Thiết bị thu thập EEG truyền thống rất cồng kềnh, phụ thuộc vào gel dẫn điện và dễ bị nhiễu. Để công nghệ giao diện máy tính (BCI) não bộ thực sự trở thành một phần của cuộc sống hàng ngày, những đổi mới phải bắt đầu ngay từ đầu. Gần đây, một nhóm do Nhà nghiên cứu Liu Ran và Giáo sư Gao Xiaorong từ Trường Kỹ thuật Y sinh tại Đại học Tsinghua dẫn đầu đã công bố một thành tựu quan trọng trên tạp chí Vật liệu & Giao diện Ứng dụng ACS: họ đã phát triển điện cực microneedle dựa trên MXene-không chỉ cho phép thu tín hiệu EEG chất lượng cao-trong môi trường phức tạp mà còn mang lại những ưu điểm là không chứa gel, có thể đeo được và có khả năng tương thích cao. Điện cực mới này mở đường cho các thiết bị BCI trở nên phổ biến.
Ⅰ. Một "Bản vá não" thông minh hơn
Các thiết bị điện não đồ (EEG) truyền thống thường sử dụng điện cực ướt-gel. Mặc dù chúng cung cấp chất lượng tín hiệu ổn định nhưng chúng có thể cồng kềnh khi sử dụng, có thể gây kích ứng da và dễ bị nhiễu. Trong những năm gần đây, điện cực khô đã nổi lên như một giải pháp thay thế, nhưng việc cân bằng sự thoải mái, chất lượng tín hiệu và tính dễ đeo là một thách thức dai dẳng trong khoa học vật liệu và kỹ thuật thần kinh.
Nhóm nghiên cứu này đã sử dụng MXene (một loại vật liệu cacbon hai chiều) làm lõi dẫn điện và kết hợp nó với cấu trúc vi kim để thiết kế một điện cực EEG khô có kích thước chỉ 1 milimet vuông. MXene gần đây đã thu hút được sự chú ý rộng rãi nhờ tính dẫn điện, tính linh hoạt và khả năng tương thích sinh học tuyệt vời của nó. Mảng microneedle cho phép điện cực "dễ dàng xuyên qua" lớp bề mặt của da, lớp sừng, loại bỏ nhu cầu cạo râu hoặc bôi gel, đồng thời cho phép thu được tín hiệu EEG có trở kháng thấp, tín hiệu -cao trên-nhiễu. Cấu trúc này không chỉ cải thiện đáng kể độ ổn định tiếp xúc giữa điện cực và da đầu mà còn mang lại những ưu điểm như khả năng chống chuyển động, mồ hôi và khả năng tái sử dụng.
Ⅱ. Xử lý và kiểm tra: Không chỉ nhẹ mà còn tương thích với MRI và các ứng dụng-đường sắt tốc độ cao.
Để xác minh hiệu suất toàn diện của điện cực, các nhà nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm trên nhiều khía cạnh, bao gồm đặc tính vật liệu, hiệu suất thu tín hiệu sinh lý, khả năng tương thích sinh học và khả năng tương thích MRI.
Đầu tiên, trong chế tạo điện cực, các nhà nghiên cứu đã sử dụng công nghệ đúc khuôn vi mô và chất mang hydrogel để đảm bảo mảng kim siêu nhỏ duy trì khả năng đâm thủng đồng thời duy trì tính linh hoạt tuyệt vời để ngăn ngừa tổn thương da. Bề mặt được xử lý bằng vật liệu MXene, cho phép kiểm soát độ dày của lớp dẫn điện, đạt được cả độ ổn định về cấu trúc và khả năng thu tín hiệu cao.
Trong giai đoạn kiểm tra tín hiệu, nhóm đã áp dụng điện cực vào mô hình giao diện máy tính-não thông thường: điện thế gợi lên thị giác ở trạng thái ổn định (SSVEP). SSVEP hiện là một trong những nguồn tín hiệu ổn định và chính xác nhất trong BCI không-xâm lấn và được sử dụng rộng rãi trong các tình huống như nhập chính tả và điều khiển robot. Kết quả thử nghiệm cho thấy điện cực microneedle này đạt được độ chính xác tương đương trong việc thu tín hiệu SSVEP so với điện cực gel truyền thống và thậm chí còn hoạt động ổn định hơn trong môi trường ồn ào và ít chuyển động.
Đáng chú ý, nhóm nghiên cứu cũng đánh giá khả năng tương thích của điện cực với chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI), không tìm thấy thành phần giả đáng kể hoặc sự nóng lên bất thường trong từ trường cao, cho thấy tiềm năng sử dụng của nó trong tương lai trong việc thu thập EEG đồng bộ trong quá trình chụp ảnh chức năng não lâm sàng. Hơn nữa, thử nghiệm tương thích sinh học đã chứng minh rằng việc đeo trong thời gian dài không gây viêm hoặc phản ứng da, khiến nó phù hợp để theo dõi lâm sàng hàng ngày hoặc liên tục.
Ⅲ. Một khởi đầu mới hướng tới BCI "Không{1}}cảm biến"
Ý nghĩa lớn nhất của nghiên cứu này nằm ở bước đột phá trong việc cân bằng-giữa sự thoải mái và hiệu suất của các điện cực EEG truyền thống. Bằng cách kết hợp độ dẫn điện cao của vật liệu MXene với đặc tính xuyên thấu của cấu trúc microneedle, điện cực này đạt được khả năng thu thập EEG lâu dài,-chất lượng cao- mà không cần gel, đặt nền tảng cho các thiết bị BCI thực sự bước vào kỷ nguyên "thiết bị đeo".
Trong tương lai, chúng tôi dự đoán rằng các điện cực microneedle này sẽ được tích hợp với các mô-đun giao tiếp không dây, bộ khuếch đại thu nhỏ và chip AI biên để tạo ra hệ thống máy tính-}não-cắm là chạy-, được tích hợp vào cuộc sống hàng ngày giống như một chiếc đồng hồ thông minh. Hơn nữa, nó cũng có thể phục vụ nhiều ứng dụng y tế hơn, bao gồm phục hồi chức năng thần kinh, cảnh báo động kinh và theo dõi giấc ngủ. Đối với ngành công nghiệp giao diện máy tính-não bộ, điều này có nghĩa là "chặng cuối" từ phòng thí nghiệm đến thị trường đang được bắc cầu.