張 鋆，劉憶旋，杜曉慧，楊 輝

（天津大學(xué)理學(xué)院,天津市分子光電科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津300072）

生物體通過(guò)軀體感覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)和神經(jīng)系統(tǒng)反應(yīng)等各種物理、化學(xué)和生物界面來(lái)感知和適應(yīng)周?chē)h(huán)境，保持內(nèi)外平衡［1］. 其中，界面信息的有效交換具有復(fù)雜、精確、多模態(tài)及一致性等優(yōu)點(diǎn)，激發(fā)了研究人員對(duì)動(dòng)態(tài)界面科學(xué)研究的熱情，為智能人體信號(hào)監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展提供了啟發(fā)［2，3］. 隨著柔性電子技術(shù)和人工智能算法的蓬勃發(fā)展，將柔性傳感器與人工智能、大數(shù)據(jù)和5G通訊有機(jī)結(jié)合，能夠構(gòu)建以人為中心的智能人機(jī)交互系統(tǒng)，應(yīng)用于人體信號(hào)動(dòng)態(tài)感知和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析反饋，實(shí)現(xiàn)宏觀物理世界與虛擬網(wǎng)絡(luò)空間之間的高度交織［4］. 為了更好地理解人機(jī)交互系統(tǒng)中的界面問(wèn)題，研究人員提出了人機(jī)交互界面的概念，其能夠提取生物體的物理、化學(xué)和生物信號(hào)，并將這些信號(hào)與電子、通信和計(jì)算等新型技術(shù)緊密關(guān)聯(lián)［5］，廣泛應(yīng)用于健康監(jiān)測(cè)［6］、智能機(jī)器人［7］及柔性可穿戴器件［8］等領(lǐng)域.

作為連接人體信號(hào)與網(wǎng)絡(luò)空間的人機(jī)交互界面，皮膚電極可貼合于人體皮膚表面［圖1（A）］［9］，以無(wú)創(chuàng)的方式采集各種電生理信號(hào)等，結(jié)合人工智能算法和互聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)，構(gòu)建智能人機(jī)交互系統(tǒng)，對(duì)人體數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和動(dòng)態(tài)反饋，實(shí)現(xiàn)人與信息的高效交流，廣泛地應(yīng)用于智能假肢［10］、電子醫(yī)療［11］及運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)［12］等醫(yī)療健康領(lǐng)域. 皮膚電極主要由可拉伸導(dǎo)電材料和基底材料組成，其中可拉伸導(dǎo)電材料賦予電極在拉伸狀態(tài)下良好的電子導(dǎo)電性，基底材料為電極提供了良好的拉伸性、高黏附性及低界面阻抗，兩種材料協(xié)同作用從而實(shí)現(xiàn)人體體征信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定且準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè). 對(duì)于不可拉伸、低黏附的皮膚電極而言，其在皮膚發(fā)生大形變時(shí)仍保持初始形狀，因而容易在皮膚表面發(fā)生滑移或者脫落，使電極與皮膚之間的界面阻抗發(fā)生劇烈變化［圖1（B）］，導(dǎo)致人體信號(hào)監(jiān)測(cè)的不穩(wěn)定性［圖1（D）］. 但對(duì)于具有良好拉伸性和高黏附性等力學(xué)性能的皮膚電極而言，其能夠隨著皮膚的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，完美地貼敷于皮膚表面，保持與初始狀態(tài)相同的界面阻抗［圖1（C）］，可以實(shí)現(xiàn)人體信號(hào)監(jiān)測(cè)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性［圖1（D）］. 因此，如何實(shí)現(xiàn)皮膚電極的可拉伸性、高黏附性等力學(xué)特性，讓其完美地貼敷于皮膚表面，構(gòu)建高靈敏度、高動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的人機(jī)交互界面，是智能人機(jī)交互界面的重要研究方向［13，14］.

Fig.1 Adhesive and stretchable property of on?skin electrode for enhancing the stability of human signal detection[9]

目前，應(yīng)用于人機(jī)交互界面的皮膚電極主要是由Ag/AgCl和丙烯酸酯類(lèi)聚合物構(gòu)成的商業(yè)凝膠電極，這種凝膠電極具有不可拉伸、防汗性差和生物相容性差等問(wèn)題. 一方面，由于電極不具有拉伸性，在皮膚發(fā)生大形變時(shí)，電極會(huì)在皮膚表面滑移，使界面阻抗發(fā)生變化，從而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)偽差，影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性［15～18］；另一方面，由于電極的防汗性差，汗水能夠降低電極的界面黏附能，引起電極在濕潤(rùn)皮膚表面的滑移甚至脫落，影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性［19，20］. 此外，電極還存在一定刺激性，常常會(huì)引起皮膚的過(guò)敏反應(yīng). 因此，商業(yè)凝膠電極不適用于人體電生理信號(hào)的長(zhǎng)期穩(wěn)定監(jiān)測(cè). 與商業(yè)電極相比，基于彈性聚合物的可拉伸皮膚電極可以隨著人體皮膚形變而發(fā)生變形，減少人體運(yùn)動(dòng)對(duì)監(jiān)測(cè)信號(hào)質(zhì)量的影響，靈敏、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)電生理信號(hào). 但由于這些聚合物材料具有疏水性，人體運(yùn)動(dòng)分泌的汗液會(huì)在電極基底與皮膚界面形成水膜，導(dǎo)致電極在皮膚表面發(fā)生位移或者脫離，從而影響信號(hào)的真實(shí)性和穩(wěn)定性，限制了可拉伸電極在電生理信號(hào)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)中的進(jìn)一步應(yīng)用. 因此，從材料的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)合成高黏附可拉伸性的高分子材料，建立高動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的人機(jī)交互界面，促進(jìn)高效的信息交互，是實(shí)現(xiàn)柔性電子器件的有效性、穩(wěn)定性和高靈敏性的關(guān)鍵環(huán)節(jié). 近幾年，高黏附可拉伸皮膚電極備受關(guān)注，一系列高黏附可拉伸高分子材料的成功設(shè)計(jì)及制備推動(dòng)了皮膚電極在穩(wěn)定人機(jī)交互界面領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用.

本文主要綜合評(píng)述了基于高黏附可拉伸高分子材料的人機(jī)交互界面的研究進(jìn)展，討論了高黏附可拉伸高分子材料的設(shè)計(jì)策略、合成方法及材料性能；論述了高黏附可拉伸高分子材料在長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)、肌電監(jiān)測(cè)和腦電監(jiān)測(cè)等高動(dòng)態(tài)穩(wěn)定人機(jī)交互界面上的應(yīng)用前景；總結(jié)了高黏附可拉伸高分子材料研究存在的問(wèn)題并展望了下一代智能人機(jī)交互界面的發(fā)展方向. 高黏附可拉伸皮膚電極能夠通過(guò)無(wú)創(chuàng)的方式長(zhǎng)時(shí)間、穩(wěn)定、準(zhǔn)確地采集人體電生理信號(hào). 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)高黏附可拉伸高分子材料能夠?yàn)榻⒎€(wěn)定的人機(jī)交互界面打下堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)，對(duì)未來(lái)的柔性電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展尤為重要.

1 高黏附可拉伸高分子材料

從材料角度來(lái)看，皮膚電極主要是由可拉伸導(dǎo)電材料和基底材料構(gòu)成的. 可拉伸導(dǎo)電材料能為皮膚電極提供良好的導(dǎo)電性，而基底材料為其提供高黏附性、可拉伸性和低界面阻抗. 因此，基底材料是實(shí)現(xiàn)皮膚電極的可拉伸性、高黏附性及構(gòu)建穩(wěn)定人機(jī)交互界面的關(guān)鍵材料基礎(chǔ)［21～30］. 目前，應(yīng)用于皮膚電極的基底材料主要是彈性聚合物，包括聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚己二酸/對(duì)苯二甲酸丁二酯（PBAT）、聚氨酯（PU）和氫化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（SEBS）等［31］. 盡管這些彈性聚合物材料具有高拉伸性，但其在濕潤(rùn)界面具有低界面黏附能和高界面阻抗，限制了其在人體電生理信號(hào)的長(zhǎng)期、穩(wěn)定及靈敏監(jiān)測(cè)上的進(jìn)一步應(yīng)用. 因此，從分子設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，制備多種同時(shí)具有高黏附性和可拉伸性的高分子材料，結(jié)合可拉伸導(dǎo)電材料構(gòu)筑皮膚電極，實(shí)現(xiàn)電極與皮膚的力學(xué)匹配和高度共形，建立穩(wěn)定的人機(jī)交互界面，正逐漸成為智能人機(jī)交互界面的研究熱點(diǎn)［32，33］.

