澳大利亚科学家开发出可用于脑机接口的新型碳基生物传感器

Posted 2022-05-01 脑机接口社区

澳大利亚悉尼科技大学的科学家团队开发出一种新型碳基生物传感器，该传感器由外延石墨烯制成，作为一种碳基材料，可以直接种植在硅基碳化物基板上。研究人员将石墨烯的优点（生物相容性和导电性）与硅技术的优点结合起来，这使得新开发的生物传感器具有很强的弹性和稳定性。与商用干电极相比，该传感器可以极大地减少皮肤接触电阻（即传感器和皮肤之间的电信号阻力），由此可以减少脑电信号在传导过程中的损耗。此外，该传感器优越的鲁棒性，可在高盐环境中长期重复使用。

生物传感器是脑控机器人和脑机接口领域的重要器件，通常贴在面部或头部皮肤上以检测源自大脑的电信号。

来自澳大利亚悉尼科技大学的科学家团队开发出一种新型碳基生物传感器，可能将推动脑控机器人和脑机接口技术的革新，相关内容以题为“Non-invasive on-skin sensors for brain machine interfaces with epitaxial graphene”发表在《Journal of Neural Engineering》杂志。

该传感器由外延石墨烯制成——本质上是多层非常薄、非常强的碳——直接生长在硅衬底上的碳化硅上。其结果是一种高度可扩展的新型传感技术，克服了石墨烯生物传感的三大挑战:腐蚀、耐用性和皮肤接触电阻。

Iacopi教授表示:“我们已经能够将最好的石墨烯与最好的硅技术结合起来，石墨烯具有非常好的生物相容性和导电性，这使得我们的生物传感器非常有弹性和耐用。”

石墨烯是一种常用于生物传感器开发的纳米材料。到目前为止，许多此类产品都是作为一次性应用开发的，而且由于与皮肤上的汗水和其他形式的水分接触，容易出现分层。

相比之下，UTS 生物传感器可以长时间使用并多次重复使用，即使在高盐环境中也是如此——这是前所未有的结果。此外，该传感器已被证明可以显着降低所谓的皮肤接触电阻，其中传感器和皮肤之间的非最佳接触会阻碍对来自大脑的电信号的检测。

图1.(a)外延石墨烯电极的示意图，生长在高度掺杂硅上的立方碳化硅上，用作脑电图传感器。原始外延石墨烯的表征(b)原始条件下EG表面的SEM图像。© EDS定量分析。(d)外延石墨烯在100µm2范围内的平均拉曼光谱。

图 2. (a) 外延石墨烯传感器安装在带有碳带的金属针按钮上； (b) 示意图显示了将 EG 电极安装为传感器的方法。 © 皮肤 EIS 测量的等效电路图; (d) 前臂上 EG 传感器的皮肤 EIS 设置。

Iacopi教授说:“使用我们的传感器，当传感器接触到皮肤时，接触电阻会提高。”

随着时间的推移，我们能够将初始接触电阻降低 75% 以上。

“这意味着可以可靠地收集大脑发送的电信号，然后显着放大，并且传感器也可以在恶劣的条件下可靠地使用，从而增强它们在脑机接口中的应用潜力。”

图3.(a)使用EG传感器工作时，额头皮肤上的EIS Nyquist图，Ag/AgCl作为参考电极，金作为对电极，用弹性头带附着在皮肤表面(插图)，(b)显示头盔上使用的传感器位置地图，©采用外延石墨烯(EG)、商用引脚和商用泡沫传感器采集前额两个通道的信号的比较;(d)头盔系统安装的传感器的皮肤阻抗值的比较。

这项研究是一项更大合作的一部分，目的是研究如何利用脑电波来指挥和控制自动驾驶汽车。该项研究由Iacopi教授和教授Chin-Teng Lin之间合作的。Iacopi教授在纳米技术和电子材料方面的工作在国际上享有声誉，而悉尼科技大学特聘教授Chin-Teng Lin则是脑机接口领域的领军人物。

总之，这种可扩展性强的新型生物传感器传，克服了生物传感技术的三大挑战：耐腐蚀性、耐用性和皮肤接触电阻，使得它在脑控机器人和脑机接口领域的应用前景非常广阔。

如果成功，该研究将生产微型化、定制的石墨烯传感器，这种传感器有可能应用于国防环境和其他领域。