В Китае создали электроды для управления компьютером силой мысли с точностью более 94%
Китайские исследователи разработали новые электроды для регистрации электрической активности мозга, которые сохраняют устойчивую работу более восьми часов даже во время повседневных занятий. При испытаниях интерфейса «мозг — компьютер» доброволец смог набирать символы на виртуальной клавиатуре с точностью выше 94% на протяжении 14-часового эксперимента. Разработка может сделать подобные устройства удобнее для длительного использования вне лабораторий.
Исследование провели специалисты Университета Гуанси, Медицинского университета Гуанси и Университета Цинхуа. Учёные разработали адаптивный электрод AGE из гидрогеля — мягкого материала, содержащего большое количество воды и способного проводить электрические сигналы.
Обычные неинвазивные нейроинтерфейсы используют электроды, закреплённые на коже головы. Для улучшения контакта часто применяется специальный проводящий гель, который постепенно высыхает. Через несколько часов качество сигнала может ухудшаться, а движения головы дополнительно вызывают помехи из-за смещения жёстких электродов. Это затрудняет продолжительную регистрацию электроэнцефалограммы (ЭЭГ).
Новая конструкция решает обе проблемы за счёт неоднородной структуры материала. Часть электрода, соприкасающаяся с кожей, остаётся мягкой и подстраивается под её поверхность, тогда как противоположная сторона обладает большей жёсткостью для надёжного соединения с электроникой. Кроме того, внутри гидрогеля сформированы поры разного размера, обеспечивающие постепенное выделение электролита и сохранение электрического контакта.
Для изготовления электродов исследователи использовали температурный градиент и несколько циклов замораживания и оттаивания. Благодаря разной скорости формирования полимерных связей материал приобрёл необходимое распределение жёсткости. В состав также включили проводящий полимер PEDOT и серебряные наноструктуры, улучшающие электрические характеристики. Предложенная технология позволяет одновременно изготавливать до 300 электродов различных размеров.
Готовые элементы установили в коммерческую шапочку для регистрации ЭЭГ с восемью каналами. Во время одного эксперимента доброволец носил её восемь часов, занимаясь обычными делами: ходил, ел, читал и спал. На протяжении испытания система продолжала регистрировать электрические сигналы мозга. В другом эксперименте качество работы проверяли в течение 14 часов, проводя измерения в состоянии покоя и при выполнении заданий.
Одно из заданий заключалось в наборе символов на виртуальной клавиатуре. Человек смотрел на нужные цифры, которые мерцали с определённой частотой, а компьютер анализировал возникавшие при этом электрические реакции зрительной коры. Даже после продолжительного использования точность распознавания оставалась выше 94%. В другом задании участник выбирал объекты на экране по движущимся зрительным стимулам, и точность превышала 90%.
Для сравнения исследователи использовали обычные гелевые электроды. По мере высыхания контактного состава качество их сигналов заметно ухудшалось, а через четыре-пять часов отдельные каналы становились практически непригодными для использования. Новые гидрогелевые элементы сохраняли более стабильные характеристики благодаря постоянному контакту с кожей и постепенному выделению электролита.
Перед испытаниями на людях учёные также проверили биосовместимость материала на мышах и не обнаружили выраженных нежелательных реакций. Однако проведённые эксперименты пока не подтверждают пригодность устройства для многодневного непрерывного использования или медицинской диагностики.
В перспективе такие электроды могут применяться в системах управления компьютерами без движений рук, длительном наблюдении за активностью мозга и исследованиях сна. Разработчики также рассматривают возможность их использования в устройствах мониторинга пациентов с неврологическими заболеваниями. Для практического внедрения предстоит проверить долговечность материала, удобство повторного использования и надёжность работы у большего числа людей.
Исследование в журнале npj Flexible Electronics.