水凝胶新应用，这篇Science受蜘蛛启发

结网谋生用意深，

可怜微物有机心。

世间欺夺休惊诧，

斗巧争奇古至今。

这是宋人的一首七绝诗，讲得是蜘蛛结网，伺机而动，捕捉猎物，可谓心机斗巧。小时候可能大家都好奇过，猎物上门蛛网会动，风吹雨打蛛网也会动，蜘蛛如何分辨这两种情况，免得白跑一趟空欢喜一场？研究发现，问题的关键就在蜘蛛足下，它的粘弹性角质层垫极为敏感，即使在嘈杂的刮风或下雨条件下，也能准确地分辨蛛网振动，过滤掉噪声将高频信号传递给振动感受器，让蜘蛛明白是昆虫落网（频率高于30 Hz），还是环境变化（频率低于30 Hz）。

蜘蛛结网。图片来源于网络

生物电子器件比如可穿戴器件和可植入器件，经常用于连续监测生理信号。然而使用者总是会动的，比如呼吸或行走，这些运动造成的伪影信号经常带来干扰，如果使用常规滤波器，又会导致信号丢失。如此看来，这些问题与蜘蛛所面临的问题还很有几分类似，那么，能否学习蜘蛛的策略来解决问题呢？

近日，韩国成均馆大学Tae-il Kim教授团队在Science 杂志上发表论文，他们受蜘蛛足下角质层垫启发，设计了一种基于粘弹性明胶-壳聚糖的水凝胶阻尼器，可以选择性地去除动态机械噪声伪影信号。水凝胶表现出频率依赖性相变，吸收低频噪声，而高频信号导致高分子网络振动来不及恢复，从而实现传播。这种阻尼器最大限度地减少低频噪声影响，提高信号质量，可用于脑电图和心电图等电生理信号检测，且不受患者行走或呼吸的干扰。

受蜘蛛角质层垫启发的水凝胶阻尼器。图片：ajudaily ^[1]

运动产生的噪声频率范围很宽，从0.01到近15 Hz，如呼吸（0.1~1 Hz）、心跳（0.3~4 Hz）和步态运动（1~15 Hz）等。为了消除这些噪声信号，研究者将2 mm厚的壳聚糖和明胶互穿水凝胶网络涂在传感器上，设计制备了水凝胶阻尼器。水凝胶的动态力学性能与蜘蛛角质层垫相似，模量随频率增加而增加。

如果弛豫时间小于振动周期（De<1，粘性阻尼），机械应力在下一个振动周期之前迅速恢复，则振动会被持续吸收；当频率增加到过渡点（De=1），发生剪切增稠，阻尼最大；如果松弛时间大于振动周期（De>1；弹性阻尼），这意味着应力在下一个振动周期之前不会恢复，则无法吸收，振动传播。

仿生明胶-壳聚糖水凝胶阻尼器。图片来源：Science

选择性阻尼的关键机制是基于粘弹性材料的弛豫时间，可以通过改变弛豫时间来改变阻尼曲线和传输频率，调节低频噪音的吸收范围。当聚合物链段具有更高的扩散速率时，更易完成应力恢复，从而获得快速的弛豫时间。粘弹性可以通过调节明胶分子量和水含量来控制，但为了稳定性，将浓度固定在6 wt%。温度还是粘弹性的影响因素之一，比如，将温度从27 °C升至45 °C，阻尼频率从0.89 Hz提高到51.8 Hz。

改变弛豫时间，调节阻尼曲线。图片来源：Science

研究者将制备的明胶-壳聚糖水凝胶阻尼器与市售聚合物阻尼器进行对比，以研究其选择吸收能力。由于水凝胶阻尼器存在明显相变，在过滤噪声和传递信号之间具有优异的选择性，是其他阻尼材料的20倍以上，阻尼系数比其他对比材料也大~3.35倍。

水凝胶阻尼器与其他阻尼材料对比。图片来源：Science

水凝胶阻尼器可直接应用于生物电子器件，研究者将其与超灵敏应变传感器组装在一起，放置于人体的不同位置（颈部、胸部和前额），实现了无需滤波处理的连续生物信号检测。通常，说话时颈部振动的频率超过100 Hz，而吞咽和运动引起的身体噪声频率低于30 Hz。市售阻尼器几乎无法识别声音信号和吞咽运动，相比之下，水凝胶阻尼器传感器的频谱可以清晰地显示出声音信号。

由于水凝胶阻尼器既可以用作导电电极，也可以用作阻尼材料，用于脑电图（EEG）和心电图（ECG）信号检测。将电极连接到志愿者的胸部，同时轻敲电极（7~8 Hz），参与者呼吸和行走也产生噪音（1~2 Hz）。在这种复杂的情况下，任何常规带阻滤波都是无效的，只有水凝胶阻尼器中才能检测到清晰的ECG信号。类似地，将电极连接到志愿者前额，水凝胶阻尼器能够选择性地抑制眨眼产生的噪音（~10 Hz），实现EEG信号的准确采集。

水凝胶阻尼器抗干扰，采集EEG和ECG信号。图片来源：Science

“阻尼器可以作为一种有效的生物信号收集工具，增强电子传感器组件的性能，并有效地减少不需要的外部噪声”，文章一作Byeong-hak Park说 ^[1]。该研究可提高生物检测的灵敏度，避免不必要的信号接收，为未来技术升级、选择性信号采集技术提供了可能。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Cuticular pad–inspired selective frequency damper for nearly dynamic noise–free bioelectronics

Byeonghak Park, Joo Hwan Shin, Jehyung Ok, Subin Park, Woojin Jung, Chanho Jeong, Seunghwan Choy, Young Jin Jo, Tae-il Kim 

Science, 2022, 376, 624-629. DOI: 10.1126/science.abj9912

参考文献：

[1] Researchers develop spider-inspired frequency damper for biosignal sensors

https://www.ajudaily.com/view/20220509170539824 

（本文由小希供稿）