一、研究背景

皮肤接口电极在健康监测、康复、刺激、游戏和AR/VR等领域中至关重要。下一代可穿戴设备要求高信号质量、高贴合性和长期佩戴舒适性，然而目前常用的凝胶电极（如Ag/AgCl）和干电极仍存在诸多不足：

• 凝胶电极虽能实现较低的皮肤-电极阻抗，但导电性低、佩戴不舒适且不适合长期使用。
• 干电极（如填充颗粒复合材料和薄膜）虽然避免了凝胶的问题，但往往存在高皮肤-电极阻抗、信号衰减和界面噪声等问题，难以实现高保真、长期监测。

近年来，液态金属电子学的发展为皮肤接口设备开辟了新方向。镓基共晶合金（如Ga-In）具有金属级导电性和室温流体特性，无毒且能与弹性体基底共形变形，非常适合用于可拉伸、可重构的电路。然而，如何实现液态金属电极的规模化制造、降低界面阻抗并提升长期稳定性仍是挑战。

二、研究内容

本研究提出了一种通过直接墨水书写（DIW）3D微结构印刷技术制造的双相柔软电极。这种电极结合了：

• 银片（Ag flakes）提供高导电性；
• 共晶镓铟（EGaIn）液态金属微滴增强皮肤贴合性和界面接触面积；
• 热塑性聚氨酯（TPU）提供柔性和机械拉伸性。

通过调控印刷填充率（infill percentage），研究优化了电极表面微结构，使其更好地贴合皮肤微纹理，从而显著降低皮肤-电极接触阻抗，并提升信号质量。

图1：印刷Ag-EGaIn-TPU电极的概览、制造过程和应用演示。(A) 用于EEG、EOG、ECG和EMG的印刷生物贴片；(B) 导电墨水成分；(C) 直接墨水书写（DIW）过程示意图；(D) 多层电极结构；(E) 印刷电极光学图像；(F) 不同填充率电极的贴合性对比；(G) 不同电极的电容值对比；(H, I) 使用后皮肤印迹图像。

图2：不同填充率印刷电极的表面形貌与微观结构表征。(A–D) 分别为20%、40%、60%和100%填充率下的设计图案、印刷电极及表面粗糙度图；(E) 40%填充率电极的SEM图像，显示互连三角晶格结构；(F, G) 高倍SEM图像，展示导电线路表面细节；(H, I) EDS元素分布图，显示银（Ag）和镓（Ga）的均匀分布。

研究还开发了一个理论模型，用于分析电极表面形貌（由打印填充率控制）如何影响有效的皮肤-电极接触面积，并指导电极结构的优化设计。

三、研究结论

1. 电性能提升

• 在EEG频率范围（1–100Hz）内，60%填充率的印刷电极实现了4.7kΩ的皮肤-电极阻抗，相比传统Ag/AgCl电极（66.1kΩ）降低了14.1倍。
• 60%填充率电极在ECG测试中实现了14.47dB的信噪比（SNR），优于Ag/AgCl（13.90dB）和金杯电极（12.37dB）。

图3：电极-皮肤阻抗特性与信噪比分析。(A) 测试电极图像；(B) 平均电极-皮肤接触阻抗（0.1Hz–100kHz）；(C) EEG频率范围阻抗对比；(D) 等效电路模型；(E) 各电极的电阻与电容值。

2. 抗运动干扰能力强

• 在不同强度的振动干扰下，60%填充率印刷电极的SNR几乎保持不变，表现出优异的运动伪影抑制能力。
• 在48小时连续佩戴测试中，电极在出汗、睡眠、运动等多种环境下仍保持高信号质量（SNR中位数为22.0dB）。

图4：运动伪影测试与信噪比分析。(A, B) 实验设置：振动电机与电极距离分别为无振动、5cm、3cm、1cm；(C–E) 分别为印刷电极、Ag/AgCl电极和金杯电极在不同振动条件下的ECG信号与SNR值。

图5：48小时连续佩戴测试。上图：心率（HR）与ECG信噪比（SNR）随时间变化；下图：电极-皮肤阻抗（Z）间歇测量值。测试涵盖日常活动、出汗、睡眠、高温等多种环境，SNR中位数为22.0dB，阻抗范围为3.21–12.5kΩ。

3. 多样化应用验证

• ECG监测：可穿戴胸贴实现静态与动态（如走路）下的高质量心电信号采集。
• EEG监测：在前额成功检测到Berger效应（闭眼时10Hz α波出现），这在传统电极中极难实现。
• EOG监测：用于睡眠阶段识别，成功检测到REM睡眠期的快速眼动。
• EMG监测：实现12种手势的高准确率识别（>90%），并成功用于控制机器人手。

图6：印刷电极在ECG和纺织品中的应用演示。(A–H) 可穿戴ECG胸贴及其信号质量；(I–O) 大面积床用纺织品用于位置无关的ECG监测。

图7：印刷电极在EEG、EOG和EMG中的应用演示。(A–C) 前额EEG检测Berger效应；(D–F) EOG用于睡眠阶段识别；(G–L) EMG用于手势识别与机器人手控制。

四、论文信息