生理电信号的长时间监测是检验多种心血管疾病的有效手段。然而，如何实现不同皮肤状态下的长时间稳定粘附、提高长时间穿戴舒适性及保持低界面阻抗是阻碍生理电信号长时间连续监测的研究难点。尽管已有研究团队提出了诸多能提高粘附力与增加透气性的结构，但仍旧难以实现稳定粘附性、低界面阻抗和高透气性的有机统一。因此，开发一款兼具高透水透气性和粘附稳定性的柔性电极十分必要。

仿红蹼树蛙的可穿戴柔性电极

        近期，西安交通大学邵金友、田洪淼团队提出了一种基于树蛙脚蹼的仿生非侵入式柔性干电极。该电极受树蛙脚蹼表面分散六边形结构及其深层粘液腺启发，设计了一种兼具高透水透气性、稳定粘附性及长时间耐用性的柔性电极。该电极由上下两部分组成，下层为仿树蛙脚蹼表面的正六边形分散柱状结构，上层为受树蛙脚蹼粘液腺及鸟喙启发的锥孔结构。

        该电极底部的分散柱状结构有利于实现高效稳定的界面接触（其接触面积/实际面积相较于平膜提升了近一倍），低界面阻抗（其面积标准化阻抗与商用Ag/AgCl凝胶电极相当）及稳定附着，从而实现了较大的粘附力提升（该电极在干/湿条件下的粘附力相较于无结构电极提升了2.79/13.16倍）。该电极上层的锥孔结构有利于实现人体肤表排泄物的搬运，从而提高了该电极的透水透气性：其正向透气性相较于棉织物提升了近12倍，透水性相较于3M医用敷料（Tegaderm）提升了40倍以上。该仿生电极在粘附稳定性、透水透气性和耐用性等方面都具有显著的优势。相关研究成果以“Treefrog-Inspired Flexible Electrode with High Permeability, Stable Adhesion, and Robust Durability”为题发表《Advanced Materials》上，西安交通大学兰天翔博士为论文的第一作者。

图1 设计灵感来源及结构展示

优化设计过程

        研究团队通过理论推导分析得出影响锥孔中液体受力的主要尺寸参数，通过仿真的方式得出了这些参数的最佳范围，并将锥孔的其它尺寸参数与底面形状设计解耦，从而大幅降低了优化设计的复杂性。

        研究团队发现电极底面的离散化表现出诸多优势：首先，有助于提升电极与皮肤之间的接触面积；其次，能够通过毛细力增强湿润条件下的粘附力；再次，能够减少外汗腺的被堵塞率、为表皮分泌物预留一定的连通扩散通道，防止排泄物的局部堆积导致的黏附效果降低。为此，研究团队通过图像处理的方式对比计算了三种可单一平面密铺正多边形（包括正三角形、正方形和正六边形）柱状结构在不同尺寸参数下的最大汗腺堵塞率；最大堵塞率越小代表该电极在湿润条件下的粘附越可靠。研究团队还计算了对应参数下的理论接触面积，该值会影响接触阻抗进而影响采集的信号质量。然而，低最大汗腺堵塞率和高理论接触面积之间是相互矛盾的，因此研究团队在综合考虑两者的平衡关系后制造了优化设计的柔性电极。

图2 结构优化设计

微观结构、粘附性能、透水透气表征

        研究团队通过模塑工艺得到了具有良好一致性的仿生电极和只含锥孔的电极，并测试了其在干、湿环境下的粘附力。具有离散柱状结构的电极在干/湿条件下的粘附力相较于无该结构电极提升了2.79/13.16倍，实现了在干/湿环境下的稳定附着。本文还测试了该仿生电极的正向和逆向水蒸气透过率，该电极的正向/逆向水蒸气透过率相较于棉织物提升了近12/6倍，实现了较好的透气性能。

图3 微观结构、粘附性能、透水透气表征

信号采集及对比

        研究团队使用该仿生电极采集了心电、脑电及肌肉生理电信号，并提取了多种有用的信号特征。该仿生电极采集出的生理电信号质量可与商用Ag/AgCl凝胶电极相媲美，并且长时间使用下性能优于商用Ag/AgCl凝胶电极。此外，相较于已报道文献，本文所提出的仿生电极在机械性能、电学性能及电极性能方面表现出优异的均衡性能。

图4 阻抗、采集信号与性能对比

总结

        邵金友、田洪淼团队长期致力于界面仿生粘附相关研究，已在界面粘附机制、仿生粘附结构制备等领域做出大量创新性工作。本研究提出的基于树蛙脚蹼的仿生电极可以实现在干/湿皮肤表面的稳定粘附，且兼具高透水透气性、长时间穿戴舒适性及稳定的低接触阻抗等优点；有望促进长时间生理电信号的持续检测的广泛应用，实现心血管疾病的有效监测。