Progresso de pesquisa em tecnologia flexível não invasiva de revestimento de eletrodos para aquisição de eletromiografia superficial

I. Introdução

Surface Electromyography (sEMG), como método não invasivo para detectar atividade elétrica muscular, está desempenhando um papel cada vez mais importante em campos como medicina de reabilitação, ciência esportiva, interação humano-computador e neuroengenharia. Com o rápido desenvolvimento de dispositivos médicos portadores e tecnologia eletrônica flexível, os requisitos de desempenho para eletrodos de aquisição do sEMG estão constantemente aumentando - não só é necessária boa condutividade e fidelidade de sinais, mas também flexibilidade, biocompatibilidade e conforto a longo prazo dos eletrodos.

A tecnologia de revestimento de eletrodos, como uma ligação chave para melhorar o desempenho de eletrodos flexíveis, determina diretamente a condutividade, impedência de contato, relação sinal-ruído e vida de serviço dos eletrodos. Nos últimos anos, foi feito progresso significativo na inovação de materiais de revestimento e processos para eletrodos flexíveis sEMG, proporcionando suporte técnico sólido para aquisição de sinais de eletromiografia não invasiva de alto desempenho.

2[UNK] Requisitos técnicos para revestimento flexível de eletrodos sEMG

A camada de revestimento de eletrodos sEMG flexíveis deve satisfazer os seguintes requisitos essenciais:

• Baixa impedância de contato.A impedância da interface cutânea de eletrodos é um parâmetro chave que afeta a qualidade do sinal. Baixa impedância significa maior eficiência de transmissão de sinais e melhor relação sinal-ruído. Pesquisas mostraram que através de seleção razoável de materiais de revestimento e otimização de processos, a impedência da interface pode ser efetivamente reduzida.
• Alta condutividade e estabilidade.A camada de revestimento precisa ter excelente condutividade e manter desempenho elétrico estável em condições de deformação mecânica como dobramento repetido e estiramento.
• Boa biocompatibilidade.Como um dispositivo que entra em contato direto com a pele, o material de revestimento precisa ser não tóxico, não irritante e satisfazer os requisitos de segurança biológica para uso a longo prazo.
• Flexibilidade e adesão.A camada de revestimento precisa ser firmemente combinada com o substrato flexível, e não deverá cair ou quebrar em cenários de uso dinâmico como dobramento e giro.

3[UNK] Materiales de revestimento principais e suas características

3.1 Materiales de cobertura de metal

Ouro (Au).Ouro se tornou um dos materiais preferidos para cobertura flexível de eletrodos sEMG devido à sua excelente condutividade, estabilidade química e biocompatibilidade. Pesquisas mostraram que eletrodos cobertos de ouro (aproximadamente 2 μm de espessura) em substratos flexíveis de poliímide (PI) têm menor impedância e podem obter sinais estáveis de base e bons sEMG. O eletrodo de filme de ouro preparado pelo método de cobertura química tem um processo simples e alta custo-eficácia, o que pode ser alcançado em condições experimentais convencionais.

prata (Ag) e prata/cloreto de prata (Ag/AgCl).Cloreto de prata/prata é o sistema material mais comum em eletrodos biopotenciais, geralmente alcançado depositando eletroquímicamente uma camada fina de cloreto de prata no eletrodo de prata. Nos últimos anos, tinta eletroda seca de Ag/AgCl impressa em 3D esticável proporcionou uma nova abordagem para a fabricação flexível de eletrodos. Além disso, o eletrodo de fibra revestido de prata aumenta a flexibilidade ao mesmo tempo que assegura a condutividade construindo uma estrutura multicanal tridimensional.

Copro (Cu).O cobre tem boa condutividade e vantagens de custo, e é frequentemente usado em combinação com materiais como ouro. Ao combinar a cobre com tecnologia de modificação não destrutiva, uma metalização eficiente pode ser alcançada em substratos flexíveis como PET.

3.2 Materiales de cobertura baseados em carbono

Materiales baseados em carbono como nanotubos de carbono (CNT) e grafeno atraíram muita atenção no campo de eletrodos sEMG flexíveis devido a sua excelente condutividade, flexibilidade mecânica e propriedades ligeiras.

A Universidade de Tecnologia de Tóquio desenvolveu um eletrodo biológico condutivo ultra fino, que forma uma estrutura de rede de fibras cobrindo um nanotubo de carbono de uma camada única (SWCNT) material condutivo fibroso no filme elastómero, e sua relação sinal-ruído é equivalente ao eletrodo de gel comercial.

Eletrodos flexíveis de grafeno podem ser preparados depositando uma única camada de grafeno na superfície de folha de cobre usando o método de deposição química de vapor (CVD), seguido de revestimento com polímero flexível e gravação da folha de cobre. Filme de grafeno de camada única tem excelentes propriedades de condutividade e mecânicas, que podem efetivamente reduzir a perda e interferência de sinais eletromiográficos de superfície. A impedência de contato dos eletrodos porosos de grafeno induzidos por laser pode ser tão baixa quanto cerca de 17k Ω (100Hz).

