更柔软的头皮接触界面让脑信号更长时间保持可读
广西大学、广西医科大学和清华大学的研究人员开发出一种水凝胶电极。在一项持续14小时的静息测试中，受试者完成视觉打字任务的准确率超过94%。在另一项实验中，受试者行走、进食、阅读和睡觉时，电极连续8小时记录到稳定的脑信号。
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这项发表于《npj柔性电子学》的研究介绍了这种设备，它旨在解决脑机接口（BCI）面临的一个实际问题：如何让传感器在一天中的大部分时间里与活动中的人保持可靠接触。传统电极的导电凝胶可能会变干，或因与头皮的接触发生偏移，导致信号质量下降。
研究人员将这种设备称为仿生皮肤自适应梯度电极。其结构逐渐变化：贴近头皮的一端较柔软，连接电子设备的一端则较坚硬。材料内部的孔隙大小也各不相同，有助于释放维持电接触所需的电解质。
打字任务的最佳结果来自一项测试：受试者注视闪烁的虚拟键盘。另一项涉及移动视觉目标的任务，准确率也超过90%。结合日常活动期间的记录实验，这些结果表明，这种设备或可用于严格受控的实验室测试之外的场景。
对于未来可能使用这类系统进行交流或长期监测的人来说，可靠接触与短短几分钟的成功演示同样重要。无论佩戴者改变姿势、休息，还是进行日常活动，传感器都必须持续采集可用信息。
打字测试的具体内容
研究团队将电极装入一顶商用脑电图（EEG）帽中。脑电图通过头皮上的传感器测量与大脑活动相关的电信号。在脑机接口中，计算机软件会处理这些测量数据，并将特定模式转换为指令。
静息实验持续14小时，受试者每小时完成一次测试。在静止状态下的打字任务中，受试者注视虚拟键盘上闪烁的按键，输入数字1至9和日期。准确率超过94%。
视觉引导型脑机接口利用大脑对所观看内容的反应。键盘提供一组有序的选项，系统根据记录到的反应识别受试者想要选择的内容。因此，受试者通过集中注意力注视屏幕进行交流，而不是实际按下按键。
在另一项任务中，彩色线条扫过虚拟方格，受试者则专注于指定目标。准确率超过90%。这里的移动元素属于视觉任务的一部分；日常身体活动期间的8小时记录则来自另一项独立实验。
区分这两项实验有助于从实际角度理解结果。研究既考察了电极能否在日常活动中维持脑信号记录，也考察了电极能否在持续较长时间的静息测试中支持准确选择。
传统电极为何会性能下降
传统湿式脑电电极通常由坚硬的金属部件和导电凝胶组成。凝胶有助于电信号通过皮肤与传感器之间的接触界面。随着水分蒸发，这种连接会变得不那么可靠。
研究人员称，传统湿式电极通常可稳定工作约2至4小时。在与商用凝胶电极的对比实验中，部分传统电极的记录通道在约4至5小时后因脱水而几乎无法使用。通道是脑电系统中的单个记录连接。
运动也会带来困难。坚硬的电极贴在柔软、有弹性的皮肤上，佩戴者活动时，两者的反应并不相同。轻微位移就可能引入不需要的电变化，也就是运动伪影，使脑信号更难辨认。
将整个电极做软只能解决部分问题。贴合头皮的表面需要柔韧，而连接记录设备的部分则需要机械支撑。新设计让同一电极的不同部位具有不同特性。
水凝胶如何由软变硬
水凝胶是能够 удерж住水分的聚合物网络。在这种电极中，研究人员使用了含导电聚合物和银纳米片的前驱混合物，将其倒入模具并冷冻，以形成初始结构。
在随后进行的冷冻和解冻循环中，研究人员对材料一侧加热，另一侧冷却。由此产生的温差有助于形成不均匀的内部结构，而不是让材料各处具有相同的特性。
这一制造机制涉及马朗戈尼效应，即表面张力差异驱动液体内部流动。研究人员利用温度梯度诱导交联程度不均，交联是指聚合物网络内部连接的形成。因此，部分区域形成了比其他区域更致密的网络。
制成后的电极硬度逐渐变化。较软的一端更贴合头皮，较硬的一端则支撑与电路的连接。这种设计的灵感来自皮肤，其不同层具有不同的机械特性。
电极内部的孔隙也会逐渐变化。研究人员表示，这种结构有助于持续释放电解质。电解质含有可移动的带电粒子，能够帮助导电，因此在接触表面维持电解质供应，有助于长时间保持记录连接。
因此，这种材料在同一结构中满足了两项相关需求：能适应运动的物理接触，以及佩戴时间延长后仍能保持的导电界面。
8小时日常活动期间的表现
人体记录实验使用了一顶配有8个脑电通道的帽子，并将数据无线传输至计算机。受试者佩戴设备行走、进食、阅读和睡觉，期间连续8小时保持稳定记录。
