CN109875554A - 柔性非嵌入式脑机接口电极及其制备方法和脑机接口模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了柔性非嵌入式脑机接口电极及其制备方法和脑机接口模块。其中，柔性非嵌入式脑机接口电极包括：柔性基体；以及活性组分，所述活性组分包括结构增强材料、电极材料和电解质溶液，所述活性组分负载在所述柔性基体上。该柔性非嵌入式脑机接口电极具有优秀的储水性能和导电性能，机械、化学稳定性好，且不使用导电凝胶材料，对皮肤友好。

Description

柔性非嵌入式脑机接口电极及其制备方法和脑机接口模块

技术领域

本发明涉及材料科学领域，具体而言，本发明涉及一种柔性非嵌入式脑机接口电极及其制备方法和脑机接口模块。

背景技术

自20世纪80年代以来，脑机接口(BCI)技术得到了改进，该技术可以获取人类脑电信号(EEG)，对其进行分析，并将其转换为指令传输给特定设备执行所需的操作。通过收集和分析EEG，BCIs可以提供丰富的实时大脑信息，包括人的精神状态等。人类借助BCI的指令映射可以在不需要肌肉运动的情况下与各种设备进行通信或操作。

有效的BCI要求人体皮肤和电极之间的阻抗较低。导电凝胶辅助的Ag/AgCl电极由于电极电位稳定，是目前最受欢迎的商业BCI电极。然而，Ag/AgCl电极的使用涉及皮肤准备过程和导电凝胶准备过程这两个费时且不舒适的过程，其中导电凝胶还可能对皮肤产生如过敏等负面影响。Ag/AgCl电极的另一个关键问题是无法绕过头发与头皮进行良好的接触。浓密的头发可视为绝缘层，限制了刚性电极和头皮之间的充分接触。而导电凝胶对头发和头皮的潜在危害以及后续必须经历洗头等繁琐过程决定其不适用于长发被试。因而，现有的脑机接口电极仍有待改进。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出柔性非嵌入式脑机接口电极及其制备方法和脑机接口模块。该柔性非嵌入式脑机接口电极具有优秀的储水性能和导电性能，机械、化学稳定性好，且不使用导电凝胶材料，对皮肤友好。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种柔性非嵌入式脑机接口电极。根据本发明的实施例，该柔性非嵌入式脑机接口电极包括：柔性基体；以及活性组分，所述活性组分包括结构增强材料、电极材料和电解质溶液，所述活性组分负载在所述柔性基体上。

根据本发明实施例的柔性非嵌入式脑机接口电极，通过采用柔性基体，避免了电极中传统导电凝胶的使用，且柔性基体具有很好的储水能力，能够储存大量电解质溶液，以便于降低皮肤阻抗；同时，结构增强材料的使用，可在保持基体柔性的前提下显著提高其强度。由此，本发明的柔性非嵌入式脑机接口电极具有优秀的储水性能、导电性能以及机械、化学稳定性好，且对皮肤友好。

另外，根据本发明上述实施例的柔性非嵌入式脑机接口电极还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述柔性基体为海绵。

在本发明的一些实施例中，所述海绵由选自三聚氰胺、聚氨酯和聚乙烯醇中的至少之一形成。

在本发明的一些实施例中，所述结构增强材料选自聚乙烯醇缩丁醛(PVB)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中的至少之一。

在本发明的一些实施例中，所述电极材料为金属纳米线。

在本发明的一些实施例中，所述金属纳米线包括金纳米线和银纳米线中的至少之一。

在本发明的一些实施例中，所述电解质溶液为生理盐水。

在本发明的一些实施例中，所述金属纳米线的直径为50～100nm，长度为50～200μm。

在本发明的一些实施例中，在所述柔性基体中，所述结构增强材料的含量为0.5～5wt％；所述电极材料的含量为10～40wt％；基于规格为150～300mm³的所述柔性基体，所述电解质溶液的含量为1～5mL。

