韩国成均馆大学Science：仿蜘蛛频率阻尼器！

一、【导读】

可穿戴和植入式等先进的生物电子学设备在持续测量人体生理信号方面非常有前景。尽管最近在软材料和柔性材料与超薄电子器件的集成方面取得的成就实现了连续监测和多功能，但此类应用通常受到动态噪声（通常< 30 Hz）产生的信号伪影的限制。这些信号伪影包括患者运动产生的噪音，如呼吸、行走、敲击和跑步。为了选择性地去除这些生物信号中的动态噪声，使用了带通滤波等处理技术。然而，这可能会导致信息丢失，并且很难按需更改波段。而整个信号的无线传输，包括微型可穿戴电子设备中的噪声，在信号处理中会受到信号延迟的影响。虽然具有减震性能的阻尼材料可能有用，但它们需要满足生物生理学的宽或选择性的频率范围要求。

二、【成果掠影】

近日，韩国成均馆大学Tae-il Kim教授团队基于蜘蛛体内的粘弹性角质层垫—选择性地去除动态机械噪声伪影，提出了一种非常规的带通滤波器材料—粘弹性明胶-壳聚糖水凝胶阻尼器。水凝胶表现出与频率相关的相变，即产生衰减低频噪声的橡胶态和传输所需高频信号的玻璃态。这种适应性强的滤波器，能够从患者那里采集高质量的信号，同时最大限度地减少先进生物电子学的信号处理。该论文以题为“Cuticular pad–inspired selective frequency damper for nearly dynamic noise–free bioelectronics”发表在知名期刊Science上。

三、【核心创新点】

1、壳聚糖和明胶相互渗透的水凝胶阻尼器，其动态力学性能类似于蜘蛛的角质层垫，可以实现选择性频率阻尼。

2、水凝胶阻尼器在27℃和45℃时的峰值阻尼能量至少是次优阻尼材料的6.7倍；水凝胶阻尼器的噪声和目标信号之间的选择性是其他阻尼材料的20倍以上；水凝胶阻尼器的阻尼系数也比其他阻尼材料大3.35倍以上。

3、无论机械噪声如何，带有水凝胶阻尼器的传感器都可以利用选择性机械信号目标。

四、【数据概览】

图一、蜘蛛角质垫中的选择性噪声阻尼和生物启发的明胶水凝胶阻尼器© 2022 AAAS

（A）蜘蛛在跗骨和跖骨之间的粘弹性表皮垫处叠加高频目标信号（>30 Hz）的选择性低频阻尼示意图。

（B）蜘蛛垫的粘弹性特性取决于振动的施加频率。

（C）明胶-壳聚糖水凝胶的动态机械储存模量和tan δ随频率的变化。

（D）通过水凝胶阻尼器检测来自皮肤和周围环境的选择性生物生理信号示意图。

（E）与弛豫时间有关的水凝胶阻尼器中的选择性阻尼机制。

（F）在De= 1上下壳聚糖、明胶及明胶-壳聚糖水凝胶的动态tan δ曲线。

（G）在27℃至45℃的温度范围内，人类机械（蓝色）和电生理（橙）生物信号和机械阻尼范围的代表性频率范围。

（H-I）水凝胶阻尼器电极的生物电子学示例，用于用机械噪声测量电生理信号以及与水凝胶阻尼器合并，通过连接到蓝牙模块的基于裂纹的应变传感器进行选择性机械目标信号检测。

图二、通过调整与跃迁频率相对应的弛豫时间来移动阻尼区域© 2022 AAAS

（A）相对低温和高温气氛中振动刺激后的链弛豫示意图。

（B）水凝胶阻尼器的弛豫时间和转变频率对温度和分子量的依赖性。

（C）在不同温度（19、35、45℃）下的粘弹性传递和阻尼，通过在水凝胶层上滴下金属球来验证De。

（D）将水凝胶阻尼器的转换频率从27℃时的0.89 Hz移动到45℃时的51.8 Hz。

（E）测量参考和水凝胶阻尼器样品的实时振动波形，分别应用于环境温度（27℃，顶部）和45℃的气氛（底部），频率分别为5 Hz（红色）、25 Hz（黄色）和100 Hz（天蓝色）。

（F）在温度从18℃至45℃的变化时，分别施加了5 Hz（红色），25 Hz（黄色）和100 Hz（天蓝色）频率的传输振动的归一化波形。

（G）在参考（灰色）和水凝胶阻尼器（红色）中测量振动的实时波形，在环境温度（27°C）和45°C气氛中叠加5 Hz、25 Hz和100 Hz多个振动频率。

（H）每个振动传播的Morlet小波变换，在27℃传递以及水凝胶阻尼器在27℃和45℃传递。

图三、明胶-壳聚糖水凝胶阻尼器与其他阻尼材料的阻尼性能对比© 2022 AAAS

（A）水凝胶阻尼器在27℃（粉红色）和45℃（红色）和代表性阻尼材料。

（B）水凝胶阻尼器和其他阻尼材料的弛豫时间和过渡频率随温度的变化。

（C）水凝胶阻尼器在27℃和45℃和其他阻尼材料的峰值频率和100 Hz之间的幅度差。

（D）水凝胶阻尼器和其他阻尼材料的带通滤波的阻尼因子。

（E）水凝胶阻尼器在27℃和45℃与其他阻尼材料的带宽比较。

（F）水凝胶阻尼器等材料的能量阻尼图。

图四、水凝胶阻尼对生物生理信号进行高信噪比检测的动态噪声阻尼演示© 2022 AAAS

（A）以水凝胶阻尼器和PDMS为参考，使用无线机械传感演示基于颈部振动的人类语音记录。

（B）男性声音和吞咽动作的频率范围（~20 Hz）。

（C）在“Viva la vida”的发音和吞咽动作期间，没有使用水凝胶阻尼器和使用水凝胶阻尼器测量的听觉频谱图的比较。

（D）水凝胶阻尼器和参考（PDMS）的每个峰值频率处检测到的语音的SNR比较。

（E）水凝胶阻尼器和商用3M电极在皮肤心电图检测中的潜在应用。

（F）心电图、敲击、呼吸和步行信号的频率范围。

（G）使用市售3M电极测量的ECG信号，经过0.5至40 Hz的带通滤波和额外的带阻滤波和在机械噪声应用下使用水凝胶阻尼器：敲击、呼吸和行走。

（H）在10 Hz噪声下使用致动器进行脑电图检测的另一个潜在应用。

（I）EEG和10 Hz驱动信号的典型频率范围。

（J）使用3M电极、具有以10 Hz 为中心的带阻的商用电极和在闭眼和睁眼期间的水凝胶阻尼器对EEG信号进行小波分析。

五、【成果启示】

使用粘弹性材料的选择性频率阻尼可最大限度地减少机械噪声，并能够在嘈杂的条件下检测具有高SNR的生物生理信号。与机械噪声中断后的信号处理相比，材料本身的选择性频率阻尼将更有效地获得清晰的信号。在各种环境条件下，按需设计弛豫时间的策略变得至关重要，需要在未来的工作中进一步改进。对于温度控制，则可能需要在整个设备中增加额外的设备，并且皮肤可能会受到影响。研究团队建议，与刚性可穿戴电子产品相比，可以用粘弹性软材料加速不需要信号处理步骤的软生物电子设备的实时应用。

文献链接：Cuticular pad–inspired selective frequency damper for nearly dynamic noise–free bioelectronics(Science2022,376, 624-629)

本文由赛恩斯供稿。