1.1 基于絲素蛋白的高黏附可拉伸高分子材料

絲素蛋白作為從蠶絲中提取的一種天然高分子蛋白，具有獨(dú)特的力學(xué)性能、可控的降解速率及良好的生物相容性［34～36］，特別是其力學(xué)性能隨著外界環(huán)境水分的增加而變化，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于柔性電子器件領(lǐng)域［37～40］. 但絲素蛋白薄膜作為皮膚電極黏附層材料具有高楊氏模量（5～12 GPa）和低拉伸性（＜20%），限制了其在高動(dòng)態(tài)穩(wěn)定人機(jī)交互界面中的實(shí)際應(yīng)用. 為了解決上述問(wèn)題，Chen等［41］利用向絲素蛋白中加入CaCl2的方法成功制備了可拉伸絲素蛋白薄膜. Ca2+通過(guò)電荷相互作用與絲素蛋白結(jié)合，并從環(huán)境中吸收水分子. 當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度為50%時(shí)，絲素蛋白薄膜含水量增加到14%. 含水量的增加導(dǎo)致其楊氏模量降低到1.66 MPa，同時(shí)薄膜拉伸應(yīng)變提高至400%. 這是由于絲素蛋白薄膜的力學(xué)性能由晶區(qū)和非結(jié)晶區(qū)共同控制，含水量增加使絲素蛋白晶區(qū)中氫鍵含量減少，同時(shí)在水分子和Ca2+的共同作用下，非結(jié)晶區(qū)中延展性好的二級(jí)結(jié)構(gòu)相對(duì)含量增加，而延展性差的β-折疊構(gòu)象減少，二者協(xié)同作用提高了絲素蛋白薄膜的拉伸性能. 研究人員利用熱蒸鍍法在絲素蛋白薄膜表面蒸鍍了具有微裂紋結(jié)構(gòu)的金納米薄膜，制備了具有100%拉伸應(yīng)變的絲素蛋白電極，其界面阻抗僅為7 Ω/sq. 在90°剝離角度和6 mm/min剝離速度下，絲素蛋白電極在皮膚表面的黏附強(qiáng)度為80 N/m，而商業(yè)聚酰亞胺膠帶在皮膚表面的黏附強(qiáng)度僅為50 N/m. Jo等［42］將含有Ca2+和甘油的絲素蛋白與圖案化的導(dǎo)電銀納米線(xiàn)結(jié)合，制備了拉伸應(yīng)變大于400%的高黏附可拉伸皮膚電極，實(shí)現(xiàn)了絲素蛋白與納米材料的復(fù)合功能化.該復(fù)合電極在豬皮表面的剝離力為10 N/m，表現(xiàn)出與商業(yè)醫(yī)用黏合劑相當(dāng)?shù)慕缑骛じ搅?，通過(guò)加入甘油誘導(dǎo)生成一定量的β-折疊構(gòu)象，增加交聯(lián)點(diǎn)，有利于提高絲素蛋白凝膠的穩(wěn)定性，為生物相容、可降解的天然高分子材料在智能人機(jī)交互界面領(lǐng)域提供了潛在的應(yīng)用前景.

絲素蛋白能夠與金納米薄膜、銀納米線(xiàn)等導(dǎo)電金屬材料結(jié)合來(lái)制備高黏附可拉伸皮膚電極，但受限于熱蒸鍍法等制備技術(shù)，該策略具有高成本、無(wú)法大面積制備等缺點(diǎn). 為了實(shí)現(xiàn)基于絲素蛋白的皮膚電極的低成本、大面積制備，Yang等［9］通過(guò)將Fe3+預(yù)先加入到絲素蛋白凝膠中作為引發(fā)劑，實(shí)現(xiàn)吡咯在絲素蛋白凝膠表面的界面聚合，成功制備了高黏附可拉伸全聚合物復(fù)合電極CAPE［圖2（A）］. 界面聚合在絲素蛋白黏附層與聚吡咯導(dǎo)電層之間形成了交叉互鎖結(jié)構(gòu)，調(diào)控了應(yīng)力在聚吡咯薄膜的分布，實(shí)現(xiàn)了剛性聚吡咯薄膜的可拉伸性. 他們以CAPE 電極為導(dǎo)體連接LED 燈和電源，隨著電極拉伸到30%，LED燈的光強(qiáng)沒(méi)有發(fā)生明顯變化，表明CAPE在拉伸狀態(tài)下具有良好的電學(xué)穩(wěn)定性［圖2（B）］. 此外，CAPE電極被完美地貼敷于人體的肘部，電極表面呈現(xiàn)出人體皮膚的褶皺結(jié)構(gòu)，并隨著肘部運(yùn)動(dòng)而拉伸［圖2（C）］，表明CAPE 電極具有高黏附性及與人體皮膚相匹配的拉伸性. 隨著環(huán)境相對(duì)濕度從31.0%增加到94.6%，商業(yè)凝膠電極在PDMS皮膚模型表面的黏附能降低至2.6 J/m2. 與商業(yè)凝膠電極相反，環(huán)境相對(duì)濕度增加可使CAPE 電極的黏附能從0.9 J/m2增強(qiáng)到40 J/m2［圖2（D）］. 這是因?yàn)殡S著相對(duì)濕度的增加，CAPE電極的含水量增高，其楊氏模量從236 MPa降低到2.1 MPa［圖2（E）］，增大了電極與皮膚的接觸面積［圖2（F）］，進(jìn)一步增強(qiáng)了電極在濕潤(rùn)界面的黏附能. 不同于商業(yè)電極在濕潤(rùn)皮膚表面的自由滑移，CAPE電極能夠承受100 g砝碼的重量［圖2（G）］，牢牢黏附在濕潤(rùn)的豬心表面. 研究結(jié)果表明，絲素蛋白薄膜特殊的水分響應(yīng)特性使CAPE電極在汗液存在下仍然可以保持高黏附能和可拉伸性. 該研究巧妙地利用界面聚合方法解決了導(dǎo)電高分子聚吡咯不可拉伸的問(wèn)題，使其在長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)態(tài)電生理信號(hào)監(jiān)測(cè)方面具有潛在的應(yīng)用前景.

皮膚電極在高黏附性和易去除性方面難以兼顧，高黏附強(qiáng)度使其在老人和新生兒脆弱的皮膚上去除時(shí)不可避免地造成皮膚損傷［43，44］. 為了實(shí)現(xiàn)高黏附電極的易去除性，Liu等［45］以設(shè)計(jì)具有強(qiáng)黏附力和易剝離特性的仿生微柱結(jié)構(gòu)為切入點(diǎn)，利用旋涂法在微柱表面包裹絲素蛋白黏附層，制備了黏附強(qiáng)度可調(diào)節(jié)的可拉伸MSFA膜［圖3（A）］. 同時(shí)通過(guò)調(diào)控微柱的直徑和密度等結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了MSFA的易剝離特性. 在180°剝離角和5 mm/min剝離速度下，醫(yī)用膠帶在聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯表面的剝離力為162.6 N/m，而MSFA膜的剝離力僅為61.5 N/m. 此外，在玻璃表面進(jìn)行10次黏附/剝離循環(huán)后，商業(yè)醫(yī)用膠帶黏附能從11.48 J/m2下降到1.67 J/m2，黏附能損失了85%；與商業(yè)醫(yī)用膠帶相比，MSFA的黏附能僅損失了30%，這表明仿生微柱結(jié)構(gòu)使MSFA膜具有優(yōu)異的易剝離性質(zhì)和可重復(fù)使用性. Liu等［45］以MSFA膜為柔性襯底，結(jié)合可拉伸碳納米管導(dǎo)電層，制備了可拉伸應(yīng)變傳感器［圖3（C）］），該傳感器在皮膚發(fā)生各種大形變后仍然保持高度的共形性［圖3（D）］，表明MSFA膜在皮膚表面具有高黏附性. 與醫(yī)用膠帶剝離時(shí)將毛發(fā)黏除相對(duì)比，剝離MSFA未引起皮膚明顯形變以及毛發(fā)黏除［圖3（E）］，表現(xiàn)出優(yōu)異的易剝離性質(zhì). 該研究通過(guò)設(shè)計(jì)仿生微柱結(jié)構(gòu)成功實(shí)現(xiàn)了MSFA膜的易剝離特性、可重復(fù)使用性及高黏附性，為未來(lái)可長(zhǎng)期重復(fù)使用的人機(jī)交互界面提供了關(guān)鍵材料和技術(shù). 但同時(shí)也受限于仿生微柱的特殊結(jié)構(gòu)，使其在玻璃等剛性基材表面由于接觸面積較小導(dǎo)致黏附能較低.

Fig.2 Bio?composite conformal electrodes based on SF and PPy(CAPE)[9]

綜上所述，利用絲素蛋白制備高黏附可拉伸高分子材料的方法簡(jiǎn)單易行、成本低廉、綠色環(huán)保，能夠成功實(shí)現(xiàn)皮膚電極的可拉伸性和高黏附性，使其完美地貼敷于皮膚表面，為構(gòu)建高動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的人機(jī)交互界面提供了新的材料和方法. 但該方法也存在一定的局限性：皮膚電極的高黏附性主要依賴(lài)于絲素蛋白基底的含水量，而其含水量的多少與環(huán)境相對(duì)濕度密切相關(guān). 在高相對(duì)濕度的環(huán)境下，絲素蛋白基底的含水量增加，皮膚電極具有較高的黏附強(qiáng)度；而在低相對(duì)濕度的環(huán)境下，絲素蛋白基底逐漸失水，楊氏模量變高，皮膚電極黏附強(qiáng)度降低，無(wú)法貼敷于皮膚表面. 因此如何有效防止絲素蛋白薄膜的水分蒸發(fā)問(wèn)題需要進(jìn)一步研究解決.