在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备上述实施例的柔性非嵌入式脑机接口电极的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)将结构增强材料与溶剂混合，得到混合液；(2)将电极材料与所述混合液混合，得到前驱体溶液；(3)利用所述前驱体溶液对柔性基体进行浸泡，以便使所述结构增强材料和所述电极材料负载到所述柔性基体上；(4)将步骤(3)所得试样进行干燥，得到干燥试样；(5)使所述干燥试样吸入电解质溶液，得到所述柔性非嵌入式脑机接口电极。由此，通过该方法很容易实现上述实施例的柔性非嵌入式脑机接口电极的快速、大量制备。

另外，根据本发明上述实施例的制备柔性非嵌入式脑机接口电极的方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一些实施例中，步骤(1)中，所述结构增强材料在所述混合液中的浓度为0.1～1mg/100mL。

在本发明的一些实施例中，步骤(1)中，所述混合在40～80℃下进行。

在本发明的一些实施例中，所述溶剂为乙醇。

在本发明的一些实施例中，在所述前驱体溶液中，所述电极材料的含量为1～30wt％。

在本发明的一些实施例中，步骤(3)中，所述浸泡在1000～3000Pa的压力下进行。

在本发明的再一方面，本发明提出了一种脑机接口模块。根据本发明的实施例，该脑机接口模块包括：壳体、连接件和上述实施例的柔性非嵌入式脑机接口电极；所述壳体内限定有容纳空间，所述容纳空间中含有电解质溶液；所述柔性非嵌入式脑机接口电极通过所述连接件设在所述壳体上，且与所述容纳空间中的电解质溶液接触。

由此，壳体容纳空间中的电解质溶液可及时对电极中电解质溶液的消耗进行补充，延长电极使用寿命。另外，需要说明的是，该脑机接口模块还具有前文针对“柔性非嵌入式脑机接口电极”所描述的全部特征和优点，在此不再赘述。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明一个实施例的柔性非嵌入式脑机接口电极照片；

图2是根据本发明一个实施例的制备柔性非嵌入式脑机接口电极的方法流程示意图；

图3是根据本发明一个实施例的脑机接口模块的结构示意图；

图4是根据本发明再一个实施例的脑机接口模块的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种柔性非嵌入式脑机接口电极。根据本发明的实施例，该柔性非嵌入式脑机接口电极包括：柔性基体；以及活性组分，活性组分包括结构增强材料、电极材料和电解质溶液，活性组分负载在柔性基体上。

根据本发明实施例的柔性非嵌入式脑机接口电极，通过采用柔性基体，避免了电极中传统导电凝胶的使用，且柔性基体具有很好的储水能力，能够储存大量电解质溶液，以便于降低皮肤阻抗；同时，结构增强材料的使用，可在保持基体柔性的前提下显著提高其强度。由此，本发明的柔性非嵌入式脑机接口电极具有优秀的储水性能、导电性能以及机械、化学稳定性好，且对皮肤友好。

下面进一步对根据本发明实施例的柔性非嵌入式脑机接口电极进行详细描述。

上述柔性基体的具体形状不受特别限制，可以根据实际需要加工成任意规格。根据本发明的一些实施例，如图1所示，柔性基体可以为圆柱体。

根据本发明的一些实施例，柔性基体为海绵。海绵具有优秀的柔性和储水能力，且来源广泛、廉价易得。通过采用海绵作为脑机接口电极的柔性基体，无需导电凝胶辅助，可以实现电极与皮肤的“柔性非嵌入式”充分接触，相对于传统才有导电凝胶的Ag/AgCl刚性电极对皮肤更为友好。另外，海绵柔性基体的储水能力强，能够储存大量的电解质溶液、电导率高，很容易绕过头发获取电信号。

根据本发明的实施例，用作上述柔性基体的海绵种类并不受特别限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，根据本发明的优选实施例，该海绵可由三聚氰胺、聚氨酯和聚乙烯醇中的至少之一形成。这类材料的柔性好、储水性能强，且不会对皮肤造成不利影响。

