» » Графеновый биосенсор будет способствовать инновациям в робототехнике, управляемой мозгом

Графеновый биосенсор будет способствовать инновациям в робототехнике, управляемой мозгом

25


Надежный датчик: Франческа Якопи и ее коллеги разрабатывают новый биосенсор на основе графена для обнаружения электрических сигналов от мозга. (Предоставлено: Технологический университет Сиднея/Энди Робертс)

Интерфейсы мозг-машина обеспечивают мост между человеческим мозгом и внешним программным или аппаратным обеспечением. Такие системы обнаруживают электрические сигналы мозга и преобразуют их в команды для электронных систем, таких как компьютер или роботизированная рука. Нейронные сигналы можно собирать неинвазивно с помощью электродов электроэнцефалографии (ЭЭГ), прикрепленных к коже головы.


Недавно исследователи разработали датчики ЭЭГ, изготовленные из графена, который обладает отличной проводимостью и биосовместимостью. Однако биосенсоры на основе графена часто имеют низкую долговечность, разъедают при контакте с потом и обладают высоким импедансом при контакте с кожей, что затрудняет обнаружение сигналов от мозга. Новый биосенсор на основе графена, разработанный в Технологическом университете Сиднея , призван преодолеть эти ограничения, обнаруживая сигналы ЭЭГ с высокой чувствительностью и надежностью — даже в среде с высоким содержанием солей.


Датчик, описанный в Journal of Neural Engineering , изготовлен из эпитаксиального графена (EG), выращенного на подложке из карбида кремния (SiC) на кремнии. Эта структура объединяет благоприятные свойства графена с физической прочностью и химической инертностью карбида кремния.


«Мы смогли объединить лучшее из графена, который очень биосовместим, очень проводящий, с лучшими технологиями кремния, что делает наш биосенсор очень устойчивым и надежным в использовании», — говорит старший автор Франческа Якопи в заявлении для прессы.


Тестирование производительности


Для создания нового биосенсора Якопи и его коллеги использовали высоколегированные кремниевые подложки, покрытые пленкой кубического SiC толщиной примерно 500 нм; затем они наносили слои ЭГ непосредственно на поверхность SiC. Они изготовили пять датчиков на основе ЭГ и протестировали каждый более 10 раз.


Исследователи сначала охарактеризовали пленки SiC и EG-on-SiC в трехэлектродной ячейке, используя в качестве электролита 0,1 М раствор соли (для имитации пота). Они использовали спектроскопию электрохимического импеданса (EIS) для количественной оценки импеданса передачи между электродами и электролитом. Кривые EIS показали улучшенный импеданс переноса ЭГ после 100 циклов по сравнению как с начальным циклом ЭГ, так и с эталонными пленками SiC.


Чтобы оценить датчик ЭГ для применения на коже, команда измерила импеданс контакта с кожей, который оказывает решающее влияние на работу датчиков ЭЭГ. Датчик устанавливали на штырьковый разъем и помещали на предплечье добровольца в конфигурации с тремя электродами. Измерения EIS на коже показали, что контактное сопротивление между графеновыми датчиками и кожей резко уменьшилось после повторного тестирования.


В то время как датчики ЭГ не показали особенно низкого импеданса контакта с кожей в первом тесте, к третьему последовательному тесту он резко снизился, стабилизировавшись на уровне 130 ± 10 кОм при 50 Гц. Исследователи отмечают, что это значение намного ниже, чем у двух коммерческих сухих датчиков ЭЭГ, протестированных в той же конфигурации: датчик с подпружиненным штифтом и датчик из проводящей пены, которые показали импеданс контакта с кожей около 830 и 665 кОм соответственно.


«С нашим датчиком контактное сопротивление улучшается, когда датчик находится на коже», — объясняет Якопи. «Со временем нам удалось добиться снижения более чем на 75 % исходного контактного сопротивления. Это означает, что электрические сигналы, посылаемые мозгом, могут быть надежно собраны, а затем значительно усилены, и что датчики также можно надежно использовать в суровых условиях, тем самым повышая их потенциал для использования в интерфейсах мозг-машина».


Исследователи связывают это улучшение после длительного контакта с кожей с образованием кислородных функциональных групп на границах зерен графена, что приводит к образованию тонкого слоя физосорбированной воды, покрывающего зерна. Они называют это недавно наблюдаемое явление «кондиционированием поверхности», отмечая, что эффект является последовательным и повторяемым, противодействуя естественной гидрофобности графена для обеспечения лучшего контакта с кожей.


Тесты датчиков ЭГ при контакте с тканью, пропитанной физиологическим раствором, показали такое же поведение, как и при контакте с кожей, но стабилизировались при гораздо более низких значениях контактного импеданса (6,5 ± 0,5 кОм при 50 Гц). Команда предполагает, что присутствие солевого раствора на границе раздела между графеновыми электродами и их контактами (кожей или тканью) полезно для снижения общего контактного импеданса и усиливает эффект кондиционирования поверхности.


Датчики ЭЭГ обычно обнаруживают сигналы от мозга с помощью электродов, размещенных над головой. Чтобы проверить пригодность датчиков ЭГ для сбора сигналов ЭЭГ, исследователи поместили датчик ЭГ на лоб добровольца. Импеданс контакта с кожей на лбу составил 90 ± 5 кОм при 50 Гц, что ниже, чем на предплечье.


Использование эластичного оголовья для плотного удержания датчиков на лбу еще больше снизило импеданс контакта с кожей до 44 ± 4 кОм при 50 Гц. Команда объясняет это более плотным контактом сенсора с кожей, более твердой контактной поверхностью на лбу и выделением пота под оголовьем.


Наконец, исследователи установили датчики ЭЭГ на основе ЭГ в систему шлема с интерфейсом мозг, содержащую восемь каналов, подключенных к датчикам пены, заменив два канала на лбу датчиками ЭГ. Сенсоры EG продемонстрировали мигающий сигнал, аналогичный коммерческим сенсорам пены, что указывает на потенциал их использования в будущих приложениях, управляемых мозгом.


Якопи и его коллеги пришли к выводу, что ЭГ, изготовленный на подложках SiC-на-кремнии, может создавать прочные и надежные электроды с низким контактным импедансом для интерфейсов мозг-машина. Они отмечают, что эффект кондиционирования поверхности можно использовать для разработки процедуры предварительного кондиционирования, которая еще больше оптимизирует работу сенсора.

https://physicsworld-com.translate.goog/a/graphene-biosensor-will-drive-new-innovations-in-brain-controlled-robotics/?_x_tr_sl=auto&_x_tr_tl=ru&_x_tr_hl=ru

новости | Ошибка? Вторник,1:55 0 Просмотров:65
Другие новости по теме:
Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.
Информация
Посетители, находящиеся в группе Гости, не могут оставлять комментарии к данной публикации.