Fig.3 Micro?structured silk fibroin adhesives for flexible skin sensors[45]

1.2 基于聚多巴胺的高黏附可拉伸高分子材料

海洋生物貽貝通過(guò)分泌一種特殊的貽貝黏附蛋白，可在潮濕的環(huán)境下牢固地黏附在各種基材表面. 研究表明，含有鄰苯二酚基團(tuán)的3，4-二羥基-L-苯丙氨酸（DOPA）是貽貝黏附蛋白的重要組成部分，在貽貝黏附過(guò)程中起重要作用［46～48］. 多巴胺作為DOPA的重要衍生物，同樣可以在各種基材表面實(shí)現(xiàn)強(qiáng)黏附. 近年來(lái)，受貽貝黏附啟發(fā)制備的聚多巴胺（PDA）材料因具有良好的生物相容性和組織黏附性而備受關(guān)注，為實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的人機(jī)交互界面帶來(lái)了新的希望.

高黏附高分子材料的黏附性能容易受到環(huán)境中水的影響而降低，如何實(shí)現(xiàn)防水的人機(jī)交互界面一直以來(lái)受到了研究者的特別關(guān)注. Ji等［49］利用多巴胺甲基丙烯酰胺（DMA）、丙烯酸（AA）和丙烯酸甲氧基乙酯（MEA）等單體，通過(guò)自由基聚合制備了防水的高黏附可拉伸高分子材料PDAM，同時(shí)結(jié)合具有微裂紋結(jié)構(gòu)的可拉伸Au/PDMS薄膜，構(gòu)建了防水的可拉伸復(fù)合電極PDAM/Au/PDMS［圖4（A）］. 其中，DMA單體的引入能夠?yàn)轲じ綄犹峁┧碌母唣じ叫?；MEA單體的引入為黏附層提供了高穩(wěn)定性；AA單體的引入能夠提供游離離子，賦予黏附層良好離子導(dǎo)電性和低界面阻抗，同時(shí)為PDAM內(nèi)部提供了酸性環(huán)境，有效防止鄰苯二酚基團(tuán)被氧化，保持高黏附性能［圖4（B）］. 將電極從空氣環(huán)境轉(zhuǎn)移至水下環(huán)境中時(shí)，商業(yè)凝膠電極在PDMS皮膚模型表面的黏附能降低到原來(lái)的1%，幾乎完全喪失黏附性；而復(fù)合電極在水下仍保持正常條件下的黏附力［圖4（C）］，并且經(jīng)歷10次水下黏附/剝離實(shí)驗(yàn)后，其黏附性未明顯下降［圖4（D）］，表明復(fù)合電極具有良好的防水性和可重復(fù)使用性. 此外，PDAM內(nèi)部的羧基基團(tuán)電離釋放大量離子，為可拉伸復(fù)合電極提供了低的界面阻抗，能夠提高電生理信號(hào)監(jiān)測(cè)的靈敏度. 當(dāng)將可拉伸復(fù)合電極貼敷于人體的胸部［圖4（E）］，用于游泳過(guò)程中心電信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)時(shí)，可以得到穩(wěn)定、準(zhǔn)確的水下心電信號(hào)［圖4（F）］，證明了基于PDAM 的可拉伸復(fù)合電極具有良好的防水性能.

聚多巴胺可以通過(guò)共價(jià)鍵鍵合（麥克爾加成、席夫堿反應(yīng)等）和非共價(jià)鍵鍵合（氫鍵、疏水相互作用、陽(yáng)離子-π相互作用等）等多種作用機(jī)制黏附在不同基材表面，增強(qiáng)人機(jī)交互界面的防水性能，其中兒茶酚基團(tuán)起主導(dǎo)作用，提供與界面間的非共價(jià)鍵合，兒茶酚基團(tuán)氧化后形成的醌基可與豬皮等含胺基的表面產(chǎn)生共價(jià)鍵鍵合. 因此，如何使材料內(nèi)部?jī)翰璺踊鶊F(tuán)和醌基達(dá)到最佳平衡濃度是獲得高黏附性能的關(guān)鍵. 在堿性有氧環(huán)境下，兒茶酚基團(tuán)易被過(guò)度氧化，導(dǎo)致材料的黏附性能下降［50］. 為解決上述問(wèn)題，Han等［51］基于仿貽貝黏附化學(xué)和納米復(fù)合增強(qiáng)概念，發(fā)展了超強(qiáng)自黏附水凝膠合成策略. 他們將多巴胺（DA）插層到二維層狀納米黏土（clay）層間，使其在有限的空間內(nèi)發(fā)生氧化聚合，得到聚多巴胺（PDA）插層的納米黏土；然后加入丙烯酰胺（AM）單體和交聯(lián)劑，使丙烯酰胺進(jìn)一步插層于納米黏土中，引發(fā)AM單體原位聚合，制備了聚多巴胺-黏土-聚丙烯酰胺（PDA-clay-PAM）納米復(fù)合水凝膠. 其中，聚多巴胺插層的納米黏土片可作為功能型納米增強(qiáng)劑，使水凝膠拉伸應(yīng)變可達(dá)4800%. 通過(guò)模擬海洋生物貽貝黏附盤(pán)中有限的空間，使多巴胺在納米黏土層的納米空間內(nèi)僅發(fā)生有限氧化，有效防止了多巴胺過(guò)度氧化現(xiàn)象，使PDA 保持了足夠多的自由酚羥基，這是該水凝膠具有反復(fù)黏附能力的關(guān)鍵. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，復(fù)合水凝膠在豬皮表面黏附能可達(dá)28.5 kPa. 與傳統(tǒng)氧化劑（FeCl3，NaIO4）氧化不同，采用納米黏土介導(dǎo)DA氧化的方法保留了大量酚羥基，為水凝膠提供了超強(qiáng)黏附性和反復(fù)使用性.該水凝膠材料表面有水時(shí)無(wú)法發(fā)生黏附，但表面水一被去除，強(qiáng)黏附性能立即恢復(fù)，其機(jī)理仍需要進(jìn)一步探究. He等［52］將帶正電荷的微凝膠聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAm）引入聚（丙烯酸-丙烯酰胺-多巴胺）（PAAc-PAM-PDA）水凝膠基質(zhì)中，成功將水凝膠的黏附能力提高了8倍. 這是因?yàn)镻NIPAm作為多功能物理交聯(lián)點(diǎn)增加了水凝膠的交聯(lián)密度，平衡了黏附與內(nèi)聚，使該水凝膠在各種基材表面黏附能達(dá)到15 kPa左右，單純借助黏附力可懸掛500 g重物；另外，化學(xué)交聯(lián)和物理交聯(lián)協(xié)同作用賦予了水凝膠良好的拉伸性能和高效的自愈能力，拉伸應(yīng)變可達(dá)660%.

Fig.4 Water?resistant conformal hybrid electrodes based on pDAM polymer[49]

單寧酸（TA）中含有大量功能性鄰苯二酚和鄰苯三酚基團(tuán)，與貽貝黏附機(jī)制相似［53］，為制備高黏附可拉伸高分子材料提供了新思路. Cui等［54］利用鹽浸策略制備了基于生物相容性良好的殼聚糖（CS）和聚丙烯酸（PAA）的雙網(wǎng)絡(luò)納米復(fù)合水凝膠. 他們首先在殼聚糖溶液中原位聚合丙烯酸，同時(shí)加入單寧酸包覆的纖維素納米晶（TA@CNC）增強(qiáng)拉伸性能，再通過(guò)浸入NaCl溶液中的方法屏蔽殼聚糖中正電荷氨基的靜電排斥效應(yīng)，誘導(dǎo)殼聚糖發(fā)生物理交聯(lián)形成二級(jí)網(wǎng)絡(luò)，成功制備了可拉伸、抗疲勞的CS/PAA/TA@CNC導(dǎo)電水凝膠［圖5（A）］. 水凝膠內(nèi)部同時(shí)含有大量鄰苯二酚、鄰苯三酚基團(tuán)和質(zhì)子化的氨基基團(tuán)，可通過(guò)多種相互作用機(jī)制牢固貼敷在各種基材表面［圖5（B）］，在木材、銅片和玻璃表面的黏附能分別達(dá)到19，14 和20 kPa；研究發(fā)現(xiàn)，將鹽浸時(shí)間從0 min 延長(zhǎng)至60 min，水凝膠拉伸應(yīng)變從450%增加到800%，斷裂能從92 kPa 增加到1000 kPa，因此可通過(guò)調(diào)節(jié)鹽浸時(shí)間實(shí)現(xiàn)水凝膠力學(xué)性能的可控性. NaCl電解質(zhì)釋放的大量離子可在水凝膠內(nèi)部多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中自由運(yùn)動(dòng)，小于1.0%的應(yīng)變和大于50%的應(yīng)變都能被水凝膠準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)［圖5（C）和（D）］；300%應(yīng)變時(shí)，量規(guī)因子為3.0，表明該水凝膠具有良好的導(dǎo)電性和應(yīng)變靈敏性［圖5（F）］；其在20%重復(fù)應(yīng)變下能夠穩(wěn)定應(yīng)用［圖5（E）］，作為應(yīng)變傳感器應(yīng)用時(shí)，能夠清楚地感知人體的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài). 同時(shí)，殼聚糖賦予水凝膠良好的抗菌能力，為材料在人體上安全穩(wěn)定的應(yīng)用提供了獨(dú)特的可借鑒性成果. 該研究通過(guò)改變鹽浸時(shí)間來(lái)控制殼聚糖的交聯(lián)程度，從而實(shí)現(xiàn)水凝膠拉伸性能的可調(diào)節(jié)性，同時(shí)水凝膠可在水下穩(wěn)定黏附于基材表面，滿(mǎn)足皮膚電極對(duì)防汗性的要求；但經(jīng)過(guò)反復(fù)循環(huán)拉伸后，由于水凝膠的水分蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致其電阻發(fā)生變化. 因此如何有效防止該水凝膠水分蒸發(fā)是其實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定應(yīng)用所面臨的一項(xiàng)挑戰(zhàn).