根据本发明的实施例，上述结构增强材料可以在保持基体柔性的前提下，提高柔性基体的强度，从而提高电极的耐用性，且不会对电极的电导率造成过多的不利影响。根据本发明的一些实施例，上述结构增强材料可以为选自聚乙烯醇缩丁醛和聚乙烯吡咯烷酮中的至少之一。由此，电极的柔性好，强度和电导率更佳。

根据本发明的一些实施例，上述电极材料为金属纳米线。金属纳米线很容易均匀地负载与柔性基体上，并随电解质溶液自由地流动以便采集电信号。根据本发明的一些实施例，金属纳米线可以包括金纳米线和银纳米线中的至少之一。这类金属纳米线的信号响应灵敏，且对皮肤友好。

根据本发明的一些实施例，上述金属纳米线的直径可以为50～100nm，长度可以为50～200μm。发明人在实验中发现，如果金属纳米线的直径过大，则其柔性下降，影响电极机械强度和稳定性；长度过小，则其导电性下降，影响电信号传输。

根据本发明的一些实施例，上述电解质溶液为生理盐水。生理盐水(即质量浓度为0.9％的NaCl水溶液)与皮肤具有很好的相容性，通过采用生理盐水作为电解质溶液，可以进一步降低皮肤的阻抗，保证电极在与皮肤“非嵌入式”接触的情况下能够高效灵敏地获取电信号。

根据本发明的一些实施例，在上述柔性基体中，结构增强材料的含量为0.5～5wt％，若结构增强材料含量过低则电极成型后力学稳定性较低，无法起到增强作用。若含量过高，则电极成型后刚性过高，影响触感；电极材料的含量为10～40wt％，若电极材料含量过低，则导电性下降，影响信号传输。若电极材料含量过高，则增加电极整体重量和制造成本；基于规格为150～300mm³的所述柔性基体，电解质溶液的含量为1～5mL，电解液的含量由电极整体结构决定，若电解质溶液含量过低，则服役时间过短。若电解质溶液含量过高，则增加电极整体重量。这里，需要说明的是，术语“规格”是指柔性基体外形的体积(忽略其内部孔隙)，以圆柱形柔性基体为例，若圆柱形柔性基体的底面直径为5mm，高为1cm，则该柔性基体的规格为196.25mm³。

综上可知，本发明的柔性非嵌入式脑机接口电极具有以下优点的至少之一：优异储水性能、高电导率、良好柔性、高力学化学稳定性、绕过头发能力、无需导电凝胶辅助。

在本发明的另一方面，本发明提出了一种制备上述实施例的柔性非嵌入式脑机接口电极的方法。根据本发明的实施例，该方法包括：(1)将结构增强材料与溶剂混合，得到混合液；(2)将电极材料与混合液混合，得到前驱体溶液；(3)利用前驱体溶液对柔性基体进行浸泡，以便使结构增强材料和电极材料负载到柔性基体上；(4)将步骤(3)所得试样进行干燥，得到干燥试样；(5)使干燥试样吸入电解质溶液，得到柔性非嵌入式脑机接口电极。由此，通过该方法很容易实现上述实施例的柔性非嵌入式脑机接口电极的快速、大量制备。

下面参考图2对根据本发明实施例的制备柔性非嵌入式脑机接口电极的方法进行详细描述。根据本发明的实施例，该方法包括：

S100：制备混合液

该步骤中，将结构增强材料与溶剂混合，得到混合液。

根据本发明的一些实施例，上述结构增强材料在混合液中的浓度为0.1～1mg/100mL。如果结构增强材料的浓度过高，不仅不利于后续电极材料与混合液的混匀，还会对电极整体的电导率造成不利影响，导致电极电导率下降。通过控制该步骤中混合液中结构增强材料的浓度为0.1～1mg/100mL，可在保证基体柔性和电极整体电导率的前提下，有效提高柔性基体的强度。

根据本发明的一些实施例，上述混合可在40～80℃下进行，例如40℃、50℃、60℃、70℃或是80℃。通过在以上温度下将结构增强材料与溶剂混合，可以进一步提高结构增强材料在所得混合液中的分散效果，如果温度过高，可能会导致结构增强材料变质。另外，在混合过程中可以辅以磁力搅拌，以进一步提高分散效果。

