在海洋中，海星能够利用其管足在水下的岩石上行走，即连续粘附和脱离。其中海星纲动物的管足具有扁平的吸盘状结构，通过分泌粘附蛋白实现水下粘附。因此，本工作中设计了一种受海星管足结构启发的STFH电极，包括外部硅胶吸盘、内部微溶胀水凝胶和Ag/AgCI电极底座。微溶胀水凝胶DAT的制备包括DMAEA-cO-AA水凝胶的合成、冷冻干燥、以及在TA溶液中浸泡改性三个步骤。防水硅胶吸盘部分隔离了外部水环境和水凝胶，通过负压以及利用水凝胶的微溶胀与吸盘的相互作用增强电极与皮肤的水下接触，以满足水下持续高质量采集肌电信号的需求。

图1. 仿海星管足水下肌电电极设计示意图

图2. DAT水凝胶的电学性能与抗溶胀性能。a) DAT水凝胶的离子电导率，b) DAT水凝胶的皮肤接触阻抗，c) 10 Hz和100 Hz下DAT水凝胶和商用凝胶的接触阻抗，d) DAT水凝胶和商用凝胶接触阻抗的Nyquist图，e) DAT水凝胶与原始水凝胶的溶胀率，f) DAT水凝胶与原始水凝胶的溶胀情况，g) 浸泡一小时前后DAT水凝胶的剪切强度，h) 浸泡一小时前后DAT水凝胶的离子电导率，i) 浸泡一小时前后DAT水凝胶的压缩模量。

图3. 电极下压过程力学仿真模拟。a) 干燥状态下的模拟模型，b) 干燥状态压缩时的 Von Mises 应力分布以及电极的照片，c) 压缩时皮肤接触区域的应力分布以及猪皮的照片，d) 溶胀状态下的模拟模型，e) 溶胀状态压缩时的 Von Mises 应力分布以及电极的照片，f) 溶胀时皮肤接触区域的应力分布以及猪皮的照片，g) 干燥状态在水凝胶上沿标记路径选择节点，h) 溶胀状态在水凝胶上沿标记路径选择节点，i) 水凝胶压力-位置分布图。

图4. 水下 sEMG 信号采集以及采集系统集成。a) 水下 sEMG 信号采集实验装置，b) 商业电极、DAT-200 水凝胶电极和STFH电极在 1 小时内记录的 sEMG 信号，c) STFH电极记录的 sEMG 信号的时频图，d) 不同电极在不同工作时长下的SNR和 e) 基线噪声，f) 水下电机噪声干扰实验装置，g) 三种电极记录的 sEMG 信号以及 h)干扰下的SNR，i) 将STFH电极与魔术贴、博睿康无线肌电采集系统集成，j) 与自研无线肌电采集腕带集成。

以上成果近期以“Starfish tube feet inspired hydrogel electrode for durable underwater sEMG acquisition”为题，发表在《 Chemical Engineering Journal》期刊。第一作者为西北工业大学本科生叶元茗；通讯作者为西北工业大学王腾蛟副教授和吉博文副教授。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.153882