南洋理工大學陳曉東教授AM：受蜜蜂啟發的“熱致粘彈性切換”技術實現高貼合腦電采集

腦電圖（EEG）作為一種非侵入式的腦機接口（BCI）技術前景廣闊，但其廣泛應用一直受限于電極性能。傳統濕電極雖然信號質量高，但需要手動涂抹導電膏，設置繁瑣，且難以集成到可穿戴設備中；而干電極雖然使用方便，卻難以穿透毛發與頭皮形成共形接觸，導致信號阻抗高、不穩定。如何在多毛的頭皮上實現穩定、高質量的信號采集，同時保持可穿戴設備所需的便捷性，是領域內長期存在的挑戰。

受蜜蜂筑巢行為的啟發，南洋理工大學陳曉東教授、關存太教授和清華大學高小榕教授合作開發出一種熱致粘彈性可切換電極（HIVE）。蜜蜂通過局部加熱蜂蠟，可逆地改變其粘彈性狀態，從而塑造出堅固的蜂巢。借鑒這一策略，HIVE電極整合了熱響應明膠凝膠和嵌入式微型加熱器，能夠主動調控電極界面狀態。在加熱時，凝膠變為可流動的溶膠，滲透毛發并與頭皮形成緊密共形接觸；停止加熱后，凝膠在體溫下恢復為粘彈性狀態，提供牢固粘附。該電極還具備基于實時阻抗反饋的閉環加熱控制系統，實現了自適應準備。在穩態視覺誘發電位（SSVEP）范式中，HIVE的分類準確率可與金標準濕電極相媲美，并能成功應用于基于視覺的輪椅導航和高速文本輸入等可穿戴BCI演示中，為頭皮多毛表面的共形生物電子接口提供了全新的設計范式。相關論文以“Bioinspired Heat-Induced Viscoelasticity-Switchable Electrodes for Conformal Brain-Computer Interfaces”為題，發表在

Advanced Materials

這項創新的核心機制直觀地體現在其設計原理圖中。研究者從蜜蜂工蜂通過體溫局部加熱蜂蠟、使其在堅硬承重態與柔軟可塑態之間可逆切換以筑造蜂巢的過程獲得靈感。基于此，HIVE將熱響應明膠凝膠封裝于親水海綿基質中，并集成了片上微型加熱器。實際應用時，電極最初以固態凝膠形式置于頭皮上；啟動加熱后，凝膠熔化成溶膠，流出海綿并滲透毛發，自適應地貼合頭皮輪廓；停止加熱后，凝膠冷卻至體溫并轉變為粘彈態，從而提供持久穩定的粘附與電接觸。

圖1 | 用于多毛頭皮貼合式腦機接口的仿生熱致粘彈性可切換電極示意圖。 a) 在蜂巢構建過程中，工蜂利用自身體溫局部加熱蜂蠟，可逆地將其粘彈性狀態在剛性承載狀態與柔軟可塑狀態之間切換。 b) HIVE將溫敏明膠凝膠封裝于海綿基質中，并結合電極上的微型加熱器，主動調控凝膠的粘彈性。 c) HIVE在多毛皮膚上的原位熱致貼合接觸過程。（i）初始佩戴時，凝膠為固態，未與頭皮貼合。（ii）加熱使凝膠熔化，滲透毛發并貼合頭皮。（iii）停止加熱后，凝膠恢復至體溫，變為粘彈性并產生強附著力。

為了確保電極的性能與可靠性，研究人員對其材料和結構進行了深入表征與優化。HIVE采用集成化設計，包含Ag/AgCl信號采集電極、金基加熱電阻以及作為導電界面的凝膠-海綿復合材料。流變學測試表明，通過調節明膠、氯化鈉和甘油的含量，可將凝膠的相變溫度精確調控至約38°C，使其在略高于體溫時熔化，并在體溫下保持粘彈態以提供良好附著力。此外，研究團隊開發了一種將商用疏水海綿轉化為超親水“水凝膠海綿”的方法，該海綿能通過毛細作用在凝膠熔化后仍將其有效錨定在電極上，防止其流失。對比實驗顯示，HIVE在毛發頭皮上的阻抗與濕電極相當，遠低于干電極，且其凝膠-海綿復合結構的粘附力隨溫度變化可調，實現了在儲存時低粘附、在使用時高粘附的智能切換。添加的甘油有效防止了凝膠脫水，賦予了電極長時間使用的穩定性。

