肌電信號(hào)是肌肉收縮過(guò)程中產(chǎn)生的電動(dòng)作電位。這些信號(hào)包含從大腦發(fā)送來(lái)控制特定運(yùn)動(dòng)的神經(jīng)信息，使它們可用作受過(guò)訓(xùn)練的截肢者控制假肢的輸入源。通過(guò)放置在殘肢皮膚上的非侵入式電極，可以記錄肌電信號(hào)。然而，這些信號(hào)變化很大，通常會(huì)根據(jù)肌肉的最大自主收縮 (MVC) 進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。對(duì)于手指和手腕運(yùn)動(dòng)等精細(xì)而靈巧的運(yùn)動(dòng)，肌肉收縮低于 10% MVC。挑戰(zhàn)在于，這些運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的肌電信號(hào)經(jīng)常失真且信噪比低，因?yàn)閭鹘y(tǒng)電極不能有效地與截肢者的皮膚結(jié)合。結(jié)果，被截肢者經(jīng)常被迫使用更強(qiáng)的肌肉收縮（超過(guò) 10% MVC），以觸發(fā)對(duì)微弱但精細(xì)的手指運(yùn)動(dòng)信號(hào)的識(shí)別。截肢者的肌肉收縮和假肢運(yùn)動(dòng)之間的這種不匹配會(huì)導(dǎo)致不適、出汗過(guò)多、皮膚刺激，并最終導(dǎo)致假肢排斥。為了解決這種不匹配并讓截肢者更精確地控制他們的假肢，需要改進(jìn)檢測(cè)低水平肌電信號(hào)（尤其是那些低于 10% MVC 的信號(hào)）。
為了克服這一挑戰(zhàn)，來(lái)自浙江大學(xué)、電子科技大學(xué)和新加坡南洋理工大學(xué)的學(xué)者開發(fā)出一種稱為分子錨定的新策略，以驅(qū)動(dòng)疏水分子有效地與角質(zhì)層相互作用并嵌入角質(zhì)層，形成離子通量和電流之間的高耦合區(qū)域。使用疏水性聚（N-乙烯基己內(nèi)酰胺）凝膠產(chǎn)生了 20 kΩ 的界面阻抗，是商用丙烯酸電極的 1/100，允許檢測(cè)超低人肌電信號(hào)（~1.5% MVC）的極限。借助這種分子錨定技術(shù)，截肢者可以更靈活地操作假肢，因?yàn)轭A(yù)測(cè)幻肢手指和手腕運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確率為97.6%。當(dāng)截肢者通過(guò)精確靈巧的肌電控制完成日常任務(wù)時(shí)，這種策略為舒適的人機(jī)界面提供了潛力。相關(guān)文章以“Enhancing Prosthetic Control through High-Fidelity Myoelectric
Mapping with Molecular Anchoring Technology”標(biāo)題發(fā)表在Advanced
Materials。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202301290
圖 1. 凝膠電極與角質(zhì)層相互作用的分子動(dòng)力學(xué)模擬。 a) 示意圖顯示嵌入角質(zhì)層的離子導(dǎo)電凝膠電極——皮膚的最頂層（左）。b) PMF隨滲透深度的變化。c) 分子模擬顯示 PVCL 在 5 種單體（PVCL、PVP、丙烯酸、DOPA 和藻酸鹽）中與脂質(zhì)基質(zhì)的相互作用最大。
圖 2. 五種凝膠在仿生皮膚中的動(dòng)態(tài)滲透過(guò)程。 a-c) Sz 的細(xì)節(jié)取決于 310 K、340 K 和 360 K 的時(shí)間。a） 的插圖描述了角度 θ 的選擇方法，它決定了 Sz 的值。d-e) 共聚焦顯微鏡圖像顯示 PVCL 錨定在仿生皮膚中，深度為 3.07 μm (d)，而藻酸鹽 (e) 未見(jiàn)錨定。仿生皮膚用羅丹明 6g（紅色）染色，凝膠用 Alexa 488（綠色）染色。 f) 定量測(cè)量顯示 PVCL 在 5 種單體中最深地固定在仿生皮膚中。
圖 3. 五個(gè)凝膠電極的電氣特性。 a) 由 PDMS 基板和絕緣體以及Cr/Ag/Au 金屬觸點(diǎn)組成的凝膠電極的照片（左）和示意圖（右）。 b) 從使用仿生皮膚的標(biāo)準(zhǔn) 90° 剝離測(cè)試中獲得的不同電極的粘附力。c) 圖形顯示人體皮膚上各種電極在 1 Hz 至 105 Hz 范圍內(nèi)的阻抗。 d) 比較本研究的 PVCL 電極與不同電極的阻抗和粘附力。 e) PVCL 電極 (~1.5% MVC) 在人體皮膚上的記錄極限接近人體肌肉收縮的下限 (~1% MVC)。f) 在人體皮膚上記錄低水平 (1.7% MVC) 肌電信號(hào)時(shí)，PVCL 電極的 SNR 在 5 個(gè)電極中是最好的 (>
5)。傳統(tǒng)識(shí)別系統(tǒng)要求 SNR> 5。
圖 4.靈巧的肌電控制。 a) 本研究在截肢手臂上的肌電假體控制系統(tǒng)的照片。b) 使用 n = 16 通道的 PVCL 電極陣列從截肢者的尺側(cè)腕伸肌獲得的肌電信號(hào)的實(shí)時(shí)像素圖像（左；尺寸 1×16×200 ms）。c) 受 b所示的 MAV 注意力塊（紅色矩形；中間）影響的肌電像素圖像（左）返回特征映射（右），可以預(yù)判實(shí)時(shí)肌電圖，理論上將識(shí)別時(shí)間從 200 ms 減少到 20多發(fā)性硬化癥。 d) 使用 PVCL 電極獲得的低水平(≤ 20% MVC) 肌肉收縮的 G1 至 G6 手指和手腕運(yùn)動(dòng)的混淆矩陣表明 CNN 算法具有很高的準(zhǔn)確性 (97.6%)。e) CNN 對(duì)低級(jí) (≤ 20 MVC; -L) 和高級(jí) (≥20 MVC; -H) 信號(hào)的識(shí)別精度。 f) 照片顯示肘部以下截肢者的肌電控制駕駛機(jī)器人汽車（假肢）的手臂抓住蠟燭（直徑 1.5 厘米）并將其放入孔（2 厘米）中。
總之，本研究提出了一種策略，通過(guò)開發(fā)錨定在 SC 中的 PVCL 凝膠電極來(lái)提高低水平肌電信號(hào)的檢測(cè)和保真度。這種牢固的錨定增強(qiáng)了離子電子耦合，并最大限度地減少了截肢皮膚的阻抗（低至 20 kΩ）。本研究的電極的整體機(jī)械和電氣性能超過(guò)其他凝膠電極，可以檢測(cè)到接近人類極限的超低 (1.5% MVC) 肌電信號(hào)。本研究設(shè)計(jì)了一種基于 CNN 的映射識(shí)別算法，使用本研究的 PVCL 電極獲得的肌電信號(hào)能夠以 97.6% 的準(zhǔn)確度對(duì)預(yù)期的手指和手腕運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分類和預(yù)測(cè)。憑借如此高保真信號(hào)和分類準(zhǔn)確性，我們的系統(tǒng)使截肢者能夠用手指靈巧地驅(qū)動(dòng)假肢。此類精細(xì)動(dòng)作有望改善依賴假肢完成日常任務(wù)的截肢者的生活質(zhì)量（文：SSC）
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