Fig.5 Chitosan/poly(acrylic acid)double?network nanocomposite hydrogels for flexible sensors[54]

為了增加皮膚電極在干濕界面高的黏附力和實(shí)現(xiàn)易去除性，建立穩(wěn)定的人機(jī)交互界面，本課題組［55］利用多巴胺在絲素蛋白薄膜中自聚合得到PDASF雜化水凝膠，將其作為黏附層與具有微裂紋結(jié)構(gòu)的SEBS/Au薄膜結(jié)合，成功制備了具有510%拉伸應(yīng)變的AWS皮膚電極［圖6（A）］. 在300%的應(yīng)變下，PDASF 黏附層與Au納米薄膜間無(wú)分層現(xiàn)象，保證了電極的電學(xué)穩(wěn)定性. 多巴胺的引入緩解了黏附凝膠層的水分蒸發(fā)，同時(shí)有助于電極吸收環(huán)境水，當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度由30%變?yōu)?00%時(shí)，商業(yè)電極在PDMS皮膚模型表面的黏附能從2.70 MPa下降到0.86 MPa. 與之相反，AWS電極含水量增高時(shí)其黏附能由3.16 MPa增加到9.87 MPa，且電極在300%應(yīng)變下仍能穩(wěn)定黏附在濕潤(rùn)豬心表面. 另外，凝膠黏附層中的Ca2+提供了低的界面阻抗，在同一環(huán)境相對(duì)濕度下，與SEBS/Au 薄膜相比，AWS 電極界面阻抗降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，這賦予了AWS電極良好的靈敏性. 值得注意的是，絲素蛋白中自由鏈段具有良好的親水性，使其具備可清洗功能，能夠在完成長(zhǎng)時(shí)間心電監(jiān)測(cè)后輕易通過(guò)水沖洗去除，有效避免了商業(yè)電極因撕扯造成皮膚損傷的缺陷. 研究人員通過(guò)AWS電極對(duì)5個(gè)志愿者進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)心電信號(hào)監(jiān)測(cè)［圖6（B）］，成功驗(yàn)證了AWS皮膚電極在干濕界面的高黏附性和易去除性. 該研究通過(guò)向絲素蛋白基質(zhì)中引入聚多巴胺的方法有效解決了絲素蛋白薄膜水分蒸發(fā)導(dǎo)致拉伸性和黏附性下降的問(wèn)題，但自聚合的方法容易導(dǎo)致聚多巴胺無(wú)法保持較多的游離鄰苯二酚基團(tuán)，不利于PDASF黏附層黏附性能的進(jìn)一步提高.

Fig.6 Highly adhesive and stretchable AWS electrodes based on polydopamine and silk fibroin[55]

綜上所述，利用聚多巴胺材料的高黏附仿生原理，研究人員通過(guò)自由基共聚、納米黏土介導(dǎo)DA氧化、添加微凝膠及納米復(fù)合交聯(lián)等方法成功制備了一系列高黏附可拉伸高分子材料，以這些高分子材料為黏附層的皮膚電極能夠完美地貼敷于皮膚表面，被應(yīng)用于水下心電監(jiān)測(cè)、人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)及冠心病的早期診斷等. 傳統(tǒng)聚多巴胺材料的拉伸性較差及鄰苯二酚過(guò)度氧化導(dǎo)致其黏附性能下降的問(wèn)題是限制其實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵. 一方面，添加納米材料的方法可增強(qiáng)水凝膠內(nèi)部的交聯(lián)程度，提高聚多巴胺材料的拉伸性；另一方面，使聚多巴胺材料具備高黏附性的關(guān)鍵是保持足夠多的自由酚羥基，實(shí)現(xiàn)酚羥基和醌基之間的動(dòng)態(tài)平衡，因此，如何有效防止鄰苯二酚基團(tuán)的過(guò)度氧化問(wèn)題，在材料創(chuàng)新和理論研究方面仍需進(jìn)一步探索.

1.3 高黏附可拉伸兩性離子聚合物材料

兩性離子聚合物是一種重復(fù)單元含有獨(dú)特兩性離子基團(tuán)的帶電荷聚合物. 由于自身偶極矩大，其能夠與其它界面間發(fā)生離子-偶極和偶極-偶極相互作用而使材料表現(xiàn)出高黏附性能［56，57］；同時(shí)能夠協(xié)助離子沿高度兩極化的聚合物骨架遷移，促進(jìn)離子導(dǎo)電［58，59］；另外，兩性離子可以增大水凝膠內(nèi)部的物理交聯(lián)程度，提高其力學(xué)性能，是制備高靈敏人機(jī)交互界面的優(yōu)秀候選材料之一. Wang等［60］在納米黏土存在下引發(fā)兩性離子［2-（甲基丙烯酰氧基）乙基］-二甲基-（3-磺丙基）氫氧化銨（SBMA）和甲基丙烯酸羥乙酯（HEMA）自由基共聚，使材料內(nèi)部發(fā)生物理交聯(lián)制備了可自愈的納米復(fù)合水凝膠. 具有多個(gè)可逆鍵的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)使水凝膠發(fā)生形變時(shí)能均勻分散應(yīng)力，有效耗散能量，斷裂應(yīng)變達(dá)2000%，斷裂強(qiáng)度為0.27 MPa，韌性達(dá)2.45 MJ/m3；在搭接剪切強(qiáng)度測(cè)試中，該水凝膠在硅橡膠、丁腈橡膠和玻璃基材表面的黏接強(qiáng)度分別為6.2，24.2和17.6 kPa. 這些優(yōu)良性能使其在高靈敏人機(jī)交互界面具有良好的應(yīng)用前景. 該研究通過(guò)加入一定量的納米黏土來(lái)增加水凝膠的交聯(lián)程度，提高其力學(xué)性能，但納米黏土含量過(guò)高會(huì)使兩性離子分子鏈被納米黏土吸附，不能暴露于水凝膠表面，導(dǎo)致其黏附性能下降，而且兩性離子含量不同造成水凝膠表面兩性離子的分子構(gòu)象不同，使其在陰離子水凝膠和陽(yáng)離子水凝膠表面的黏附行為存在顯著差異，因此該水凝膠存在黏附性能對(duì)反應(yīng)物含量過(guò)于敏感的問(wèn)題. Yang等［61］以天然植物中提取的纖維素納米晶（CNC）為物理交聯(lián)劑和增強(qiáng)劑，在少量NaCl存在下，通過(guò)紫外光照引發(fā)兩性離子SBMA與丙烯酰胺（AM）共聚，巧妙結(jié)合物理交聯(lián)與化學(xué)交聯(lián)，成功制備了兼具導(dǎo)電、高拉伸和自黏附性能于一體的CNC@P（SBMA-co-AM）納米復(fù)合水凝膠［圖7（A）］. 該水凝膠通過(guò)引入CNC作為納米交聯(lián)材料有效改善了兩性離子水凝膠力學(xué)性能，加入NaCl能夠增強(qiáng)水凝膠的離子導(dǎo)電性，同時(shí)在水凝膠內(nèi)部與SBMA產(chǎn)生非共價(jià)相互作用. 該水凝膠最大斷裂強(qiáng)度為610.36 kPa，斷裂應(yīng)變可達(dá)1127%；在豬皮表面表現(xiàn)出10.5 kPa的高黏接強(qiáng)度. 當(dāng)其被用作皮膚傳感器時(shí)，能夠無(wú)縫貼合在面部、下顎等部位，準(zhǔn)確采集微小的生理信號(hào)（如表皮振動(dòng)），結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法，高效準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言識(shí)別功能［圖7（B～D）］，同時(shí)可以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到手指連續(xù)彎曲等微小運(yùn)動(dòng)［圖7（E）］，在智能語(yǔ)音識(shí)別、發(fā)音康復(fù)、人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)等智能人機(jī)交互界面領(lǐng)域具有的巨大應(yīng)用前景.