3.3 Materiales condutivos de cobertura de polimeros

PEDOT:PSS。Poly (3,4-ethylenedioxythiophene): Polystyrene sulfonate (PEDOT: PSS) é atualmente um dos polímeros condutivos mais amplamente estudados. PEDOT: O revestimento PSS pode reduzir a impedência de contato de eletrodos têxteis em mais de 85% enquanto suprime a oxidação de metal. Em estruturas tridimensionais de eletrodos de microcónus, PEDOT: cobertura PSS pode melhorar a impedância de eletrodos em até 99,3%. PEDOT: Os revestimentos PSS e MXene apresentam excelentes desempenhos em pele eletrônica esticável.

3.4 Materiales emergentes em 2D como MXene

MXene é uma classe emergente de carbono/nitridos metálicos de transição bidimensional que possuem condutividade metálica (até 2000 S/m) e excelente processabilidade de solução. O eletrodo flexível baseado em MXene pode realizar aquisição de sinais EMG sem gel, alta densidade e superfície de alta resolução, o que mostra grande potencial no campo da próxima geração de bioeletrodos flexíveis.

4[UNK] Tecnologia típica do processo de revestimento

4.1 Processo de impressão flexível

Tecnologia flexível de impressão é uma rota técnica madura para preparar eletrodos sEMG. Este processo usa materiais flexíveis como poliímide (PI) como portadores para formar revestimentos condutivos em áreas designadas através da impressão. O array de eletrodos preparado por esse processo tem as vantagens de pequeno tamanho, baixo custo e capacidade de produção em massa. O material portador de eletrodos pode ser tão fino quanto 50 μm e tem alta flexibilidade mecânica, que pode se adaptar a várias superfícies curvas da pele.

4.2 Tecnologia de Impressão Inkjet

A impressão de inket, como uma tecnologia aditiva de fabricação, proporciona grande conveniência para protótipos rápidos e design personalizado de eletrodos flexíveis. Pesquisadores realizaram um estudo sobre Kapton flexível ® Uma matriz de eletrodos sEMG de alta densidade foi preparada com sucesso através da impressão de tinta com tinta baseada no substrato, alcançando bom desempenho elétrico em resolução, resistência e impedência de contato cutâneo com eletrodos.

4.3 Magnetron Sputting Coating

A esputação de magnetrão é uma técnica em que partículas de alta energia bombardeam um material alvo em um ambiente de vácuo para depositar átomos alvo na superfície do substrato para formar um filme fino. Este método pode ser usado para preparar filmes uniformes e densos em substratos flexíveis. Ao espalhar um vácuo uma camada de metal na superfície de um array flexível de eletrodos de microagulhas, pode ser obtido um revestimento de eletrodos uniformemente texturado, com um processo simples, baixo custo e produção de mass a fácil. A tecnologia de sputtering de magnetro também pode ser usada para o tratamento de metalização de eletrodos de tecido.

4.4 Aplicação química e depósito eletroquímico

Plateamento químico (depósito eletrônico) e depósito eletrôquímico são métodos suplementares importantes para preparar revestimentos metálicos. Uma placa de ouro química pode alcançar a preparação de eletrodos de filme de ouro em condições experimentais convencionais, com um processo simples e alta custo-eficácia. Eletrodos de prata/cloreto de prata geralmente formam uma fina camada de cloreto de prata na superfície do eletrodo de prata através da depositação eletroquímica.

4.5 Processo de pulverização e cobertura

O processo de pulverização pode depositar materiais condutivos sob a forma de filmes finos diretamente em substratos flexíveis ou mesmo pulverizá-los diretamente na superfície da pele. Ao spraying biocompatível tinta de nanosheet bidimensional, um filme conformal van der Waals pode ser formado na superfície corporal, alcançando aquisição de sinais bioelétricos de baixa impedência. Polímero condutivo PEDOT: PSS também pode ser aplicado a eletrodo de grafeno poroso tridimensional por revestimento de pulverização.

5[UNK] Optimização do desempenho da tecnologia de revestimento

5.1 Reduzir a impedência de contato

O desafio central dos eletrodos flexíveis do sEMG é reduzir a impedência na interface da pele do eletrodo. Pesquisas mostraram que utilizar tecnologia de cobertura de ouro pode reduzir a impedência de eletrodos para um nível inferior. Ao modificar com PEDOT: cobertura PSS, a impedência de contato de eletrodos têxteis pode ser reduzida em mais de 85%. A impedência média da pele eletroda de eletrodos secos impressos em 3D baseada em processos químicos de cobre e de cobre de cobre pode atingir 66,7 k Ω a uma frequência de 50Hz, o que é comparável aos eletrodos húmidos comerciais.

5.2 Melhoria do índice de sinal ao ruído

Signal to Noise Ratio (SNR) é um indicador central para medir a qualidade dos sinais de eletrodos. Materiales baseados em carbono desempenham excelentemente nesse sentido - a razão sinal-ruído de eletrodos de grafeno induzidos por laser pode alcançar 48,659dB, e a razão sinal-ruído de eletrodos de óxido de grafeno reduzido (rGO) pode alcançar 16,8dB.

