東京工業大學開發了一項具有伸縮性、透濕性且兼具自行接著性之表面肌電位測量用生物體電極,係於膜厚為300~400 nm之彈性體薄膜的一側薄薄地塗覆由單層奈米碳管(SWCNT)製成之纖維狀導電材料而形成的纖維網狀物。
目前的市售設備或已研發出的穿戴式生物體電極材質堅硬、伸縮性較差、水蒸氣無法透過,因此對於皮膚的適合性仍不足夠。在此情況下,對於可因應身體動作,不受限於皮膚變形而可自由伸縮,且具有透濕性、無需接著劑仍可適應皮膚表面的凹凸或柔軟度的穿戴式生物體電極開發有其需求。
在此次研究中,為了取得與皮膚的附著力、伸縮性、透濕性及導電性之間的平衡,東京工業大學採用疏水性SWCNT製成的奈米纖維網絡結構做為導電層,並使用超薄彈性體薄膜做為支撐層,開發了具有雙層結構的導電性伸縮超薄膜。
研究團隊利用凹版塗佈法製作了厚度約360 nm的超薄彈性體薄膜,並以相同的塗佈方法將含有SWCNT的水性油墨塗覆於超薄膜上,且重複乾燥過程3次,形成平均層厚約為70 nm的SWCNT奈米纖維網絡,製作出導電性伸縮超薄膜。
此超薄膜的片電阻值為0.6 kΩ sq-1,與使用導電性高分子PEDOT:PSS的既有導電性超薄膜相當。此外,與塗佈PEDOT:PSS的導電性超薄膜(彈性率298 MPa,斷裂拉伸率22%)相比,製作的導電性伸縮超薄膜更為柔軟且更容易拉伸(彈性率86 MPa,斷裂拉伸率386%)。
透濕性是在做為支撐體的濾紙(桐山濾紙)上貼附膜厚210 nm的彈性體超薄膜後進行測量,水蒸氣透過率為6,198 gm-2(2h)-1,與濾紙本身的透過率相當。此數值顯示超薄膜具有高水蒸氣透過率。此外,塗佈SWCNT的導電性伸縮超薄膜(貼附於濾紙的狀態)為5,183 gm-2(2h)-1,計算導電性伸縮超薄膜本身的水蒸氣透過率則為28,316 gm-2(2h)-1,此數值與人體表皮的水蒸氣滲透率204±12 gm-2(2h)-1高出兩位數,顯示導電性伸縮超薄膜亦具有優異的透濕性。
研究團隊在未使用接著劑的狀況下將導電性伸縮超薄膜貼在人類右前臂上,並與表面肌電為測量元件連接,以右手握住訓練用握力器,反覆握緊、放鬆5次後,確認訊號/雜訊比(SNR)與市售凝膠電極相當,由此可知導電性伸縮超薄膜可以利用做為生物體電極。
透過此次研究,可知除了彈性體層表現出高伸縮性之外,SWCNT纖維網絡的導電層亦能如同水果用網袋般,在垂直、水平及對角方向上拉伸,變形程度最大至其原始形狀的400%。由於不會損及生物體電極所需的伸縮性,且具有比一般濾紙高5倍的透濕性,因此不會讓裝設者感到不適。新開發的生物體電極可以利用常見的卷對卷製程生產,可望因應未來的大規模製造。今後東京工業大學將進一步降低皮膚與電極界面之電化學阻抗,以提升電極性能(SNR)。