Fig.7 Highly stretchable and adhesive zwitterionic nanocomposite hydrogel[61]

1.4 基于干燥黏合機(jī)制的新型雙面膠材料

黏合劑一接觸干燥界面即可通過(guò)氫鍵、范德華力和靜電作用等分子間作用力黏附于基材表面，從而構(gòu)建穩(wěn)定的人機(jī)交互界面. 但由于水分子對(duì)界面間分子接觸的物理隔絕，黏合劑在濕潤(rùn)界面實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)黏附具有挑戰(zhàn)性. 自然生物展現(xiàn)出完美的濕黏附能力，研究表明其黏附機(jī)制通常是與界面接觸后，首先排開(kāi)基材表面的水分子，隨后與界面發(fā)生強(qiáng)相互作用實(shí)現(xiàn)濕潤(rùn)界面黏附［62，63］. 受自然生物啟發(fā)，Yuk 等［64］設(shè)計(jì)合成了一種由側(cè)鏈含N-羥基琥珀酰亞胺丙烯酸酯的聚丙烯酸與天然高分子聚合物明膠（gelatin）或殼聚糖（CS）交聯(lián)的新型雙面膠DST. 當(dāng)DST 與濕潤(rùn)的豬皮表面接觸時(shí)，能夠迅速吸收組織界面的水而與豬皮發(fā)生靜電作用，5 s 內(nèi)形成黏接強(qiáng)度大于120 kPa、界面韌性超過(guò)710 J/m2的有力黏附，隨后DST中馬來(lái)酰亞胺酯基與豬皮表面氨基進(jìn)一步形成共價(jià)鍵，保證了黏附的牢固與持久性，在濕潤(rùn)組織界面黏附14 d后仍保持高黏附強(qiáng)度. 同時(shí)，DST薄膜達(dá)到吸水平衡后形成的水凝膠薄膜斷裂韌性可達(dá)1000 J/m2，拉伸倍數(shù)超過(guò)16倍. Yuk等［64］將DST雜化凝膠薄膜與導(dǎo)電油墨結(jié)合制備了可拉伸傳感器，在模擬跳動(dòng)的濕潤(rùn)豬心臟上進(jìn)行了應(yīng)變和電生理信號(hào)監(jiān)測(cè)，獲得了與模擬跳動(dòng)一致的心臟跳動(dòng)曲線(xiàn)，驗(yàn)證了DST的高黏附性. 該新型干性雙面膠DST的設(shè)計(jì)新穎，可應(yīng)用于臨床中傷口密封和快速止血、藥物釋放等不同場(chǎng)景，但其應(yīng)用于干燥界面時(shí)仍存在一定局限性，例如干的DST薄膜需首先吸水形成水凝膠薄膜，使其具備與人體組織相匹配的力學(xué)性能，再與人體組織進(jìn)行黏附.

1.5 自修復(fù)高黏附可拉伸高分子材料

聚合物水凝膠材料具有與皮膚組織相似的柔軟性及良好的生物相容性，在電子皮膚、可穿戴器件和軟機(jī)器人等領(lǐng)域有著廣泛的研究和應(yīng)用［65～68］. 隨著柔性電子器件的快速發(fā)展，構(gòu)建集良好的力學(xué)性能、響應(yīng)性和自愈性等性能于一體的人機(jī)交互界面吸引了研究人員的關(guān)注，同時(shí)也對(duì)組成材料的力學(xué)性能和多功能性提出了新的要求和挑戰(zhàn).

水凝膠內(nèi)部動(dòng)態(tài)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠賦予材料良好的自愈能力，為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面的高黏附性和自愈性，Zhang等［69］以Fe3+、多巴胺功能化的透明質(zhì)酸（DHA）和聚丙烯酸（PAA）為基礎(chǔ)，巧妙結(jié)合物理交聯(lián)和化學(xué)交聯(lián)，制備了具有800%拉伸應(yīng)變的多功能導(dǎo)電水凝膠MFHs，該水凝膠在豬皮表面黏附能可達(dá)12.6 kPa，同時(shí)具備2 s內(nèi)98%回復(fù)率的良好自愈功能. 該研究利用鄰苯二酚基團(tuán)與Fe3+的可逆配位作用賦予水凝膠自愈性，并主要通過(guò)鄰苯二酚基團(tuán)與界面間的相互作用發(fā)生黏附，因此Fe3+含量及其與鄰苯二酚基團(tuán)的配位作用是否會(huì)對(duì)水凝膠黏附性產(chǎn)生影響還需做進(jìn)一步研究探討.

Liao 等［70］在硼酸鹽的存在下，使導(dǎo)電功能化的單壁碳納米管（FSWCNT）、聚乙烯醇（PVA）和聚多巴胺（PDA）發(fā)生動(dòng)態(tài)交聯(lián)，制備了導(dǎo)電納米復(fù)合水凝膠［圖8（A）和（B）］. 研究發(fā)現(xiàn)，氧化聚合所得的PDA形成了許多氧化的醌基，同時(shí)保留了大量自由酚羥基，酚羥基和醌基之間的平衡使該水凝膠可反復(fù)黏附，在玻璃、豬皮、橡膠表面黏附能分別可達(dá)9.2，5.2和8.3 kPa，同時(shí)具備電導(dǎo)率2 s內(nèi)恢復(fù)99%的高效自愈能力，作為人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)裝置可以清楚地感知人體從微小的生理信號(hào)到大幅度運(yùn)動(dòng)的各種復(fù)雜狀態(tài)［圖8（C～E）］，為人機(jī)交互界面在運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)及生物醫(yī)療領(lǐng)域的多用途應(yīng)用提供了新思路. 該研究通過(guò)將導(dǎo)電碳納米管與聚多巴胺有機(jī)結(jié)合，解決了聚多巴胺材料導(dǎo)電性差的問(wèn)題，使制備的水凝膠兼具良好導(dǎo)電性和黏附性，滿(mǎn)足應(yīng)變傳感器的需求. 但實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與其它基材表面相比，該水凝膠在豬皮表面黏附能最低，因此如何使水凝膠內(nèi)部酚羥基和醌基濃度達(dá)到最佳平衡，提高其在皮膚表面的黏附能，在理論研究方面仍面臨挑戰(zhàn).

綜上所述，絲素蛋白、聚多巴胺仿生材料、兩性離子聚合物、新型雙面膠材料及自修復(fù)高分子材料等多種高黏附可拉伸高分子材料發(fā)展迅速，受到國(guó)內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注. 利用多種策略設(shè)計(jì)合成的高黏附可拉伸高分子材料能夠?qū)崿F(xiàn)材料的可拉伸性、防汗性及生物相容性等優(yōu)異的性能（表1）. 此外，具有超薄、自修復(fù)、良好透光性等特性的可重復(fù)黏附的多功能高分子材料的合成為制備高動(dòng)態(tài)穩(wěn)定人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)智能人機(jī)交互提供了豐富的材料基礎(chǔ)和技術(shù)儲(chǔ)備，被廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)時(shí)間、穩(wěn)定的人體體征信號(hào)感知、傳遞和反饋，特別是長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)態(tài)人體電生理信號(hào)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域. 基于高黏附可拉伸高分子材料的人機(jī)交互界面能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)人類(lèi)日常的心電、肌電和腦電信號(hào)等人體電生理信號(hào)，為實(shí)現(xiàn)疾病的早期診斷、智能人機(jī)操控、遠(yuǎn)程醫(yī)療、情感-認(rèn)知互動(dòng)等提供大數(shù)據(jù)支持. 例如，通過(guò)人機(jī)交互界面獲取殘疾人士殘肢的肌電信號(hào)，識(shí)別其運(yùn)動(dòng)意圖并完成假肢的精密控制；通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間監(jiān)測(cè)人體心電信號(hào)對(duì)使用者心臟異常情況發(fā)出及時(shí)預(yù)警；通過(guò)人機(jī)交互界面感知腦電信號(hào)并實(shí)施外部刺激，應(yīng)用于老年癡呆等疾病的早期治療等.

Fig.8 Wearable,healable and adhesive mussel?inspired conductive hybrid hydrogel[70]

Table 1 Summary of highly adhesive and stretchable polymers using different strategies

2 基于高動(dòng)態(tài)穩(wěn)定人機(jī)交互界面的人體電生理信號(hào)監(jiān)測(cè)

人體電生理信號(hào)是由細(xì)胞進(jìn)行生命活動(dòng)時(shí)帶電離子（如Na+，K+，Cl?和Ca2+等）跨膜運(yùn)動(dòng)引起的生物電現(xiàn)象產(chǎn)生的. 這種生物電現(xiàn)象發(fā)生在多種尺度上（包括單離子通道蛋白、神經(jīng)元和心臟等整個(gè)器官），能夠通過(guò)導(dǎo)電組織和體液傳播到體表. 將測(cè)量電極置于體表一定部位獲得有規(guī)律的電變化，可以長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體的各種電生理信號(hào)，是臨床診斷神經(jīng)系統(tǒng)疾病、心血管疾病、中風(fēng)和癌癥的有效手段［1］. 作為連接人體信號(hào)與網(wǎng)絡(luò)空間的人機(jī)交互界面，基于高黏附可拉伸高分子材料的皮膚電極能夠克服傳統(tǒng)商業(yè)電極拉伸性和防汗性差的缺陷，為人們提供實(shí)時(shí)穩(wěn)定的電生理信號(hào)監(jiān)測(cè)，并可結(jié)合智能算法獲得即時(shí)信息反饋，是加快無(wú)創(chuàng)即時(shí)檢查和個(gè)性化治療體系實(shí)際應(yīng)用的重要驅(qū)動(dòng)力，在醫(yī)療保健、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和人機(jī)交互等領(lǐng)域具有重大意義［71～75］.

