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備對于持續(xù)健康監(jiān)測和人機交互應用非常有吸引力。通常使用的凝膠電極（例如Ag/AgCl）會使人體不適，不適合連續(xù)長期監(jiān)測。北卡羅萊納州立大學（North Carolina State University）聯(lián)合康奈爾大學（Cornell University）、美國空軍生命周期管理中心（Air Force Life Cycle Management Center）以及美國空軍研究實驗室（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量高保真心電圖（ECG）信號）的常規(guī)編織和辮狀編織的電極設計。皮膚和電極接觸的阻抗分析揭示了尺寸相關行為。為了證明該可穿戴電子設備卓越的耐用性，研究人員設計了一種無縫編織電極，可作為腕帶佩戴。同時，他們設計的碳納米管基干電極顯示出創(chuàng)紀錄的高信噪比，在運動偽影的影響下也非常穩(wěn)定。電極的耐久性測試顯示出其對洗滌的魯棒性（可清洗），以及可重復、可持續(xù)使用的實用性。

利用碳納米管包裹的棉和氨綸紗線，通過定制紡紗設備制造的電極如圖1a所示。首先，研究人員將兩個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，以適應多種紗線的紡織。為了確保順利進紗，研究人員使用了彈簧張緊系統(tǒng)來控制張力。對準的碳納米管薄片被引導通過放料筒上的導向器，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，導致強度低。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，并且結構的非彈性不會改變張力下的電阻。雖然編織電極可能適合于人體放松情況或低強度運動條件，但他不是身體運動強度較大條件的優(yōu)選電極結構。此外，由于羅紋結構在應力作用下的穩(wěn)定性相對較好，因此其相較針織結構，能更好地防止運動偽影。根據(jù)剪切和彎曲剛度，其舒適和耐用性的優(yōu)劣順序為平針編織優(yōu)于常規(guī)編制結構，而常規(guī)編制又優(yōu)于辮狀編織結構。與其它報道的碳納米管-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)電極設計和尺寸而變化。所有使用的織物電極都是腕帶的形式。與常規(guī)編織和平針編織結構相比，辮狀編織結構具有相對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，增大尺寸會略微降低阻抗。相反，織物電極與皮膚接觸的導電材料的量之間存在相關性。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動服和緊身衣的原因。因此，研究人員預計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行了比較。電極的信噪比受電極尺寸、設計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的高孔隙率可能會降低信噪比。然而，低電阻并不是電極在心電圖信號記錄過程中表現(xiàn)更好的唯一標準，并且心電圖信號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動條件下（分別為以2英里/小時的速度行走，以4英里/小時速度慢跑以及以6英里/小時的速度奔跑）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為測量期間電極的方向（導線與試樣的連接方式）不同導致的。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，人體隨著運動強度的增加，心電圖信號中會出現(xiàn)噪聲?；€漂移主要是由于接觸不穩(wěn)定造成的，因為獨立式辮狀編織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，觀察到了相對穩(wěn)定的基線。而基線漂移的輕微變化是由于呼吸導致的。與辮狀編織1相比，常規(guī)編制3和針織腕帶抗運動偽影穩(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)了多種織物結構，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，以芯鞘結構開發(fā)了一種可紡織加工的導電紗線。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，與織物結構相結合，使其具備與皮膚超貼合的特性，并能防止變形引起的運動偽影。本文介紹了三種不同的織物結構：平針編織、常規(guī)編織和辮狀編織。每種結構都具備獨特的拉伸和舒適特性，并允許針對不同的應用場景調(diào)整屬性。例如，用于日常室內(nèi)使用的織物電極可以設計為低拉伸性，而用于體育活動的電極可設計為高延展性。該織物電極不需要粘合劑或支撐結構來收集可靠的心電圖數(shù)據(jù)，并且可以像常規(guī)的基于織物的設備一樣佩戴和清洗，無需封裝。研究人員證明，在靜態(tài)和動態(tài)條件下，基于織物的電極與標準的商用Ag/AgCl（銀和氯化銀）電極記錄了類似的心電圖信號（具有相似的信噪比）。

審核編輯：郭婷