5.3 Aumentar a estabilidade mecânica

A estabilidade do desempenho de eletrodos flexíveis em condições de deformação repetidas é crucial. O eletrodo flexível de eletromiografia de superfície com uma estrutura de três camadas (PDMS/pasta de prata/esqueleto de fibra) mostra excelente estabilidade mecânica com uma taxa de mudança de resistência de menos de 3% após 1000 dobras.

6[UNK] Perspectivas e perspectivas de aplicação

Com a integração cruzada de eletrônica flexível, nanomateriais e tecnologias avançadas de fabricação, a tecnologia flexível de revestimento de eletrodos não invasivos sEMG está rapidamente se desenvolvendo em direção a maior desempenho, menor custo e uso mais confortável.

• Array sEMG de alta densidade.O avanço da tecnologia de revestimento possibilitou preparar arrays de eletrodos de alta densidade, fornecendo uma fundação de hardware para coleta de informações espaciales de alta definição da atividade muscular.
• Monitorização portable a longo prazo.O eletrodo seco flexível não precisa de gel condutivo, o que evita desidratação, irritação cutânea e outros problemas do eletrodo húmido tradicional, e é adequado para cenários de monitoramento contínuo a longo prazo.
• Interação inteligente humano-computador.O sistema sEMG usable baseado em eletrodos secos conformais alcançou a classificação em tempo real do reconhecimento de gestos, com uma precisão de reconhecimento de mais de 97%.

No futuro, com o surgimento contínuo de novos materiais de revestimento como MXene e compostos de polímeros condutivos, bem como a otimização contínua de processos de revestimento como impressão rolante-rolante e pulverização em grande área, é esperado que eletrodos sEMG flexíveis não invasivos desempenhem um papel mais importante em campos como atenção inteligente à saúde, reabilitação esportiva e interação virtual reality.

7[UNK] Advanced Institute (Shenzhen) Technology Co., Ltd.: Leading Innovation in Flexible Electrode Coating Technology

O Advanced Institute (Shenzhen) Technology Co., Ltd. (a seguir denominado "Advanced Institute Technology") foi criado em 2016 e é uma empresa de alta tecnologia especializada em materiais de escudo, materiais de isolamento, materiais de condutividade térmica e revestimentos de metais preciosos. A empresa tem sua própria marca registrada "Research Platinum" e tem bases de produção em Shenzhen e Dongguan. Ela aprovou a certificação do sistema de gestão de qualidade ISO9001 e seus produtos se conformam com padrões militares GJB 773A e requisitos ambientais RoHS.

No campo da cobertura flexível de eletrodos, a Advanced Institute Technology desenvolveu três tipos de soluções flexíveis de cobertura de substratos: cobertura de prata, cobertura de ouro e cobertura de platina, com tecnologia de cobertura de metal como núcleo. A empresa construiu independentemente um rolo de sputtering magnetron e evaporação de vácuo para a linha de produção de rolos, que pode continuamente depositar camadas de metal na superfície de vários filmes flexíveis de polímero como PI (poliímide), PET, FEP, etc. Tem vantagens de processo como revestimento uniforme, forte adesão e suporte para fornecimento em grande escala. Em resposta ao problem a de força insuficiente de ligação entre substratos de metal e polímero, a empresa desenvolveu um processo de pré-tratamento plasma para melhorar eficazmente a força de ligação entre o substrato e a camada de metal; Adoptar tecnologia de cobertura de ouro livre de ciano no processo de cobertura de ouro, equilibrar a protecção ambiental e a segurança.

A série de produtos de eletrodos flexíveis extensíveis da pele lançada pela Advanced Institute Technology adota uma estrutura composta de substratos elásticos e camada funcional de alta condutividade, que pode encaixar de perto as curvas do corpo humano e coletar contínuamente sinais sEMG de alta qualidade em ambientes dinâmicos como movimento e contração muscular. A empresa domina nanotubos de carbono, grafeno PEDOT:PSS、 Sistemas de material de camadas condutivas multifuncionais como nanoviros de prata e MXene podem ser flexíveis personalizados para soluções de eletrodos de acordo com diferentes cenários de aplicação. Além disso, a s érie de marcas de R&D de platina de platina de eletrodos de platina fornece suporte material de alto desempenho para aplicações de bioeletrodos com excelente condutividade, biocompatibilidade extraordinária e habilidade de trabalho estável a longo prazo.

Desde revestimento de metales preciosos de substratos flexíveis para deslizamento de bioeletrodos, de eletrodos estessíveis na superfície da pele para soluções de revestimento de sondas neurais, a Tecnologia do Instituto Avançado continua a promover inovação e industrialização de tecnologia flexível de revestimento de eletrodos não invasivos. No futuro, a empresa continuará a desviar-se no campo de materiais eletrônicos flexíveis, fornecendo componentes e soluções básicos de alto desempenho e altamente confiáveis para aplicações avançadas, como aquisição de eletromiografia superficial, monitoramento de saúde portable e interfaces de computador cerebral.

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