2.1 高動(dòng)態(tài)穩(wěn)定人機(jī)交互界面在心電監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用

Fig.9 Gr/SF/Ca2+?based E?Tattoos[77]

心電信號(hào)（ECG）包含了大量的生理和病理信息，是臨床診斷心律失常、冠心病等心血管疾病的常用手段［76］. 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)可穿戴式的移動(dòng)心電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)心臟異常情況發(fā)出及時(shí)預(yù)警，是預(yù)防控制心血管疾病的有效手段. Wang等［77］通過(guò)將石墨烯和Ca2+加入絲素蛋白中的方法，制備了能夠緊密貼敷在皮膚表面的可拉伸電子紋身［圖9（A）］. 其相對(duì)電阻對(duì)皮膚應(yīng)變能夠產(chǎn)生靈敏響應(yīng)［圖9（B）］，同時(shí)具有超強(qiáng)穩(wěn)定性，如50%拉伸應(yīng)變下可工作超過(guò)10000次［圖9（C）］. 他們?cè)谥驹刚咔氨蹣?gòu)建了兩個(gè)電子紋身［圖9（D）］，進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)10 h的心電信號(hào)監(jiān)測(cè)，獲得了高信噪比的ECG，其中心電波形（P波、QRS波群、T波）干凈清晰［圖9（E）］. 此外，Son等［78］通過(guò)將納米導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（CNTs/AgNW）嵌入可拉伸自修復(fù)聚合物的方法，開(kāi)發(fā)了一種自修復(fù)人機(jī)交互界面. 基于聚合物基底的自黏附性，將互連的應(yīng)變/ECG傳感器和LEC發(fā)光裝置集成到單個(gè)基底上，并將其貼敷于志愿者前臂進(jìn)行ECG監(jiān)測(cè)，在500 Hz采樣頻率下得到了波形穩(wěn)定的ECG，各波峰經(jīng)分析檢驗(yàn)正確. 采集的心電數(shù)據(jù)能夠無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)絃EC陣列，基于研究人員的設(shè)計(jì)，LEC 陣列的發(fā)光功能能夠根據(jù)不同心率值及應(yīng)變值打開(kāi)或關(guān)閉，實(shí)時(shí)反饋心率變化，提供穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè). 這些具有良好拉伸性和自我修復(fù)能力的人機(jī)交互界面為下一代柔性可穿戴智能移動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備的發(fā)展奠定了基礎(chǔ).

對(duì)于新生兒重癥監(jiān)護(hù)病房中的早產(chǎn)兒和患有呼吸窘迫綜合征等病情危重的患兒，必須長(zhǎng)時(shí)間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其心電信號(hào). 但現(xiàn)有心電監(jiān)測(cè)設(shè)備和商業(yè)電極具有體積大、可穿戴性差、舒適度差及容易引起皮疹等缺點(diǎn)，不適合應(yīng)用于新生兒重癥監(jiān)護(hù)［79］. Chung等［80］通過(guò)微流控技術(shù)制備了一種基于柔韌輕巧、類(lèi)皮膚人機(jī)交互界面的無(wú)線(xiàn)柔性心電器件，能夠在臨床場(chǎng)景中對(duì)新生兒進(jìn)行非侵入性的實(shí)時(shí)生理監(jiān)測(cè)，且移除時(shí)不會(huì)造成患兒任何皮膚損傷. 他們將傳感器應(yīng)用于健康新生兒（胎齡269 d，出生體重2.75 kg）和新生兒重癥監(jiān)護(hù)病房中的早產(chǎn)兒，獲得了嬰兒穩(wěn)定、高質(zhì)量的心電參數(shù). 不同于有線(xiàn)電極阻礙嬰兒肢體活動(dòng)，無(wú)線(xiàn)傳感器允許新生兒與父母親密接觸. 他們進(jìn)一步將傳感器應(yīng)用于胎齡從196～280 d不等的新生兒（胎齡196 d的新生兒，體重低于1470 g）進(jìn)行實(shí)時(shí)ECG監(jiān)測(cè)，獲得的信號(hào)質(zhì)量不低于傳統(tǒng)醫(yī)療監(jiān)測(cè)儀器，滿(mǎn)足臨床標(biāo)準(zhǔn)，充分驗(yàn)證了該傳感器的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值.

Fig.10 ECG recordings by soft polymer electrodes and the gel reference electrodes during swimming[81]

隨著人們對(duì)健身運(yùn)動(dòng)科學(xué)化的不斷重視，為了達(dá)到最佳運(yùn)動(dòng)效果，通過(guò)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度做出科學(xué)運(yùn)動(dòng)安排顯得尤為重要. 心率和運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度間存在緊密的正相關(guān)關(guān)系，是監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度非常合適的指標(biāo)參數(shù). 但對(duì)游泳運(yùn)動(dòng)員需要在水下進(jìn)行心電監(jiān)測(cè)，現(xiàn)有商業(yè)凝膠電極的水下黏附失效和皮膚刺激性使其無(wú)法在游泳訓(xùn)練場(chǎng)景中實(shí)際應(yīng)用. Stauffer 等［81］報(bào)道了一種由添加導(dǎo)電銀納米顆粒的聚合物柔性基底和具有多孔結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)電聚合物涂層組成的可拉伸人機(jī)交互界面，10 Hz 時(shí)其界面阻抗僅為43 kΩ?cm2，低于現(xiàn)有商業(yè)凝膠電極66 kΩ?cm2的界面阻抗. 此外，該界面能夠完美貼合皮膚，且經(jīng)過(guò)10 h應(yīng)用后未對(duì)志愿者皮膚產(chǎn)生刺激. 將可拉伸電極和商業(yè)電極同時(shí)貼敷于專(zhuān)業(yè)游泳運(yùn)動(dòng)員前胸及腰側(cè)［圖10（A）］，對(duì)運(yùn)動(dòng)員蛙泳訓(xùn)練過(guò)程進(jìn)行水下ECG實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，心電監(jiān)測(cè)電子設(shè)備放置在運(yùn)動(dòng)員背部防水盒中［圖10（B）］，不會(huì)對(duì)游泳產(chǎn)生阻礙. 可以看到運(yùn)動(dòng)員入水之前展現(xiàn)出平穩(wěn)的ECG 信號(hào)波形［圖10（C）］，商業(yè)電極與可拉伸電極噪聲都很小，二者信號(hào)波形的差異是由于電極貼敷位置不同引起的. 隨后運(yùn)動(dòng)員入水開(kāi)始蛙泳，運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)噪聲使商業(yè)電極采集的ECG波形發(fā)生畸變，而可拉伸人機(jī)交互界面黏附穩(wěn)定并持續(xù)收集運(yùn)動(dòng)員蛙泳過(guò)程中的心電信號(hào)［圖10（D）］，并且在整個(gè)游泳過(guò)程中保持極佳的電極性能［圖10（E）］. 這一研究為人機(jī)交互領(lǐng)域注入新鮮血液，推動(dòng)了智能控制服務(wù)人類(lèi)的進(jìn)程.

2.2 高動(dòng)態(tài)穩(wěn)定人機(jī)交互界面在肌電監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用

肌電信號(hào)（EMG）是在人體肌肉發(fā)生運(yùn)動(dòng)收縮時(shí)產(chǎn)生的一種微弱、復(fù)雜的生物電信號(hào). 通過(guò)皮膚電極收集肌肉收縮或靜止時(shí)的電生理信號(hào)，對(duì)人體肌肉狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，在疾病診斷（如肌源性疾病、頸椎病等）、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)及人機(jī)交互（如假肢的多功能控制）等領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用. 例如肢體殘疾人士在生活自理、交通出行等方面存在著諸多不便. 隨著人工智能的蓬勃發(fā)展，由肌電信號(hào)驅(qū)動(dòng)的功能型假肢不斷升級(jí)，能夠通過(guò)肌電信號(hào)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地識(shí)別出人的運(yùn)動(dòng)意圖進(jìn)而精準(zhǔn)控制假肢，最大程度地恢復(fù)殘疾人士的肢體運(yùn)動(dòng)功能，對(duì)于改善殘疾人士的生活具有重要意義.

Fig.11 High conformability of plasticized silk electrodes(A—C)[41] and an ultrastretchable and self?Healable nanocomposite conductor(D,E)[82]for ambulatory EMG monitoring

肌電采集電極的力學(xué)性能關(guān)系著肌電信號(hào)的準(zhǔn)確度和精確性，影響著EMG 在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用的研究效果［55］. Chen 等［41］報(bào)道了一種以絲素蛋白薄膜為柔性襯底的具有100%拉伸應(yīng)變的人機(jī)交互界面.該界面兼具絲素蛋白的柔軟性和金納米薄膜的高導(dǎo)電率，其在被貼敷于手指并作為導(dǎo)體與電源和LED燈連接時(shí)，在2.7 V 的低壓下成功使LED 燈發(fā)光［圖11（A）］. 他們將絲素蛋白電極與商業(yè)凝膠電極貼合在志愿者前臂用于EMG監(jiān)測(cè)［圖11（B）］，當(dāng)志愿者將前臂重復(fù)地向身體內(nèi)側(cè)進(jìn)行3 s的90°彎曲動(dòng)作時(shí)，獲得了實(shí)時(shí)的肌電信號(hào)圖像，結(jié)果顯示絲素蛋白電極采集的信號(hào)幅度和頻率與商業(yè)凝膠電極表現(xiàn)出一致性［圖11（C）］，通過(guò)頻域分析進(jìn)一步驗(yàn)證了可拉伸人機(jī)交互界面收集信號(hào)的準(zhǔn)確性. Kim等［82］報(bào)道了一種具有特殊導(dǎo)電自增強(qiáng)性質(zhì)的無(wú)線(xiàn)自修復(fù)人機(jī)交互界面. 他們將其應(yīng)用于志愿者前臂內(nèi)收動(dòng)作的肌電信號(hào)采集，得到了穩(wěn)定清晰的EMG；將條形電極組成柔性三電極系統(tǒng)，在作為導(dǎo)體的同時(shí)連接智能假肢與志愿者前臂皮膚，通過(guò)實(shí)時(shí)采集前臂的肌電信號(hào)識(shí)別運(yùn)動(dòng)意圖，完成了前臂假肢抓握動(dòng)作、手指彎曲及指向動(dòng)作的精準(zhǔn)控制. 他們隨后將柔性三電極系統(tǒng)切斷，于60 ℃加熱電極1.5 h后實(shí)現(xiàn)其自修復(fù)［圖11（D）］，并將修復(fù)后的電極重新應(yīng)用于假肢的智能控制，仍精確地完成了假肢抓握、手指彎曲及指向動(dòng)作［圖11（E）］，驗(yàn)證了該導(dǎo)電復(fù)合材料在假肢智能控制領(lǐng)域的應(yīng)用潛力.

