韓國成均館大學Science：仿蜘蛛頻率阻尼器！

一、【導讀】

可穿戴和植入式等先進的生物電子學設備在持續測量人體生理信號方面非常有前景。盡管最近在軟材料和柔性材料與超薄電子器件的集成方面取得的成就實現了連續監測和多功能，但此類應用通常受到動態噪聲（通常< 30 Hz）產生的信號偽影的限制。這些信號偽影包括患者運動產生的噪音，如呼吸、行走、敲擊和跑步。為了選擇性地去除這些生物信號中的動態噪聲，使用了帶通濾波等處理技術。然而，這可能會導致信息丟失，并且很難按需更改波段。而整個信號的無線傳輸，包括微型可穿戴電子設備中的噪聲，在信號處理中會受到信號延遲的影響。雖然具有減震性能的阻尼材料可能有用，但它們需要滿足生物生理學的寬或選擇性的頻率范圍要求。

二、【成果掠影】

近日，韓國成均館大學Tae-il Kim教授團隊基于蜘蛛體內的粘彈性角質層墊—選擇性地去除動態機械噪聲偽影，提出了一種非常規的帶通濾波器材料—粘彈性明膠-殼聚糖水凝膠阻尼器。水凝膠表現出與頻率相關的相變，即產生衰減低頻噪聲的橡膠態和傳輸所需高頻信號的玻璃態。這種適應性強的濾波器，能夠從患者那里采集高質量的信號，同時最大限度地減少先進生物電子學的信號處理。該論文以題為“Cuticular pad–inspired selective frequency damper for nearly dynamic noise–free bioelectronics”發表在知名期刊Science上。

三、【核心創新點】

1、殼聚糖和明膠相互滲透的水凝膠阻尼器，其動態力學性能類似于蜘蛛的角質層墊，可以實現選擇性頻率阻尼。

2、水凝膠阻尼器在27℃和45℃時的峰值阻尼能量至少是次優阻尼材料的6.7倍；水凝膠阻尼器的噪聲和目標信號之間的選擇性是其他阻尼材料的20倍以上；水凝膠阻尼器的阻尼系數也比其他阻尼材料大3.35倍以上。

3、無論機械噪聲如何，帶有水凝膠阻尼器的傳感器都可以利用選擇性機械信號目標。

四、【數據概覽】

圖一、蜘蛛角質墊中的選擇性噪聲阻尼和生物啟發的明膠水凝膠阻尼器 ? 2022 AAAS

（A）蜘蛛在跗骨和跖骨之間的粘彈性表皮墊處疊加高頻目標信號（>30 Hz）的選擇性低頻阻尼示意圖。

（B）蜘蛛墊的粘彈性特性取決于振動的施加頻率。

（C）明膠-殼聚糖水凝膠的動態機械儲存模量和tan δ隨頻率的變化。

（D）通過水凝膠阻尼器檢測來自皮膚和周圍環境的選擇性生物生理信號示意圖。

（E）與弛豫時間有關的水凝膠阻尼器中的選擇性阻尼機制。

（F）在De = 1上下殼聚糖、明膠及明膠-殼聚糖水凝膠的動態tan δ曲線。

（G）在27℃至45℃的溫度范圍內，人類機械（藍色）和電生理（橙）生物信號和機械阻尼范圍的代表性頻率范圍。

（H-I）水凝膠阻尼器電極的生物電子學示例，用于用機械噪聲測量電生理信號以及與水凝膠阻尼器合并，通過連接到藍牙模塊的基于裂紋的應變傳感器進行選擇性機械目標信號檢測。

圖二、通過調整與躍遷頻率相對應的弛豫時間來移動阻尼區域? ? 2022 AAAS

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（A）相對低溫和高溫氣氛中振動刺激后的鏈弛豫示意圖。

（B）水凝膠阻尼器的弛豫時間和轉變頻率對溫度和分子量的依賴性。

（C）在不同溫度（19、35、45℃）下的粘彈性傳遞和阻尼，通過在水凝膠層上滴下金屬球來驗證De。

（D）將水凝膠阻尼器的轉換頻率從27℃時的0.89 Hz移動到45℃時的51.8 Hz。

（E）測量參考和水凝膠阻尼器樣品的實時振動波形，分別應用于環境溫度（27℃，頂部）和45℃的氣氛（底部），頻率分別為5 Hz（紅色）、25 Hz（黃色）和100 Hz（天藍色）。

