnología de galvanoplastia pulsada, mediante el control preciso del tiempo y la frecuencia de conmutación de la corriente eléctrica, reduce efectivamente la permeabilidad del recubrimiento y mejora la densidad y uniformidad del recubrimiento.
• Avance en la protección del medio ambiente y la seguridad: chapado en oro sin cianuro.El uso de la tecnología de chapado en oro sin cianuro en el proceso de chapado en oro tiene ventajas obvias en la reducción de la contaminación ambiental y la mejora de la seguridad operativa.

V. rendimiento clave y consideraciones de selección

Información Pública de la industria integral yCiencia y tecnología avanzadas de la AcademiaSegún los datos técnicos, los parámetros clave de selección de electrodos flexibles EMG son los siguientes:

Al seleccionar electrodos flexibles de emg, los ingenieros deben centrarse en las siguientes dimensiones:

• Los escenarios de aplicación determinan el camino del material.El diagnóstico clínico a corto plazo puede elegir el sistema AG / agc1; El monitoreo wearable a largo plazo debe priorizar los sistemas de materiales chapados en oro o a base de carbono para obtener una resistencia a largo plazo más estable y una mejor biocompatibilidad.
• La resistencia al contacto es el primer umbral para la calidad de la señal.Al seleccionar, se debe prestar atención a las características de resistencia de los electrodos dentro de la banda objetivo (la señal efectiva de SEMG se concentra en 20 - 500hz), en lugar de centrarse solo en los valores nominales a una sola frecuencia.
• La adherencia del recubrimiento y la estabilidad de la deformación determinan la fiabilidad a largo plazo.La adherencia de grado 5b (nivel más alto de ASTM d3359) es el umbral del proceso para garantizar que los electrodos no se caigan en curvas repetidas, aplicaciones e infiltración de sudor.
• La precisión de procesamiento satisface las necesidades de las matrices de alta densidad.Las matrices SEMG de alto canal requieren una precisión de patrón a nivel de micras, y se deben seleccionar proveedores que apoyen la producción continua de volúmenes y procesos de recubrimiento de precisión.

VI. observaciones finales

La esencia de los electrodos flexibles de EMG es establecer un canal de señal estable, de bajo ruido y amigable con la biología entre los dispositivos electrónicos rígidos y la piel suave y dinámica. Coincide con las propiedades mecánicas de la piel con un sustrato flexible, garantiza la calidad de la señal con una capa conductora a base de oro / plata / carbono y convierte la inercia química del material en propiedades confiables a largo plazo con un pretratamiento de plasma y un proceso de galvanoplastia pulsada, en colaboración con los cuatro, para responder conjuntamente a una pregunta central de ingeniería: cómo hacer que los electrodos sean tan suaves como la piel, pero también para entender el lenguaje de los músculos.

El cambio de paradigma de los electrodos húmedos a los secos flexibles refleja la mejora de la demanda de la tecnología SEMG de "detección clínica a corto plazo" a "monitoreo diario a largo plazo". Comprender las limitaciones mutuas entre las cuatro propuestas de ingeniería, los límites de rendimiento de los diferentes sistemas de materiales de recubrimiento y el papel decisivo del proceso de recubrimiento en la fiabilidad a largo plazo de los electrodos son las claves para actualizar los electrodos flexibles de EMG de "un sensor" a "decisión de ingeniería".