基于水凝胶的生物电极正因其类皮肤柔软性、生物相容性及混合离子-电子导电性，成为可穿戴电子设备的新一代平台。然而，在动态条件下实现机械顺应性、附着力与导电性的最优平衡以保障稳定的表面肌电图（sEMG）监测仍面临重大挑战。本文，岭南师范学院Jintao Yuan、安徽农业大学Ying Lu等研究人员在《ACS Sensors》期刊发表名为“Dual-Modal Motion Monitoring via an rGO-Nanocomposite Hydrogel Electrode with a Tunable Hydrogen-Bond Network”的论文，研究报道了一种聚乙烯醇-乙二胺四乙酸-聚丙烯酸-还原氧化石墨烯 （PHHrGO）水凝胶，该材料通过双分子氢键调控与氧化石墨烯增强的协同作用，实现了贴合皮肤的弹性模量（5-50kPa）、可调附着力（≈2.2N）及增强导电性（>13S/m）。
优化后的水凝胶电极展现出低界面阻抗特性，显著优于商用Ag/AgCl电极，且经20次重复使用后仍保持>95%信噪比。作为柔性sEMG传感器，PHHrGO水凝胶电极通过线性判别分析与分层聚类分析，可精确区分手指、手腕、手臂及大腿运动。此外，通过三通道配置提取九项特征，人工神经网络在五种手势识别中实现100%准确率。本研究建立的材料-算法协同工程框架，实现了氢键网络设计与机器学习分析的融合，为假肢控制、人机交互及康复监测提供了多功能平台。
综上所述，我们开发了一种PHHrGO水凝胶电极，通过协同整合双分子氢键调控与氧化石墨烯增强技术，解决了可穿戴生物电极在机械顺应性、附着力和导电性之间平衡的关键难题。该工程化水凝胶展现出贴合皮肤的弹性模量（5-50kPa）、可调附着力（约2.2N）及增强导电性（>13S/m），即使在动态条件下也能实现稳定舒适的皮肤-电极界面。该PHHrGO水凝胶展现出线性、稳定且可重复的应变传感性能，通过局部自组织聚类（LDA）与层次聚类分析（HCA）精确区分多部位肢体动作。作为表面肌电图（sEMG）电极应用时，其显著降低皮肤-电极阻抗，经20次重复使用后仍保持>95%信噪比，性能超越商用Ag/AgCl电极。此外，通过多通道肌电信号采集结合九种提取特征与人工神经网络模型，该系统实现了五种手势100%识别率，展现出精细动作解码潜力。该策略将氢键网络设计与机器学习分析相融合，为康复监测与人机交互领域带来突破性进展。
文献:https://doi.org/10.1021/acssensors.5c03442
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