新型传感器将改变大脑控制的机器人技术

Francesca Iacopi 教授是纳米电子学和材料方面的专家。Credit: Andy Roberts

悉尼科技大学(Universityof Technology Sydney)研究人员开发的一种新型碳基生物传感器将推动大脑控制机器人技术的新创新。该项关于生物传感器的研究已于近日发表在《Journal of Neural Engineering》上。

该生物传感器由FrancescaIacopi教授和她的团队开发，它附着在面部和头部的皮肤上，以检测大脑发送的电信号。然后可以将这些信号转换为控制自主机器人系统的命令。

该传感器由外延石墨烯（epitaxial graphene）制成——本质上是多层非常薄、非常坚固的碳——直接生长在硅基碳化硅衬底上。它一种高度可扩展的新型传感技术，克服了基于石墨烯的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（它的生物相容性和导电性都很好）与最好的硅技术相结合，这使我们的生物传感器非常有弹性和坚固耐用。”

(a)外延石墨烯电极的示意图，原始外延石墨烯的表征(b)原始条件下EG表面的SEM图像，(c) EDS定量分析。(d)外延石墨烯在100µm2范围内的平均拉曼光谱。

石墨烯是一种经常用于生物传感器开发的纳米材料。然而，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。

(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 电极安装方法示意图。 (c) 皮肤 EIS 测量的等效电路图。 (d) 前臂 EG 传感器的皮肤 EIS 设置。

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。

(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，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的地图，(c)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。

Iacopi教授表示:“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。”

“这意味着大脑发送的电信号可以被可靠地收集起来，然后显著放大，传感器也可以在恶劣条件下可靠地使用，从而增强了它们在脑机接口上的应用潜力。”

内容来源:

Shaikh Faisal et al, Non-invasive on-skin sensors for brain machine interfaces with epitaxial graphene, Journal of Neural Engineering (2021).

iopscience.iop.org/article/10.1088/1741-2552/ac4085

https://techxplore.com/news/2021-12-sensors-revolutionise-brain-controlled-robotics.html