Fig.12 Driving the prosthetic hand to grasp a needle based on commercial and Alg?PAAm compliant electrodes and correlative sEMG signals[83]

Pan 等［83］報(bào)道了一種基于海藻酸鈉-聚丙烯酰胺（Alg-PAAm）高黏附水凝膠的柔性人機(jī)交互界面.不同于商業(yè)電極只能監(jiān)測(cè)7.2%肌肉最大隨意收縮力（MVC）的肌電信號(hào)，該界面能夠成功監(jiān)測(cè)2.1%MVC的微弱肌電信號(hào)，且在監(jiān)測(cè)小于10%MVC的信號(hào)時(shí)保持大于5∶1的高信噪比，表明該界面比商業(yè)電極靈敏度更高，可用于假肢的精確控制. 他們通過(guò)減小電極尺寸最大化地避免了信號(hào)監(jiān)測(cè)時(shí)相鄰肌肉收縮造成的信號(hào)串?dāng)_現(xiàn)象. 在志愿者進(jìn)行抓取針頭動(dòng)作時(shí)，分別利用78.5 mm2商業(yè)電極、81 和9 mm2柔性電極實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)志愿者拇指、食指、中指和無(wú)名指的肌電信號(hào)，并通過(guò)模式識(shí)別算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，完成假肢動(dòng)作的驅(qū)動(dòng). 圖12（A）～（C）中綠色箭頭表示志愿者抓取針頭時(shí)拇指和食指的動(dòng)態(tài)肌電信號(hào). 結(jié)果顯示，78.5 mm2商業(yè)電極采集的信號(hào)出現(xiàn)明顯的來(lái)自中指和無(wú)名指的肌肉串?dāng)_［圖12（D）］，并對(duì)由采集信號(hào)驅(qū)動(dòng)的假肢手指彎曲角度產(chǎn)生影響［圖12（E）］，假肢手指雖然由信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)生彎曲，但商業(yè)電極的高界面阻抗引起信號(hào)失真，使假肢未成功完成抓取針頭動(dòng)作；并且即使志愿者的中指和無(wú)名指未發(fā)生彎曲，肌肉串?dāng)_也使假肢的中指、無(wú)名指做出彎曲動(dòng)作［圖12（A）］. 與商業(yè)電極不同，由81 和9 mm2柔性電極采集信號(hào)驅(qū)動(dòng)的假肢成功利用拇指和食指完成了抓取針頭動(dòng)作［圖12（B）和（C）］. 但由81 mm2柔性電極采集信號(hào)驅(qū)動(dòng)的假肢由于受到肌肉串?dāng)_的干擾，中指和無(wú)名指仍發(fā)生了5°～10°的彎曲［圖12（F）和（G）］；令人興奮的是，9 mm2柔性電極將肌肉串?dāng)_現(xiàn)象最大化減弱，由該電極驅(qū)動(dòng)的假肢中指和無(wú)名指保持靜止［圖12（H）和（I）］，精確地重復(fù)了志愿者抓取針頭的動(dòng)作 ［圖12（C）］，展現(xiàn)了該界面在智能假肢的精密控制領(lǐng)域的巨大應(yīng)用前景.

在手術(shù)中利用EMG 進(jìn)行神經(jīng)電生理監(jiān)測(cè)，對(duì)異常情況發(fā)出預(yù)警，能夠幫助術(shù)者及時(shí)調(diào)整手術(shù)操作，避免神經(jīng)損傷等情況. 血管減壓術(shù)（MVD）是治療面肌痙攣的常用手段，但單純的MVD術(shù)后病情復(fù)發(fā)率較高，易出現(xiàn)并發(fā)癥［84］. 在人機(jī)交互領(lǐng)域，殘疾人士截肢后殘余肌肉有限，無(wú)法產(chǎn)生足夠的肌電信號(hào)進(jìn)行智能假肢的精準(zhǔn)控制. 為解決這些問(wèn)題，Marasso 等［85］提出了目標(biāo)肌肉神經(jīng)分布重建技術(shù)（TMR），以幫助殘疾人士建立完整的肌電信號(hào). 該技術(shù)的研究需要建立大鼠模型，將肌電電極植入大鼠體內(nèi)，通過(guò)低頻電刺激研究神經(jīng)移植后的療效，其中可植入的肌電電極扮演著不可或缺的角色. 因此，開(kāi)展可植入電極的研究開(kāi)發(fā)具有重大實(shí)用價(jià)值. Yan 等［86］通過(guò)縮聚的超分子聚合物材料制備了400%拉伸應(yīng)變的金納米薄膜電極，聚合物基底與金納米薄膜之間良好的界面黏合性將基底的高拉伸性、斷裂缺口不敏感性及自修復(fù)性等優(yōu)良特性都成功傳遞給了金膜. 研究人員采用三電極系統(tǒng)對(duì)志愿者肱二頭肌收縮過(guò)程進(jìn)行肌電監(jiān)測(cè)［圖13（A）］，將可拉伸電極作為工作電極應(yīng)用于志愿者上臂前側(cè)，并在手背處放置參考電極，實(shí)現(xiàn)了典型肌電信號(hào)的成功監(jiān)測(cè)［圖13（B）］，信噪比與以PDMS為基底的金納米薄膜電極相當(dāng)，并通過(guò)能譜分析驗(yàn)證了信號(hào)的準(zhǔn)確性［圖13（C）］；他們隨后將可拉伸電極植入活體大鼠體內(nèi)肱四頭肌處，并利用導(dǎo)線(xiàn)在大鼠皮下將電極與固定在大鼠頭骨上的連接器連接，成功建立了大鼠模型［圖13（D）］，大鼠恢復(fù)后將其放置在跑步機(jī)上，誘導(dǎo)大鼠肱四頭肌收縮并進(jìn)行實(shí)時(shí)肌電信號(hào)記錄，在20 kHz的采樣頻率下獲得了穩(wěn)定準(zhǔn)確的皮下肌電信號(hào)［圖13（E）］，并得到了清晰的對(duì)應(yīng)頻譜數(shù)據(jù)［圖13（F）］，驗(yàn)證了該可拉伸電極測(cè)量體內(nèi)和體外EMG的實(shí)際效用.

Fig.13 High?adhesion property of the electrode and on?skin and in vivo EMG detection[86]

通過(guò)采集患者咬肌和顳肌等咀嚼肌的肌電信號(hào)獲得可靠的咀嚼肌功能活動(dòng)參數(shù)，能夠幫助臨床相關(guān)口腔頜面部畸形的診療和矯正. 但成年男子頜面部皮膚通常分布密集的胡茬和頭發(fā)，阻礙電極與皮膚的接觸；此外，毛發(fā)生長(zhǎng)對(duì)電極產(chǎn)生的反推動(dòng)力也會(huì)破壞電極與皮膚間的接觸. Ferrari等［87］通過(guò)噴墨打印技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種基于導(dǎo)電聚合物的人機(jī)交互界面，小于1 μm的超薄厚度使電極能夠完美地貼敷在皮膚表面，并且在不影響信號(hào)質(zhì)量和穩(wěn)定性的前提下，毛發(fā)可穿過(guò)電極生長(zhǎng). 他們將該人機(jī)交互界面貼敷于經(jīng)過(guò)剃須處理的志愿者面部，在剃須3 h后首次記錄了志愿者的面部肌電信號(hào)，隨后每隔一定時(shí)間記錄一次信號(hào)，整個(gè)過(guò)程長(zhǎng)達(dá)24 h，在面部胡茬持續(xù)生長(zhǎng)的情況下獲得了穩(wěn)定、高質(zhì)量的肌電信號(hào). 該人機(jī)交互界面解決了商業(yè)凝膠電極無(wú)法在毛發(fā)密集部位進(jìn)行長(zhǎng)期生理監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，可作為商業(yè)凝膠電極的代替品應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)領(lǐng)域.