圖2 | 用于自適應毛發界面接觸的HIVE中粘彈性可切換凝膠與凝膠保持海綿。 a) HIVE的爆炸視圖示意圖。中央銀/氯化銀電極用于阻抗測量與腦電記錄，鍍金部件作為加熱電阻。 b, c) 不同明膠含量（b）與氯化鈉含量（c）的明膠凝膠在10°C至70°C升溫過程中的儲能模量與損耗模量。 d) 通過凝膠化反應將商業疏水海綿改性為水凝膠海綿的制備過程。改性前海綿接觸角為116°±2°，改性后可快速吸收液滴。 e) 凝膠熔化后，海綿通過毛細作用將凝膠保留在電極上；而無海綿的電極在凝膠液化后會流失凝膠。為便于觀察，凝膠已染色。 f) 可視化展示HIVE在毛發存在下的接觸情況：加熱后凝膠熔化并透過毛發與玻璃接觸。 g) 干電極、濕電極與HIVE在多毛頭皮上的阻抗譜對比。 h) 凝膠-海綿復合材料與無海綿凝膠在不同表面溫度下的粘附力對比。 i) 不同甘油含量的明膠凝膠的脫水情況。

為實現用戶友好的自適應操作，HIVE集成了智能閉環熱控制系統。該系統通過微控制器實時監測電極-頭皮阻抗，并以此反饋控制加熱過程。當阻抗降至預設閾值以下時，加熱自動停止，確保了高效與安全。紅外熱成像顯示，電極采用分段加熱策略（先連續加熱120秒，后間歇加熱），可在安全溫度范圍內快速達到并維持所需溫度。在實際測試中，無論使用者頭發長短疏密，該系統都能自動調整加熱時間，使阻抗穩定降低至理想范圍，整個過程可由用戶獨立完成。

圖3 | 基于電極-頭皮阻抗的閉環熱控制，實現可穿戴腦機接口設備的自主準備。 a) HIVE在電加熱過程中的紅外熱成像圖。 b) HIVE內部溫度分布的仿真結果。 c) 通過紅外成像測得的HIVE表面中心溫度變化。彩色區域代表加熱階段，120秒連續加熱后轉為間歇加熱模式。 d) 用于設置與操作HIVE的智能手機應用界面。 e) 閉環控制系統示意圖：根據實時阻抗反饋調節加熱時長。 f) 用戶佩戴四個HIVE電極（位于Pz、O1、Oz、O2位置）的照片。耳垂處的電極作為阻抗測量的對電極。 g) 微控制器在加熱過程中測得的實時阻抗。當阻抗低于預設閾值時加熱自動停止。 h) 不同發長使用者所需的加熱時間，顯示HIVE可根據用戶發長自動調節加熱時間。

最終的性能驗證證明了HIVE在可穿戴BCI應用中的卓越潛力。在8目標SSVEP分類實驗中，HIVE的分類準確率與濕電極相當（使用1秒數據即可超過90%），顯著優于干電極。更重要的是，在長達8小時的連續記錄中，商用濕電極因凝膠脫水導致性能在4小時后顯著下降，而HIVE憑借其抗脫水特性始終保持高準確度。研究者進一步將HIVE與增強現實眼鏡結合，開發了完全可穿戴的視覺BCI系統，使用者可通過注視不同頻率的刺激目標，實時控制電動輪椅的移動。此外，系統還實現了40目標的SSVEP分類，可用于全鍵盤視覺打字，展現了其在復雜控制場景下的穩健性能。

圖4 | 基于HIVE的高保真、長時程可穿戴視覺腦機接口系統及其輔助應用展示。 a) 八目標SSVEP實驗示意圖：屏幕上同時顯示8個頻率在8至15Hz間閃爍的目標，受試者按要求注視其中一個。 b) 在8Hz與12Hz視覺刺激下，使用HIVE記錄的腦電波形。 c) 分類準確率與采樣時間的關系：HIVE與濕電極準確率相當，干電極則顯著較低。 d) 使用1秒采樣時間時，HIVE與濕電極在8小時長時記錄中的分類準確率變化。 e) HIVE在72小時長時使用中保持良好的分類準確率與低阻抗。 f) 基于增強現實眼鏡顯示的SSVEP可穿戴腦機接口系統。腦電功率譜密度圖顯示用戶注視不同頻率刺激時對應的信號響應，映射為控制電動輪椅的特定指令。用戶可通過注視相應目標控制輪椅運動。

這項研究成功將自然界蜜蜂調控粘彈性的策略轉化為一種實用的生物電子接口解決方案。HIVE電極融合了高信號質量、穩固粘附、長期穩定性、可重復使用和便捷操作等諸多優勢，有效解決了在毛發皮膚表面進行高保真電生理監測的長期挑戰。它不僅為可穿戴腦機接口的現實應用提供了切實可行的工具，也為在復雜多毛表面構建熱調控共形生物接口確立了新的設計范式，有望拓展至人類、動物乃至植物的電生理監測等更廣泛領域。