听障人士福音：新型水凝胶电极+脉冲AI算法，让脑机接口从实验室走向可穿戴
在日常生活中，人类能从嘈杂的“鸡尾酒会”环境中精准地选择性注意特定声音，但这种能力在听障人群中往往严重受损。基于脑电图（EEG）的脑机接口（BCI）技术能够捕获听觉任务诱发的大脑神经响应，并通过脑电波分析推断注意力状态，为开发辅助听力设备带来希望。然而，传统BCI系统受限于两大瓶颈：一是依赖覆盖全头皮的湿电极进行信号采集，操作复杂、舒适度差，且存在凝胶蒸发、阻抗不稳等问题；二是依赖计算量庞大的解码算法，导致功耗极高，难以满足可穿戴设备对轻量化和能效的严苛要求。这些挑战极大限制了BCI技术的现实应用。针对上述难题，南京邮电大学赵强教授、李杨教授，西北工业大学黄维院士和南京医科大学高克强副教授合作提出一种“材料-算法”协同设计框架。硬件方面，开发了基于无氧化剂、室温自聚合策略的OEDOT基两性离子水凝胶电极（SAAP，图1b）；算法方面，设计了超轻量级脉冲Transformer（SDBformer）。该方案通过稳态视觉诱发电位（SSVEP）展示高精度BCI控制（图1d），且仅需8个颞叶脑电通道即实现与全头皮湿电极相当的听觉注意解码性能（图1e），为开发实用、低功耗的可穿戴BCI奠定基础。相关论文以题为“Synergistic material–algorithm design enables robust auditory attention decoding brain–computer interface applications”发表在最新一期《nature sensors》上。图 1 | OEDOT溶液的制备、SAAP水凝胶的准备以及其神经电子应用的展示为实现高保真信号采集，电极需兼具低阻抗、强粘附性和良好生物相容性。团队采用室温无氧化剂自聚合策略：在乙二醇（EG）中，利用十二烷基苯磺酸（DBSA）提供的H⁺催化EDOT单体发生酸诱导缩合（图2a），形成可溶性OEDOT低聚物。该机制区别于传统自由基偶联路径（图2b），而是通过逐步缩合形成短链（图2c）。FTIR光谱中芳香C-H弯曲振动（860 cm⁻¹和882 cm⁻¹）增强及-SO₃基团振动（1,031 cm⁻¹和1,081 cm⁻¹）的显著提升（图2d），确认了聚合与掺杂效果；拉曼光谱中EDOT单体特征峰（864、1,063、1,088 cm⁻¹）的消失及新峰（1,680–2,500 cm⁻¹）的出现（图2e），进一步证实DBSA的催化作用。基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱检测到四聚体至六聚体。皮肤阻抗测试表明，当DBSA为20 wt%时，阻抗低至约37.51 kΩ·cm²（图2f），优化了导电网络。水凝胶的力学性能随EDOT含量呈非单调变化。拉伸测试显示，EDOT为2 wt%时综合性能最优，断裂伸长率达264.31%，韧性为7.06 kJ/m³（图3d、3e）。XPS显示聚合7天后反应达平衡（图3f），此时皮肤阻抗最低；随时间推移，阻抗逐渐上升（图3g）。在室温开放环境下，水凝胶4小时内保留约52%初始质量（图3h），但密封储存可稳定6个月；实际脑电测试中可维持低阻抗超过8小时（图3i）。同时，MTT实验及大鼠组织切片染色证实SAAP水凝胶良好的细胞相容性，未见明显炎症反应。将SAAP电极制成微型ECoG阵列植入大鼠运动皮层（图4a）。在体记录显示四个通道均能稳定捕获局部场电位（图4b），功率谱密度呈现标准1/f衰减及清晰局部峰（图4c），并可分离出delta (0.1–4 Hz)、theta (4–7 Hz)、alpha (8–13 Hz)、beta (15–30 Hz)和gamma (30–50 Hz)五个频带（图4d）。在非侵入式SSVEP实验中，受试者佩戴SAAP电极，在10 Hz视觉刺激下记录到清晰锁相振荡（图4e）；空间分布图谱在10、20、30、40 Hz谐波处均呈现良好的枕叶定位（图4f），功率谱密度显示显著谐波峰（图4g），基于此实现的机械臂控制准确率高达98%以上。这些结果验证了SAAP电极在侵入与非侵入场景的适用性。传统神经网络功耗高，而脉冲神经网络常因精度损失受限。研究者开发SDBformer——一种基于脉冲发射近似的全脉冲双分支Transformer（图5a）。该算法无需时间反向传播，能耗极低。在公共KUL和DTU数据集上，基于差分熵特征的变体仅0.13M参数，单次推理能耗约0.0206 mJ，显著优于同类模型。在实际八通道听觉注意实验中（电极位置按国际10-20系统置于FC5、T7等，见图5b），受试者从三个同时播放的音频流中注意目标说话人。结果显示，随决策窗口延长，准确率由0.5秒的83.2%提升至2.0秒的91.2%（图5c）。在2.0秒窗口下，SAAP水凝胶电极平均解码准确率为91.2%，与传统湿电极（91.1%）及食盐水电极（90.7%）无显著差异（图5d）。三类目标的受试者工作特征曲线下面积（AUC）均超过0.96（图5e），模型能有效增强目标语音并抑制非目标噪声（图5f）。图 5 | SAAP水凝胶电极在听觉注意力检测中的应用本研究成功开发了简便高效的无氧化剂OEDOT合成策略，并制备出综合性能优异的两性离子水凝胶电极，有效替代传统导电膏。配套的超轻量级SDBformer脉冲算法以极低功耗实现高精度神经解码。这种材料-算法协同设计从根本上解决了传统BCI在电极界面和计算能耗上的瓶颈，为可穿戴人机交互提供可扩展框架。未来工作将聚焦于优化电极-皮肤界面，结合定制化微型硬件与无线模块，最终实现长期、舒适、高保真的紧凑型电池供电可穿戴BCI平台。