脑机接口(BCI)技术近年来受到广泛关注,各国政府和企业对相关研究和应用进行了大量投资。在未来,恢复患者沟通和运动功能,治疗精神类和神经类疾病,游戏以及其他日常和医疗应用都将受益于BCI的发展进步。BCI技术的关键是利用电极进行脑电活动检测和传递。然而,传统的刚性电极由于杨氏模量不匹配、对人体的潜在损害以及信号质量随时间推移而下降而受到限制。这些因素使得柔性电极的开发变得至关重要。近年来,由柔性材料制成的脑电电极作为传统刚性电极的替代品越来越受欢迎,因为它们具有更广的顺应性、更高信噪比(SNR)信号获取潜力和更广泛的应用范畴。因此,这篇综述总结了这一领域最新进展,探讨了制造这些柔性电极的分类和未来发展方向,以进一步促进柔性BCI电极的发展。
Figure 1. Timeline of the development of brain projects around the world.
在BCI电极制造工艺方面,传统材料和制造工艺限制了具有高性能、高电极密度和其他特色的柔性电极的开发。柔性电极通常由有导电材料和柔性基底材料组成。近年来,柔性电极制造工艺得到了显着改进。大多数电极材料、制造方法和柔性基底材料可同时用于制造颅内和颅外电极。同样值得注意的是,微机电系统技术和微细加工在制造颅内电极方面可能具有巨大的优势,特别是对于ECoG电极,这可能有助于增加电极密度和提高空间分辨率。当涉及柔性电极的其它材料性能要求时,颅内和颅外电极均追求较好的机械性能、粘附性能和生物相容性。
Figure 4. Some electrodes with biodegradability and multifunctional electrodes.
尽管开发便携且安全的BCI柔性电极仍存在许多障碍,但它仍然拥有光明的未来。基于柔性电极的BCI技术已经通过脑控运动和语言功能以及治疗各种神经和认知障碍来体现其价值。此外,物联网也是BCI的蓝海。尤其是在元宇宙方面,BCI是未来元宇宙与人类之间的交互渠道,是吸引人们的完美方式。在BCI技术的帮助下,信息可以随时随地无缝传达。与运动控制或语音控制相比,它提供了更多的便利、隐私和可能性。它不仅可以影响人类的感官信息,还可以直接将物理信息传达给大脑,改变人类的交流方式。它可能是元宇宙的终极形式。此外,将大脑上传到云端,在数字空间中创建意识、情感和记忆,可能会提供一种实现精神永生的方法。如果人体的感觉器官和四肢冬眠或冷冻,只保留大脑的活动,可以减少其他疾病的损害和影响,同时也可以用有限的能量和资源延长大脑的寿命。
BCI的商业化和产业化仍然需要材料科学、神经科学、计算机科学、工程学和其他学科之间的合作。柔性电极作为BCI最重要的硬件之一,无论使用什么电极,主要目标是传输脑电信号,以便在人与机器之间架起桥梁,更深入地了解其机制,并改善人们的生活质量。利用不同类型的电极将是未来提供更好的信号的趋势。有创和非侵入性脑电图检测方法将长期共存并相互学习。同时,在材料、制造方法和基底材料方面仍需不断探索和开发。
原文链接:https://doi.org/10.1002/adma.202211012
- 西南交大鲁雄/谢超鸣团队Matter:仿贻贝超软导电粘附水凝胶用于脑机接口 2022-02-03
- 清华大学柔电中心组织策划的《先进材料》专刊《柔性混合电子》正式出版 2020-04-22
- 上海交通大学刘景全团队在基于光遗传应用的可拉伸光电集成脑机接口器件方面取得重要进展 2020-04-14
- 苏州大学严锋教授团队《AM》:会呼吸、能排汗、可抑菌的聚离子液体柔性电子皮肤 2021-11-13
- 南医大胡本慧教授团队:应力松弛机制介导抗脱落无感电极 2021-08-21
- 郑大代坤教授/北化万鹏博教授《AFM》:耐受极端环境的有机水凝胶用于可穿戴应变传感器和柔性电极 2021-04-14