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我院吴豪团队开发用于人体情绪识别的表皮混合电子系统

作者:杨淦光编辑:吴仰天发布:2022-04-26点击量:

4月22日,柔性电子领域国际著名期刊《Advanced Functional Materials》(影响因子18.808)在线刊发了我院吴豪研究员团队在柔性混合电子领域的新成果,题为“Adhesive and Hydrophobic Bilayer Hydrogel Enabled On-Skin Biosensors for High-Fidelity Classification of Human Emotion(自黏疏水双层水凝胶表皮传感器用于高精度情绪分类)”。我院硕士研究生杨淦光、朱侃浩为论文共同第一作者,吴豪研究员为通讯作者,我院尹周平教授,人工智能与自动化学院伍东睿教授、黄剑教授、曾志刚教授等为共同作者。

情绪可以有效反映人的生理和心理状态,在日常生活中起着举足轻重的作用。然而与情绪密切相关的多种疾病,具有隐蔽性,难以提前预防,对患者的生活造成很大困扰。由于脑电信号(EEG)可以反馈人类情绪对应的电位变化,这为情绪识别提供了一条可行的路径。脑电信号幅值低,易受到外界噪声干扰,获取高保真度的脑电信号是实现情绪识别的基础。目前用于脑机接口的数据采集设备通常为多通道刚性电极集成的脑电帽,其便携性和佩戴舒适性较差,易受运动伪影的影响。此外,脑电信号的非平稳性和个体间存在域转移问题,也会导致分类准确性下降。因此,在确保的脑电采集设备佩戴舒适性和便携性的同时,实现高质量信号的采集和高精度的情绪分类仍然存在重大挑战。近年来,开发高性能的柔性表皮电极成为研究热点。如何降低电极的接触阻抗,进一步提高电极在极端变形、出汗、运动、高湿度等复杂条件下,稳定采集高质量电生理信号的能力成为研究关键。

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吴豪团队开发了一种自黏/疏水的双层水凝胶(AHBH)作为电极/皮肤界面。基于贻贝和藤壶粘附的机制,AHBH的粘附层具有优异的粘附性(59.7 N/m)。通过疏水基团重排和降低表面能,仅0.5 h的疏水处理,疏水层的接触角就达到了133.87°。该水凝胶同时还具备优异的抗水侵蚀、抗溶胀和抗脱水的能力。在 AHBH 中组装可拉伸导电的复合材料层(ECC),制备了AHBH-ECC 柔性表皮电极,该电极在出汗、振动和长时间检测的情况下依旧能采集到高质量的电生理信号。将AHBH-ECC表皮电极和无线蓝牙模块集成到柔性混合电子系统中采集脑电信号,用于人体情绪分类(积极、中性和消极)。为减轻域转移对分类精度的影响,该团队进一步开发了基于对抗训练的域自适应神经网络(DANN)算法来匹配源域和目标域中的特征分布,最终情绪分类的平均准确率达到 90%。

相关工作得到了国家自然科学基金委项目(No. U2013213, 92048302, 51820105008),湖北省科技创新项目 2019AEA171 的支持。


论文链接: https://doi.org/10.1002/adfm.202200457

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