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研究透视:Science-仿生频率阻尼器 | 水凝胶-生物电子

        生物电子学(Bioelectronics)需要持续监测患者的机械和电生理信号。然而,信号(signals)总是包含因患者意外运动 (例如在大约30赫兹下的行走和呼吸)引起的伪影(artifacts)。当前,消除伪影的方法是使用带通滤波器的信号处理,这可能会导致信号损失。

 

        今日,韩国成均馆大学(Sungkyunkwan University) Tae-il Kim团队Byeonghak Park等,在Science上发文,报道提出了一种非传统的带通滤波器材料,粘弹性明胶-壳聚糖水凝胶阻尼器(viscoelastic gelatin-chitosan hydrogel damper),其灵感来自于蜘蛛的粘弹性表皮垫,以选择性地去除动态机械噪声伪影。

 

        水凝胶表现出频率依赖性相变,其产生衰减低频噪声的橡胶态和传输所需高频信号的玻璃态。这种适应性强的滤波器,能够采集高质量的信号,同时最大限度地减少先进生物电子学的信号处理。


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

仿生表皮垫选择性频率阻尼器,无动态噪音的生物电子学。


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图1. 蜘蛛表皮垫中的选择性噪声阻尼,基于选择性频率依赖性阻尼的仿生凝胶壳聚糖水凝胶阻尼器。



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 图2. 通过调谐对应于过渡频率的弛豫时间,以移动阻尼区域。


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图3. 明胶-壳聚糖水凝胶阻尼器与其他阻尼材料的阻尼性能。

 

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图4. 使用水凝胶阻尼器,高信噪比检测生理信号,以演示动态噪声阻尼。

 

        身体活动(Physical activity)会干扰生理信号的测量,并且通常需要带通滤波,以去除伪影。该项研究从蜘蛛表皮垫的粘弹性特性中获得灵感,可以从机械噪声中分离目标振动信号。

 

        该项研究开发了一种明胶/壳聚糖水凝胶阻尼器,该阻尼器将吸收30赫兹以下的频率。不过,由于水凝胶内弱网络键的暂时破坏,会传输较高的频率。这种水凝胶可用于检测脑电图和心电图等电生理信号,而不会受到患者行走或呼吸的干扰。

 

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信息发布人: Tae-il Kim团队Byeonghak Park
发布单位: 成均馆大学(Sungkyunkwan University)
信息源: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj9912