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中国科研团队研发出一种新型舒适型电极，有望突破传统非侵入式脑机接口（BCI）佩戴时间短、容易受到身体活动干扰的限制。
实验结果显示，这款新型电极在长达14小时的测试中，协助受试者通过视觉专注方式进行脑控打字，准确率超过94%；即使在走路、吃饭、阅读及睡觉等日常活动期间，也能连续8小时稳定读取脑电讯号。
这项研究由广西大学、广西医科大学及清华大学等机构的研究人员共同参与，成果于10月31日刊登在国际同行评审期刊《npj Flexible Electronics》。
研究团队指出，非侵入式脑机接口要真正应用于日常生活，关键在于电极必须兼顾佩戴舒适度与讯号稳定性，尤其需要克服传统电极与头皮之间的贴合问题。
脑机接口是一种连接人脑与外部数字系统的技术，透过读取及解析脑部活动讯号，将其转化为数字指令，让使用者能够以意念进行打字，或操控电子设备。
与需要将电极植入脑组织或置于颅骨内的侵入式及半侵入式脑机接口不同，非侵入式脑机接口主要透过配备感应器的穿戴设备，在头皮外部读取脑部活动讯号。
目前，许多非侵入式脑机接口采用脑电图（EEG）技术，通过装有电极的帽子接触头皮，测量脑部的电气活动。
然而，传统电极通常由坚硬金属制成，并需要搭配导电凝胶使用，一旦凝胶逐渐干涸，讯号稳定性便会下降，一般只能维持约2至4小时。
此外，坚硬电极与柔软头皮之间的贴合度不足，也容易在使用者移动时产生滑动，导致脑电讯号受到干扰。
为解决这些问题，研究团队开发出一种采用梯度设计的水凝胶电极，利用温度差异调整材料结构，使电极具备由软至硬的渐变特性。
简单来说，接触头皮的一端较柔软，能够贴合头部轮廓；连接电子线路的一端则较坚硬，有助于维持结构稳定。同时，电极内部的孔隙结构也经过调整，以便持续释放电解质，维持导电性能。
研究人员在制造过程中，先将含有导电聚合物及银纳米片的水凝胶原料倒入模具并冷冻，形成初步结构，再通过多次冷冻与解冻过程，在材料两侧分别施加热源与冷源，制造出硬度及孔隙结构逐渐变化的电极。
团队表示，这项制造技术也具备量产潜力，单次生产最多可制造300个电极，并能根据市面上的脑电帽尺寸进行调整。
在人体测试之前，研究人员先将电极应用于小鼠，以验证其生物相容性，结果未发现不良反应。
随后，团队让受试者佩戴配备8个电极的脑电帽，并通过无线方式将采集到的脑部活动讯号传送至电脑。
测试结果显示，受试者在进行走路、吃饭、阅读及睡觉等日常活动时，新型电极仍能连续8小时稳定记录脑电讯号。
另一项长达14小时的测试则在静止状态下进行，受试者每小时完成一次不同的脑机接口任务。
其中，在视觉脑控打字测试中，受试者透过注视闪烁的虚拟键盘，依序输入数字1至9及日期，整体准确率超过94%。
至于动态测试，研究人员则让不同颜色的线条在虚拟方格阵列中移动，要求受试者集中注意力锁定指定方格，测试准确率也超过90%。
研究团队同时将新型电极与市面上的传统导电凝胶电极进行比较，发现传统电极会随着凝胶水分流失而出现明显性能下降，部分讯号通道在4至5小时后几乎无法正常使用。
研究人员认为，这项成果证明，梯度设计水凝胶电极有望提升非侵入式脑机接口的长时间使用能力，为相关技术走出实验室、应用于实际生活提供新的方向。
未来，这类电极有望应用于日常健康监测、睡眠追踪，以及癫痫等疾病的预警与临床监测。