2.3 高動(dòng)態(tài)穩(wěn)定人機(jī)交互界面在腦電監(jiān)測(cè)上的應(yīng)用

腦電信號(hào)（EEG）能夠?qū)崟r(shí)反映生物體思維活動(dòng)狀態(tài)的變化，在睡眠監(jiān)測(cè)、認(rèn)知控制、人工智能（如腦控輪椅、無(wú)人駕駛汽車(chē)等）等新興領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用. 但腦電信號(hào)幅度通常十分微弱，極易受到外界環(huán)境及個(gè)體因素的干擾，且頭皮被密集的頭發(fā)覆蓋，使腦電信號(hào)的采集更具挑戰(zhàn)性. 因此，如何保證信號(hào)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，對(duì)腦電信號(hào)的采集設(shè)備提出了較高的要求. Stauffer等［81］利用添加導(dǎo)電銀納米顆粒的導(dǎo)電聚合物制備了具有大直徑微柱結(jié)構(gòu)的可拉伸人機(jī)交互界面，該界面能夠穿過(guò)濃密的頭發(fā)應(yīng)用于頭皮進(jìn)行高質(zhì)量的EEG監(jiān)測(cè)，避免剃發(fā)等繁瑣的皮膚準(zhǔn)備. 研究人員按照國(guó)際通行的10～20系統(tǒng)將臨床標(biāo)準(zhǔn)電極和柔性微柱電極分別放置于O1和O2處，并在耳垂處分別放置金杯電極作為參比和偏置電極，對(duì)受試者閉眼放松狀態(tài)及睜眼過(guò)程中枕葉位置的α腦電波進(jìn)行了實(shí)時(shí)采集（枕葉是大腦皮層的視覺(jué)處理中心）. 結(jié)果表明，受試者在閉眼放松狀態(tài)下枕葉位置出現(xiàn)大量α波，標(biāo)準(zhǔn)電極和柔性微柱電極的腦電波形圖和PSD特征曲線(xiàn)展現(xiàn)出一致的走勢(shì)，且顯示出10 Hz的典型α波［圖14（A）］. 他們進(jìn)一步將標(biāo)準(zhǔn)電極與微柱電極分別放置于FP1和FP2處，監(jiān)測(cè)受試者閉眼狀態(tài)的額葉位置腦電波（額葉負(fù)責(zé)語(yǔ)言、視覺(jué)及聽(tīng)覺(jué)等信息的處理）. 結(jié)果表明，額葉部位α波波幅較小但仍清晰可見(jiàn)［圖14（B）］. 當(dāng)受試者睜眼時(shí)，α波隨即消失，同時(shí)觀察到睜眼對(duì)信號(hào)造成的偽影［圖14（C）］. 整個(gè)過(guò)程中柔性微柱電極獲得了符合臨床標(biāo)準(zhǔn)的腦電信號(hào)，展現(xiàn)出極佳的電極性能，且在1 h的信號(hào)采集過(guò)程中，受試者沒(méi)有任何頭皮不適反應(yīng). 該人機(jī)交互界面的柔性可拉伸性質(zhì)及特殊的微柱結(jié)構(gòu)使其在高質(zhì)量的EEG 監(jiān)測(cè)上具有顯著優(yōu)勢(shì)，可利用腦電波特性開(kāi)發(fā)瑜伽輔助產(chǎn)品、監(jiān)測(cè)疲勞狀態(tài)等.

Fig.14 Proof?of?principle EEG measurements using soft pillar electrodes[81]

在EEG基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的事件相關(guān)電位（ERP）是個(gè)體接受觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)或觸覺(jué)刺激時(shí)產(chǎn)生的特殊腦誘發(fā)電位，能夠反映人認(rèn)知過(guò)程中大腦的神經(jīng)電生理變化，又被稱(chēng)為“認(rèn)知電位”，其中P3作為ERP中內(nèi)源性（心理性）成分，反映受試者的注意力和精神狀態(tài)，在自閉癥、老年癡呆癥及抑郁癥等疾病的早期診斷上具有潛在應(yīng)用前景. 但目前腦電采集電極尺寸大多僅為幾平方厘米，只能在小范圍區(qū)域內(nèi)進(jìn)行腦電信號(hào)的空間制圖［88，89］. Tian等［90］報(bào)道了一種超大面積、多功能且MRI兼容的人機(jī)交互界面，擴(kuò)大了信號(hào)采集電極的規(guī)模，使其能夠進(jìn)行身體規(guī)模的電生理記錄. 通過(guò)將金屬網(wǎng)電極與聚丙烯酸酯導(dǎo)電凝膠層結(jié)合，進(jìn)一步改善了電極拉伸性，降低了界面阻抗. 他們按照國(guó)際10～20系統(tǒng)，在年齡28歲的志愿者頭部E1和E2處佩戴該皮膚電極，同時(shí)在Fz，Cz，Pz和Oz處放置常規(guī)金杯電極作為對(duì)比，對(duì)志愿者進(jìn)行了為期5 d的oldball測(cè)試，并記錄聽(tīng)覺(jué)事件相關(guān)電位. 結(jié)果表明，該皮膚電極可在志愿者正常日常活動(dòng)（淋浴、鍛煉、工作、睡覺(jué)等）情況下進(jìn)行高質(zhì)量、穩(wěn)定的EEG 監(jiān)測(cè)；而商業(yè)凝膠電極因易干燥失水，需每天在記錄信號(hào)前后進(jìn)行安裝和移除. 選取E1、E2和Pz3處位置接近的電極第一天采集的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示該皮膚電極性能與商業(yè)凝膠電極相當(dāng)，通過(guò)總結(jié)E1處皮膚電極5 d內(nèi)的P3波形及5 d內(nèi)各電極記錄的P3幅值統(tǒng)計(jì)和信噪比，可以看出該皮膚電極出色的腦電數(shù)據(jù)記錄能力及長(zhǎng)期穩(wěn)定EEG監(jiān)測(cè)的應(yīng)用潛力；此外，他們還在志愿者頭部固定了4個(gè)腦電陣列（68個(gè)電極）以覆蓋整個(gè)頭皮范圍，發(fā)現(xiàn)靶刺激和非靶刺激在250～450 ms間P3幅值的空間制圖顯示的信號(hào)分布情況與預(yù)期一致，最大波峰出現(xiàn)在大腦頂葉位置，并總結(jié)了h，i，j和k不同位置的P3波形，進(jìn)一步驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)結(jié)果與預(yù)期信號(hào)分布一致，證明了該皮膚電極大范圍監(jiān)測(cè)大腦活動(dòng)的能力，展現(xiàn)了其在醫(yī)療保健（如癲癇持續(xù)狀態(tài)的臨床診斷和監(jiān)測(cè)睡眠狀態(tài)等）、健康科學(xué)研究及情感-認(rèn)知互動(dòng)等方面的應(yīng)用前景.

3 總結(jié)與展望

隨著柔性電子器件的迅速發(fā)展，如何通過(guò)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)高黏附可拉伸高分子材料，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的人機(jī)交互界面，保證采集人體信號(hào)的精確度和穩(wěn)定性，激發(fā)了研究人員的熱情. 通過(guò)塑化絲素蛋白、設(shè)計(jì)仿生結(jié)構(gòu)、引入功能單元、增加交聯(lián)密度及構(gòu)建雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等合成方法，國(guó)內(nèi)外研究者開(kāi)發(fā)了一系列具備高黏附性和良好拉伸性的高分子材料，構(gòu)筑了性能優(yōu)良的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互界面的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性；此外，高分子材料賦予人機(jī)交互界面的易剝離和親膚的優(yōu)良性能，保證了其對(duì)人體動(dòng)態(tài)電生理信號(hào)的長(zhǎng)時(shí)間準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)，在醫(yī)療保?。ㄈ玳L(zhǎng)期監(jiān)測(cè)ECG用于心血管疾病的早期診斷，通過(guò)ERP對(duì)老年癡呆、抑郁癥進(jìn)行診斷）、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)（如游泳過(guò)程中ECG 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)心率）、智能控制（如通過(guò)采集EMG智能控制假肢）等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景.

盡管高動(dòng)態(tài)穩(wěn)定人機(jī)交互界面的研究已得到了迅速發(fā)展，然而未來(lái)智能人機(jī)交互界面在材料制備和應(yīng)用方面仍面臨如下挑戰(zhàn)：（1）如何實(shí)現(xiàn)高黏附可拉伸高分子材料的工業(yè)化，衡量制備，推動(dòng)人機(jī)交互界面的商業(yè)化應(yīng)用；（2）如何制備透氣透水的高分子復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面的可呼吸性，提高使用者的舒適度；（3）多數(shù)自黏附材料的黏附性是一次性的，或隨使用次數(shù)增加黏附性降低，如何制備具有穩(wěn)定黏附性的高分子材料，保證人機(jī)交互界面的多次重復(fù)使用；（4）如何制備與陣列化柔性制備技術(shù)相兼容的高分子材料，實(shí)現(xiàn)陣列化人機(jī)交互界面的快速、低成本構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)各種電生理信號(hào)的同時(shí)監(jiān)測(cè)等. 開(kāi)發(fā)新型高黏附可拉伸高分子材料，構(gòu)建高性能的人機(jī)交互界面，是下一代柔性電子器件蓬勃發(fā)展的基礎(chǔ). 通過(guò)與人工智能和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建同時(shí)集成心率、血壓、體溫、人體電生理信號(hào)、體液檢測(cè)等多種功能的智能柔性健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?yàn)槿藗兲峁┮粋€(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的生理健康狀態(tài)圖像，這將打破傳統(tǒng)醫(yī)療的局限，推動(dòng)傳統(tǒng)醫(yī)療向數(shù)字醫(yī)療轉(zhuǎn)變，為2030健康中國(guó)行動(dòng)添磚加瓦.