緊貼皮膚的可穿戴電子設備對于持續健康監測和人機交互應用非常有吸引力。通常使用的凝膠電極（例如Ag/AgCl）會使人體不適，不適合連續長期監測。北卡羅萊納州立大學（North Carolina State University）聯合康奈爾大學（Cornell University）、美國空軍生命周期管理中心（Air Force Life Cycle Management Center）以及美國空軍研究實驗室（Air Force Research Laboratory）開發出可使用不同紡織工藝制造基于碳納米管（CNT）電極的方法。他們提出了使用碳納米管包裹紡織紗線（這些紗線高度貼合皮膚并測量高保真心電圖（ECG）信號）的常規編織和辮狀編織的電極設計。皮膚和電極接觸的阻抗分析揭示了尺寸相關行為。為了證明該可穿戴電子設備卓越的耐用性，研究人員設計了一種無縫編織電極，可作為腕帶佩戴。同時，他們設計的碳納米管基干電極顯示出創紀錄的高信噪比，在運動偽影的影響下也非常穩定。電極的耐久性測試顯示出其對洗滌的魯棒性（可清洗），以及可重復、可持續使用的實用性。

利用碳納米管包裹的棉和氨綸紗線，通過定制紡紗設備制造的電極如圖1a所示。首先，研究人員將兩個碳納米管陣列安裝在紡絲裝置的上料區。芯棉和氨綸紗線穿過送料筒的內管。芯棉和芯紗插入內管的直徑為0.5?cm，以適應多種紗線的紡織。為了確保順利進紗，研究人員使用了彈簧張緊系統來控制張力。對準的碳納米管薄片被引導通過放料筒上的導向器，并被致密化成帶狀。由于該碳納米管帶缺乏捻度，因此其纖維間的相互作用很低，導致強度低。然后將碳納米管片纏繞在紗芯上，并在纏繞過程中引入捻度。經纏繞和扭轉處理后，形成的芯鞘紗為圓柱形，并增加了紗線的填充密度。最后，在將紗線收集到線軸上之前，研究人員采用了1%的TPU（熱塑性聚氨酯彈性體橡膠）粘合劑（圖1b）。

圖1 碳納米管紗線和紡織品制造

不同電極的幾何形狀和表面特性如圖2a~f所示。機織物（圖2a）包含緯紗方向（水平）的碳納米管-棉-TPU紗線和經紗方向（垂直）的棉紗。織物電極具有良好的尺寸穩定性，并且結構的非彈性不會改變張力下的電阻。雖然編織電極可能適合于人體放松情況或低強度運動條件，但他不是身體運動強度較大條件的優選電極結構。此外，由于羅紋結構在應力作用下的穩定性相對較好，因此其相較針織結構，能更好地防止運動偽影。根據剪切和彎曲剛度，其舒適和耐用性的優劣順序為平針編織優于常規編制結構，而常規編制又優于辮狀編織結構。與其它報道的碳納米管-紗線心電圖電極相比，該紗線和織物電極都顯示出更高的延展性。

圖2 碳納米管紡織電極的形態和電特性

阻抗測量中使用的電極位置如圖3a所示。從手臂上收集的皮膚和電極之間的界面阻抗如圖3b所示。電極阻抗根據電極設計和尺寸而變化。所有使用的織物電極都是腕帶的形式。與常規編織和平針編織結構相比，辮狀編織結構具有相對較低的皮膚電極阻抗。常規編織電極和辮狀編織電極都顯示了電極尺寸和阻抗之間的直接關系，皮膚電極阻抗隨著電極尺寸的增加而降低（圖3c和3d）。在編織電極的情況下，由于常規編織電極包含絕緣棉紗，增大尺寸會略微降低阻抗。相反，織物電極與皮膚接觸的導電材料的量之間存在相關性。此外，接觸壓力還影響皮膚電極阻抗。與常規編織電極不同，辮狀編織電極包含所有碳納米管紗線，并顯示出電極尺寸和阻抗之間的直接相關性（圖3d）。

圖3 碳納米管紡織電極的阻抗分析

平針編織面料更柔韌，更貼合身體，這也是它們被常用于運動服和緊身衣的原因。因此，研究人員預計平針編織電極性能優于常規編織電極。電極的信噪比（SNR）如圖4g和4h所示，研究人員將其與商用電極進行了比較。電極的信噪比受電極尺寸、設計和制造方法的影響很大。信噪比隨常規編織電極尺寸的增大而減小，而隨辮狀編織電極尺寸的增大而增大。這是由于每單位的活性電極面積的變化引起的。盡管辮狀編織層1與編織層3相比電阻更高，但編織層3的高孔隙率可能會降低信噪比。然而，低電阻并不是電極在心電圖信號記錄過程中表現更好的唯一標準，并且心電圖信號是否僅取決于低皮膚電極阻抗尚不清楚。

在人體三種不同的運動條件下（分別為以2英里/小時的速度行走，以4英里/小時速度慢跑以及以6英里/小時的速度奔跑）采集的電極心電圖記錄如圖4d~f所示。峰值形狀的差異是因為測量期間電極的方向（導線與試樣的連接方式）不同導致的。在人體步行和慢跑狀態下，心電圖波形是可區分的。然而，人體隨著運動強度的增加，心電圖信號中會出現噪聲。基線漂移主要是由于接觸不穩定造成的，因為獨立式辮狀編織1和針織腕帶是在低接觸壓力下佩戴在手臂上的。另一方面，使用常規編制3的壓力帶，觀察到了相對穩定的基線。而基線漂移的輕微變化是由于呼吸導致的。與辮狀編織1相比，常規編制3和針織腕帶抗運動偽影穩定性更高。

圖4 碳納米管織物電極的心電圖傳感性能

綜上所述，研究人員通過商業紡織品制造工藝生產了多種織物結構，為干式心電圖電極提供了全面的解決方案。他們首先通過將碳納米管分別包裹在棉紗和氨綸紗線上，以芯鞘結構開發了一種可紡織加工的導電紗線。棉紗因其柔軟性、生物降解性、透氣性和低成本特性，成為最常用的紡織纖維。氨綸芯賦予紗線高拉伸性，與織物結構相結合，使其具備與皮膚超貼合的特性，并能防止變形引起的運動偽影。本文介紹了三種不同的織物結構：平針編織、常規編織和辮狀編織。每種結構都具備獨特的拉伸和舒適特性，并允許針對不同的應用場景調整屬性。例如，用于日常室內使用的織物電極可以設計為低拉伸性，而用于體育活動的電極可設計為高延展性。該織物電極不需要粘合劑或支撐結構來收集可靠的心電圖數據，并且可以像常規的基于織物的設備一樣佩戴和清洗，無需封裝。研究人員證明，在靜態和動態條件下，基于織物的電極與標準的商用Ag/AgCl（銀和氯化銀）電極記錄了類似的心電圖信號（具有相似的信噪比）。

審核編輯：郭婷