意识驱动的脑机接口

采用双锚定界面粘附增强技术的应变无关型水凝胶电子皮肤，用于意识驱动的脑机接口

基于水凝胶的柔性电路需要具备强大的刚性-软性界面粘附力、不受应变影响的电性能以及可靠的数模信号传输能力，以实现高性能电子皮肤（e-skin）的应用。本研究开发了一种可通过双锚定策略调节粘度的3D可打印AgNSs/AA-DMAPS水凝胶：银纳米片（AgNSs）通过形成动态交联水凝胶网络实现纳米级粘附。所得水凝胶在500%拉伸范围内保持应变不敏感特性，具有高电导率（>16× 10⁴ S/m）及优异的多界面粘附性能。值得注意的是，该双锚定设计可实现与金属表面的动态键合（约450kPa），无需特殊处理即可直接与硬件自焊接。采用AgNSs/AA-DMAPS 水凝胶印刷的柔性电路具备近场通信（NFC）功能和无线充电能力，其柔性印刷电路（FPC）可在50%应变下仍能传输高达8MHz的高速信号并保持有效的图像信号传输。基于该水凝胶的印刷脑机接口（BCI）电子皮肤实现了脑电图（EEG）信号监测。在使用BCI电子皮肤进行意识分类任务时，我们提出的CNN-LSTM模型在六个类别中达到90.8%的准确率。该分类系统部署于本地服务器，可驱动机器人操作，通过本地建模实现实时EEG控制下的机器人手部运动。这种基于AgNSs/AA-DMAPS 水凝胶的脑机接口电子皮肤，为日常脑监测应用及神经精神疾病进展模式的持续研究开辟了新途径。

文章研究核心创新点：

双锚定策略：AgNSs与AA-DMAPS水凝胶形成动态交联网络，调节粘度实现3D可打印及纳米级粘附。

应变不敏感电性能：500%拉伸下电性能稳定，电导率>16×10⁴S/m。多界面粘附与自焊接：双锚定实现金属表面动态键合（~450kPa），无需处理即可与硬件自焊接。

高鲁棒性FPC：水凝胶印刷电路具备NFC与无线充电功能，50%应变下仍可传输8MHz高速信号及图像信号。

BCI电子皮肤应用：成功实现EEG信号监测。高精度意识分类与实时控制：CNN-LSTM模型六类意识分类准确率90.8%，可实时驱动机器人手部运动。

开辟脑监测新途径：为日常脑功能监测及神经精神疾病研究提供新型实用平台。

研究背景

脑机接口（BCI）通过解码神经信号实现外部设备精准控制，在医疗康复、虚拟现实与智能机器人领域前景广阔。电子皮肤（e-skin）凭借超薄柔性电路与头皮紧密贴合，可有效抑制运动伪迹（motion-inducedartifacts）并提升长期佩戴舒适度，是推动BCI从实验室走向实际应用的关键。

柔性电路的导电材料需满足高导电性、耐形变、与元件界面结合稳定及可图形化加工等要求。当前主流材料中，液态金属导电性强、可图案化，但存在渗漏风险且与硬质元件结合不稳定；复合导电水凝胶生物相容性好，但本征导电性弱，难以承担电路主干传输任务。两者拉伸时电阻均线性变化，易引入噪声、降低监测精度，亟需新型材料解决。

本研究研制了一种可3D打印的银纳米线/丙烯酸-磺基甜菜碱共聚物导电水凝胶。该水凝胶以过硫酸铵引发共聚，掺入银纳米线构建动态金属交联网络，采用离子-电子协同导通（ionic-electronbridging）策略，在提升导电性的同时实现应变无感导电（strain-insensitiveconductivity）。其黏度可调，可直接3D打印，无需模具与二次加工，打印后即可与硬质元件快速贴合，大幅提升制备效率与量产能力。

功能测试表明，该水凝胶电路可稳定实现无线充电、近场通信（NFC）及柔性电路板（FPC）等功能。8MHz传输线路在50%拉伸下仍可稳定输出图像信号。将其集成于BCI电子皮肤中，脑电信号（EEG）采集信噪比（SNR）达25.19dB；基于卷积神经网络（CNN）-长短期记忆网络（LSTM）混合模型对六种典型脑电波分类准确率达90.8%，本地部署后可实现人脑意念实时控制机械手。

该银纳米线复合水凝胶基柔性电路成功推动BCI技术走向实际应用，为神经与心理疾病长期动态监测、精准假肢控制及智能人机交互提供了有效方案。

结果解析

AgNSs/AA-DMAPS 的制备与表征

AgNSs/AA-DMAPS 水凝胶的电学表征

AgNSs/AA-DMAPS 水凝胶柔性电路的3D打印

脑机接口电子皮肤

研究结论

综上，本研究借助双向锚固策略成功制备出可3D打印的银纳米线/丙烯酸-磺基甜菜碱共聚物水凝胶，并依托银纳米线构筑形成动态交联网络。该水凝胶具备优异的3D打印适配性，可精准制备结构复杂的柔性电路。

凭借双重锚固结构，该水凝胶能够与金属界面形成牢固结合，大幅提升柔性电路与硬质电子元件之间连接结构的长期使用稳定性。同时，其应变无感导电特性可有效抑制机械形变过程中的信号传输波动，保障电路信号稳定可靠。

借助该3D打印工艺，研究人员成功制备出无线充电模块、近场通信元件、柔性电路板等多款柔性电子器件，并证实该水凝胶打印电路可稳定实现8兆赫兹及以内的高频信号传输。

将其集成应用于脑机接口电子皮肤系统后，优异的信号传输性能可实现高保真脑电信号采集。基于采集到的脑电数据，本研究构建的分析模型对六种不同脑电波模式的分类准确率可达90.8%。将该模型本地化部署后，成功实现人脑意念实时控制机械手运作，充分验证了这款脑机接口电子皮肤系统的实际人机交互能力。

该复合水凝胶材料为柔性电子器件的规模化制备奠定了重要材料基础。此次脑机接口电子皮肤的成功研发，不仅实现了稳定可靠的脑机交互，也为长时效连续脑电监测系统的发展提供了全新研究思路与可行技术方案。

技术来源：https://doi.org/10.1002/adfm.202532170