（F）在溫度從18℃至45℃的變化時，分別施加了5 Hz（紅色），25 Hz（黃色）和100 Hz（天藍色）頻率的傳輸振動的歸一化波形。

（G）在參考（灰色）和水凝膠阻尼器（紅色）中測量振動的實時波形，在環境溫度（27°C）和45°C氣氛中疊加5 Hz、25 Hz和100 Hz多個振動頻率。

（H）每個振動傳播的Morlet小波變換，在27℃傳遞以及水凝膠阻尼器在27℃和45℃傳遞。

圖三、明膠-殼聚糖水凝膠阻尼器與其他阻尼材料的阻尼性能對比? ? 2022 AAAS

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（A）水凝膠阻尼器在27℃（粉紅色）和45℃（紅色）和代表性阻尼材料。

（B）水凝膠阻尼器和其他阻尼材料的弛豫時間和過渡頻率隨溫度的變化。

（C）水凝膠阻尼器在27℃和45℃和其他阻尼材料的峰值頻率和100 Hz之間的幅度差。

（D）水凝膠阻尼器和其他阻尼材料的帶通濾波的阻尼因子。

（E）水凝膠阻尼器在27℃和45℃與其他阻尼材料的帶寬比較。

（F）水凝膠阻尼器等材料的能量阻尼圖。

圖四、水凝膠阻尼對生物生理信號進行高信噪比檢測的動態噪聲阻尼演示? ? 2022 AAAS

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（A）以水凝膠阻尼器和PDMS為參考，使用無線機械傳感演示基于頸部振動的人類語音記錄。

（B）男性聲音和吞咽動作的頻率范圍（~20 Hz）。

（C）在“Viva la vida”的發音和吞咽動作期間，沒有使用水凝膠阻尼器和使用水凝膠阻尼器測量的聽覺頻譜圖的比較。

（D）水凝膠阻尼器和參考（PDMS）的每個峰值頻率處檢測到的語音的SNR比較。

（E）水凝膠阻尼器和商用3M電極在皮膚心電圖檢測中的潛在應用。

（F）心電圖、敲擊、呼吸和步行信號的頻率范圍。

（G）使用市售3M電極測量的ECG信號，經過0.5至40 Hz的帶通濾波和額外的帶阻濾波和在機械噪聲應用下使用水凝膠阻尼器：敲擊、呼吸和行走。

（H）在10 Hz噪聲下使用致動器進行腦電圖檢測的另一個潛在應用。

（I）EEG和10 Hz驅動信號的典型頻率范圍。

（J）使用3M電極、具有以10 Hz 為中心的帶阻的商用電極和在閉眼和睜眼期間的水凝膠阻尼器對EEG信號進行小波分析。

五、【成果啟示】

使用粘彈性材料的選擇性頻率阻尼可最大限度地減少機械噪聲，并能夠在嘈雜的條件下檢測具有高SNR的生物生理信號。與機械噪聲中斷后的信號處理相比，材料本身的選擇性頻率阻尼將更有效地獲得清晰的信號。在各種環境條件下，按需設計弛豫時間的策略變得至關重要，需要在未來的工作中進一步改進。對于溫度控制，則可能需要在整個設備中增加額外的設備，并且皮膚可能會受到影響。研究團隊建議，與剛性可穿戴電子產品相比，可以用粘彈性軟材料加速不需要信號處理步驟的軟生物電子設備的實時應用。

文獻鏈接：Cuticular pad–inspired selective frequency damper for nearly dynamic noise–free bioelectronics (Science 2022, 376, 624-629)

本文由賽恩斯供稿。