تجهیزات سنتی اکتساب EEG حجیم هستند، به ژل رسانا متکی هستند و مستعد تداخل هستند. برای اینکه فناوری رابط کامپیوتری مغز (BCI) واقعاً بخشی از زندگی روزمره شود، نوآوری ها باید از همان ابتدا آغاز شوند. اخیراً، تیمی به سرپرستی محقق لیو ران و پروفسور گائو شیائورونگ از دانشکده مهندسی زیست پزشکی در دانشگاه Tsinghua دستاورد مهمی را در مجله ACS Applied Materials & Interfaces منتشر کرده اند: آنها یک الکترود میکروسوزن مبتنی بر MXene- ساخته اند که نه تنها مزیت EEG را در محیط پیچیده ارائه می دهد، بلکه کیفیت عالی را نیز ارائه می دهد. ژل-رایگان، پوشیدنی، و بسیار سازگار است. این الکترود جدید راه را برای رایج شدن دستگاه های BCI هموار می کند.
Ⅰ. یک "تصله مغزی" هوشمندتر
دستگاههای الکتروانسفالوگرافی سنتی (EEG) معمولاً از الکترودهای مرطوب مبتنی بر ژل- استفاده میکنند. در حالی که آنها کیفیت سیگنال ثابتی را ارائه می دهند، اما استفاده از آنها می تواند دست و پا گیر باشد، می تواند باعث تحریک پوست شود و می تواند مستعد تداخل باشد. در سالهای اخیر، الکترودهای خشک بهعنوان یک جایگزین ظاهر شدهاند، اما متعادل کردن راحتی، کیفیت سیگنال و سهولت در سایش یک چالش دائمی در علم مواد و مهندسی عصبی بوده است.
این تیم تحقیقاتی از MXene (نوعی از مواد کربنی دو بعدی) به عنوان یک هسته رسانا استفاده کردند و آن را با ساختار میکروسوزن ترکیب کردند تا یک الکترود EEG خشک با اندازه فقط 1 میلی متر مربع طراحی کنند. MXene اخیراً به دلیل رسانایی عالی، انعطاف پذیری و زیست سازگاری توجه گسترده ای را به خود جلب کرده است. آرایه میکروسوزن الکترود را قادر میسازد تا به آسانی به لایه سطحی پوست، لایه شاخی پوست نفوذ کند، نیازی به اصلاح یا استفاده از ژل را از بین ببرد، و امکان دریافت نسبت سیگنالهای پایین{4}امپدانس و سیگنالهای بالا به{7}EG را فراهم میکند. این ساختار نه تنها به طور قابل توجهی ثبات تماس بین الکترود و پوست سر را بهبود می بخشد، بلکه مزایایی مانند مقاومت در برابر حرکت، تعریق و قابلیت استفاده مجدد را نیز ارائه می دهد.
Ⅱ. پردازش و آزمایش: نه تنها سبک است، بلکه با MRI و برنامههای{1}}راهآهن با سرعت بالا نیز سازگار است.
برای تأیید عملکرد جامع الکترود، محققان آزمایشهای تجربی را در ابعاد مختلف از جمله خواص مواد، عملکرد جذب سیگنال فیزیولوژیکی، زیست سازگاری و سازگاری با MRI انجام دادند.
ابتدا، در ساخت الکترود، محققان از فناوری میکرومولدینگ و حامل هیدروژل استفاده کردند تا اطمینان حاصل کنند که آرایه میکروسوزن قابلیت سوراخکاری را حفظ میکند و در عین حال انعطافپذیری عالی را برای جلوگیری از آسیب پوست حفظ میکند. سطح با مواد MXene درمان شد، که اجازه می دهد تا ضخامت قابل کنترلی از لایه رسانا ایجاد شود، که هم پایداری ساختاری و هم قابلیت های ضبط سیگنال بالا را به دست می آورد.
در طول مرحله آزمایش سیگنال، تیم الکترود را روی یک الگوی مشترک مغزی-رایانه رابط رایانه اعمال کرد: حالت پایدار{1}}پتانسیل برانگیخته بصری (SSVEP). SSVEP در حال حاضر یکی از پایدارترین و دقیق ترین منابع سیگنال در BCIهای غیر تهاجمی-است و به طور گسترده در سناریوهایی مانند ورودی املا و کنترل ربات استفاده می شود. نتایج آزمایش نشان داد که این الکترود میکروسوزن به دقت قابل مقایسه ای در اکتساب سیگنال SSVEP با الکترودهای ژل سنتی دست یافت و حتی در محیط های پر سر و صدا و با حداقل حرکت، پایدارتر عمل کرد.
قابل ذکر است، تیم تحقیقاتی همچنین سازگاری الکترود را با تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) ارزیابی کرد و هیچ اثر قابل توجهی یا گرمایش غیرعادی در میدانهای مغناطیسی بالا پیدا نکرد که پتانسیل آن را برای استفاده در آینده در اکتساب EEG همزمان در طول تصویربرداری بالینی عملکرد مغز نشان میدهد. علاوه بر این، آزمایش زیست سازگاری نشان داد که پوشیدن طولانی مدت باعث التهاب یا واکنش های پوستی نمی شود و آن را برای نظارت بالینی روزانه یا مداوم مناسب می کند.
Ⅲ. شروعی جدید به سمت BCIهای "صفر-حسگر".
بزرگترین اهمیت این تحقیق در پیشرفت آن در مبادله{0}} بین راحتی و عملکرد در الکترودهای EEG سنتی است. این الکترود با ترکیب رسانایی بالای مواد MXene با خواص نفوذی ساختار میکروسوزن، به EEG با کیفیت بالا و طولانیمدت بدون نیاز به ژل دست مییابد و پایه و اساس ورود دستگاههای BCI را به عصر «پوشیدنی» میگذارد.
در آینده، ما پیشبینی میکنیم که این الکترودهای میکروسوزن با ماژولهای ارتباط بیسیم، تقویتکنندههای کوچک و تراشههای هوش مصنوعی لبهای برای ایجاد یک سیستم رایانهای-و{1}}مغز بازی{2}} یکپارچه شوند که مانند یک ساعت هوشمند در زندگی روزمره ادغام شود. علاوه بر این، ممکن است طیف وسیع تری از کاربردهای پزشکی، از جمله توانبخشی عصبی، هشدار صرع، و نظارت بر خواب را نیز داشته باشد. برای صنعت رابط کامپیوتری مغز، این به این معنی است که "آخرین مایل" از آزمایشگاه تا بازار در حال پل زدن است.