根据本发明的一些实施例，上述溶剂为乙醇。乙醇可以为结构增强材料提供良好的溶解性，并为电极材料提供良好的分散场所。另外，这类溶剂的沸点较低，很容易在后续处理中除去，不会对电极造成影响。

S200：获得前驱体溶液

该步骤中，将电极材料与混合液混合，得到前驱体溶液。

根据本发明的一些实施例，在该前驱体溶液中，电极材料的含量为1～10wt％。发明人在实验中发现，电极材料在前驱体溶液中的含量对电极的电导率有显著影响。具体而言，前驱体溶液中电极材料含量小于1wt％时,电极接触阻抗大于10kΩ，无法满足脑机接口要求。

S300：负载活性组分

该步骤中，利用前驱体溶液对柔性基体进行浸泡，以便使结构增强材料和电极材料负载到柔性基体上。

根据本发明的一些实施例，上述浸泡可在1000～3000Pa的压力下进行，例如1000Pa、1200Pa、1500Pa、1800Pa、2000Pa、2500Pa或是3000Pa。发明人在实验中发现，利用真空处理辅助活性组分负载，可以进一步有利于前驱体溶液对柔性基体的浸润以及电极材料在柔性基体骨架上的锁定。

S400：干燥

该步骤中，将S300所得试样进行干燥，得到干燥试样。通过对S300所得试样进行干燥，可以有效排除前驱体溶液中的溶剂，避免溶剂对电极电导率等方面性能的造成影响。

S500：吸入电解质溶液

该步骤中，使干燥试样吸入电解质溶液，得到本发明的柔性非嵌入式脑机接口电极。

综上可知，本发明的制备柔性非嵌入式脑机接口电极方法，可以简单高效地大量制备上述实施例的柔性非嵌入式脑机接口电极。

在本发明的再一方面，本发明提出了一种脑机接口模块。根据本发明的实施例，参考图3和4，该脑机接口模块包括：壳体10、连接件20和上述实施例的柔性非嵌入式脑机接口电极30；壳体10内限定有容纳空间11，容纳空间中含有电解质溶液；柔性非嵌入式脑机接口电极30通过连接件20设在壳体10上，且与容纳空间11中的电解质溶液接触。

由此，壳体容纳空间中的电解质溶液可及时对电极中电解质溶液的消耗进行补充，延长电极使用寿命。另外，需要说明的是，该脑机接口模块还具有前文针对“柔性非嵌入式脑机接口电极”所描述的全部特征和优点，在此不再赘述。

下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。

实施例1

用PVB粉末和无水乙醇配制成PVB浓度为1mg/100mL的混合液，过程中辅助以磁力搅拌和80℃加热。按照质量比为1％将银纳米线(50nm直径，200μm长度)加入上述混合液中，并进行充分搅拌，配置成金属化前驱体溶液。将三聚氰胺海绵裁制成直径5mm、高度1cm的圆柱体并浸泡入上述前驱体溶液中，进行2000Pa真空处理。将上述操作处理完毕的海绵充分干燥后吸入3mL生理盐水得到电导率为0.9S·m^-1的电极。

实施例2

用PVB粉末和无水乙醇配制成PVB浓度为1mg/100mL的混合液，过程中辅助以磁力搅拌和80℃加热。按照质量比为5％将银纳米线(50nm直径，200μm长度)加入上述混合液中，并进行充分搅拌，配置成金属化前驱体溶液。将三聚氰胺海绵裁制成直径5mm、高度1cm的圆柱体并浸泡入上述前驱体溶液中，进行2000Pa真空处理。将上述操作处理完毕的海绵充分干燥后吸入3mL生理盐水得到电导率为80S·m^-1的电极。

实施例3

用PVB粉末和无水乙醇配制成PVB浓度为1mg/100mL的混合液，过程中辅助以磁力搅拌和80℃加热。按照质量比为10％将银纳米线(50nm直径，200μm长度)加入上述混合液中，并进行充分搅拌，配置成金属化前驱体溶液。将三聚氰胺海绵裁制成直径5mm、高度1cm的圆柱体并浸泡入上述前驱体溶液中，进行2000Pa真空处理。将上述操作处理完毕的海绵充分干燥后吸入3mL生理盐水得到电导率为300S·m^-1的电极。