这些活动对电极与头皮之间的接触提出了不同要求。行走会带来反复运动，进食会使头部周围的肌肉活动，而睡觉时头部支撑姿势会发生变化。在这些情况下维持可用记录，是研究团队努力降低脑电测量对静止状态依赖的核心目标。
报告中的测试时长可通过以下三个具体节点来理解：
- 对比实验中，使用商用凝胶电极的部分通道在约4至5小时后已几乎无法使用。
- 在8小时的日常活动中，梯度电极维持了稳定的脑电记录。
- 在持续14小时的静息测试中，反复进行的视觉打字任务准确率超过94%，移动视觉目标任务的准确率则超过90%。
日常活动期间的8小时稳定记录，约为研究人员所称传统湿式电极通常可工作2至4小时这一时长上限的两倍。更长时间的静息测试则考察了另一种条件下的表现，其间身体活动较少。
这些研究结果针对的是长时间记录和特定选择任务。对未来用户而言，实际益处可能是在监测或交流过程中，因传感器接触状况恶化而导致的中断减少。
从实验室批量制备到可穿戴设备
研究团队表示，该制造工艺一次可生产300个电极，尺寸也可调整以适配商用脑电图帽。兼容现有帽具，意味着这种设计有望用于目前已在使用的头部传感器定位设备。
研究人员称，这一工艺适合以合理成本进行生产。研究介绍中没有提供单个电极的价格、商业上市日期、完整受试者人数或打字速度。这些信息有助于判断其可负担性、结果在不同用户中的一致性，以及用户能够多快完成交流。
在人体实验之前，研究团队在小鼠身上进行了生物相容性测试，并报告称没有出现不良反应。生物相容性是指材料与活体组织相互作用的情况，包括接触是否会引发不良反应。
除了准确率数据外，制造工艺和兼容性结果也很重要。用于反复佩戴的电极需要结构可重复、贴合度合适，并能与皮肤保持可接受的接触，同时还要提供强度足够的电信号。
这项设计在中国脑机接口研究中的定位
中国信息通信研究院在其《2025年脑机接口研究报告》中，将电极质量和佩戴舒适度列为关键发展领域。报告列举的案例显示，研究人员正通过多种方式改善传感器与人体之间的接触。
中山大学的研究人员开发了一种采用微针的干式电极贴片。研究院的报告称，与传统平面结构相比，这种设计改善了信号质量，并实现了单根微针级别的信号精度。
德国伊尔梅瑙工业大学开发了带倾斜针脚的干式电极，针脚排列成花朵形状。报告称，这种布局有助于提升坐姿和仰卧时的舒适度，因此适用于长时间卧床的人群。
水凝胶团队的设计侧重于另一组特性的结合：硬度逐渐变化，以及持续供应电解质。这些设计的共同实际目标，是在长时间佩戴仍舒适、可靠的同时采集有用信号。
研究院报告称，全球超过80%的脑机接口企业致力于非侵入式技术，近20%研究侵入式方案。报告将非侵入式技术占比较高归因于其安全优势、更高的市场接受度、较低的开发成本和更短的商业化周期。
更长时间的记录为何对医疗保健重要
老年人和慢性病患者是可能从更长时间的可穿戴记录中受益的人群。研究院的报告指出，持续采集数据适用于需要长期稳定监测的护理场景。
睡眠就是一个具体例子。报告将消费级睡眠监测设备列为现有的非侵入式脑健康产品之一，并将睡眠障碍列为正在探索的医疗应用。电极若能在人躺下并变换姿势时保持连接，就能满足这一场景中的实际需求。
水凝胶研究人员还提出了神经系统研究和临床监测等潜在用途，其中包括与癫痫相关的预警。可靠采集脑电信号可以为这类系统提供所需数据；而要提供临床预警服务，还需要相应方法来解读数据，并在患者中评估预警效果。
交流也是一种潜在用途。研究院介绍了旨在帮助肌萎缩侧索硬化症患者及其他运动障碍患者打字或控制设备的脑机接口产品。对于依靠显示屏选择字符的人来说，稳定的连接有助于在较长的使用时段内持续使用系统。
这项研究将这些应用设想进一步带回到实际佩戴问题上：随着时间推移、用户进行日常活动，电极能否持续发挥作用。其核心贡献是一种材料结构，既能在运动期间维持记录，也能在长时间测试中支持准确的视觉选择。
要点
- 广西大学、广西医科大学和清华大学的研究人员开发出一种硬度逐渐变化的水凝胶电极。
- 在持续14小时的静息测试中，视觉打字任务的准确率超过94%。
- 另一项独立实验中，受试者行走、进食、阅读和睡觉期间，脑电记录连续8小时保持稳定。
- 柔软的头皮接触端、较硬的电路连接端以及孔隙结构变化，有助于应对运动和电极界面的干燥问题。
- 该工艺可一次生产300个电极，尺寸与商用脑电图帽兼容。
- 潜在用途包括交流、睡眠监测和神经系统疾病护理；具体临床应用仍需进一步评估。