实施例4

用PVB粉末和无水乙醇配制成PVB浓度为1mg/100mL的混合液，过程中辅助以磁力搅拌和80℃加热。按照质量比为10％将银纳米线(100nm直径，100μm长度)加入上述混合液中，并进行充分搅拌，配置成金属化前驱体溶液。将三聚氰胺海绵裁制成直径5mm、高度1cm的圆柱体并浸泡入上述前驱体溶液中，进行2000Pa真空处理。将上述操作处理完毕的海绵充分干燥后吸入3mL生理盐水得到电导率为150S·m^-1的电极。

实施例5

用PVB粉末和无水乙醇配制成PVB浓度为1mg/100mL的混合液，过程中辅助以磁力搅拌和80℃加热。按照质量比为10％将银纳米线(100nm直径，50μm长度)加入上述混合液中，并进行充分搅拌，配置成金属化前驱体溶液。将三聚氰胺海绵裁制成直径5mm、高度1cm的圆柱体并浸泡入上述前驱体溶液中，进行2000Pa真空处理。将上述操作处理完毕的海绵充分干燥后吸入3mL生理盐水得到电导率为50S·m^-1的电极。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种柔性非嵌入式脑机接口电极，其特征在于，包括：

柔性基体；

活性组分，所述活性组分包括结构增强材料、电极材料和电解质溶液，所述活性组分负载在所述柔性基体上。

2.根据权利要求1所述的柔性非嵌入式脑机接口电极，其特征在于，所述柔性基体为海绵；

任选地，所述海绵由选自三聚氰胺、聚氨酯和聚乙烯醇中的至少之一形成。

3.根据权利要求1所述的柔性非嵌入式脑机接口电极，其特征在于，所述结构增强材料选自聚乙烯醇缩丁醛和聚乙烯吡咯烷酮中的至少之一。

4.根据权利要求1所述的柔性非嵌入式脑机接口电极，其特征在于，所述电极材料为金属纳米线；

任选地，所述金属纳米线包括金纳米线和银纳米线中的至少之一；

任选地，所述电解质溶液为生理盐水。

5.根据权利要求4所述的柔性非嵌入式脑机接口电极，其特征在于，所述金属纳米线的直径为50～100nm，长度为50～200μm。

6.根据权利要求1～5任一项所述的柔性嵌入式脑机接口电极，其特征在于，在所述柔性基体中，所述结构增强材料的含量为0.5～5wt％；所述电极材料的含量为10～40wt％；基于规格为150～300mm³的所述柔性基体，所述电解质溶液的含量为1～5mL。

7.一种制备权利要求1～6任一项所述的柔性非嵌入式脑机接口电极的方法，其特征在于，包括：

(1)将结构增强材料与溶剂混合，得到混合液；

(2)将电极材料与所述混合液混合，得到前驱体溶液；

(3)利用所述前驱体溶液对柔性基体进行浸泡，以便使所述结构增强材料和所述电极材料负载到所述柔性基体上；

(4)将步骤(3)所得试样进行干燥，得到干燥试样；

(5)使所述干燥试样吸入电解质溶液，得到所述柔性非嵌入式脑机接口电极。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述结构增强材料在所述混合液中的浓度为0.1～1mg/100mL；

任选地，步骤(1)中，所述混合在40～80℃下进行；

任选地，所述溶剂为乙醇；

任选地，在所述前驱体溶液中，所述电极材料的含量为1～30wt％。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述浸泡在1000～3000Pa的压力下进行。

10.一种脑机接口模块，其特征在于，包括：壳体、连接件和权利要求1～6任一项所述的柔性非嵌入式脑机接口电极；

所述壳体内限定有容纳空间，所述容纳空间中含有电解质溶液；

所述柔性非嵌入式脑机接口电极通过所述连接件设在所述壳体上，且与所述容纳空间中的电解质溶液接触。