Adv Mater：用于多模态健康监测且具备主动清洁能力的穿戴式形态自适应耳内设备

     基于耳内设备的多模态生理监测是实现无创健康监测的绝佳解决方案。然而，耳道体积小巧、不同个体的形态差异以及耳垢的存在带来了诸多挑战，例如因复杂的耳道几何形状导致的传感器与皮肤界面非贴合、设备适配困难、生物污染阻塞层、设备造成的听觉遮挡以及不适感。基于此，本文报道了一种具备多模态自清洁功能的耳内无扰可配置电子（SCIENCE）设备，该设备能够适应多种耳道几何形状，并在传感器-耳道界面进行主动耳垢清洁。触发条件为将传感器浸入水中，其初始直径为 2 mm 的小型圆柱形设备在进入耳道后会发生膨胀，并转变为中心直径最高可达 9 mm 的纺锤形，从而实现与耳道的自适应接触，并形成稳定的传感器-耳道界面。所提出的耳内设备还被赋予了耳垢清洁能力，可自动破除生物污染屏障，使传感器与皮肤之间的界面阻抗降低 20%。SCIENCE 集成了微型化电路，能够实现脑电图（EEG）、心电图（ECG）和体核温度的无线记录。

• 水激活的形态自适应结构：设备接触水后，内部 PG_7.5 膜迅速吸水收缩，促使外层 Parylene 条带发生屈曲变形，实现了耳道的紧密贴合。

• 体温触发的主动自清洁电极：当电极贴合耳道皮肤时，明胶发生相变软化以渗入耳垢微孔，表面活性剂同步扩散并乳化/分解脂质耳垢。该主动清洁机制使传感器-皮肤界面阻抗降低，大幅提升了信号信噪比。

图 1. (a) 针对具有复杂形态且存在生物污染层的耳道进行多模态感知示意图；(b) SCIENCE 设备的实物照片及 (c) 结构布局图；(d) 设备在水诱导下的形态自适应示意图；(e) SCIENCE 在形变前后的实物对比照片；(f) 体温触发的水凝胶电极自清洁过程；(g) 完整的传感器-电路系统实物照片；(h) 电子电路原理图；(i) 受试者佩戴传感器-电路系统的实物照片。

图 2. (a) 可收缩 PG_x样品中高分子链的示意图，以及其接触水前后的实物照片。(b) 不同明胶含量的 PG_x 可收缩薄膜的收缩应变。(c) 不同明胶含量的 PG_x 可收缩薄膜的红外光谱。(d) 不同明胶含量的可收缩薄膜的做功密度。(e) 不同明胶含量的 PG_x 可收缩薄膜的收缩应力。(f) 不同明胶含量的 PG_x 可收缩薄膜的 DSC 曲线。(g) 不同明胶含量的 PG_x 可收缩薄膜的起始收缩时间和完成收缩时间。(h) 不同明胶含量的可收缩薄膜的水接触角。(i) 处于弯曲透明管道中的展开状态耳道设备的示意图及实物照片。

图 3.(a) 自清洁水凝胶的成分与聚合物结构示意图。(b) 在 37 °C 下，含有清洁剂的自清洁水凝胶薄膜与无清洁剂的水凝胶薄膜穿透耳垢层的照片及示意图。(c) 在水凝胶中引入清洁剂后的电阻测量装置示意图。(d) 水凝胶/耳垢/水凝胶 结构与 水凝胶/耳垢/含清洁剂水凝胶 结构电阻随时间的变化曲线。(e) 水凝胶电极在 37 °C 下与耳垢接触 30 分钟后电阻的变化。(f) 使用自清洁水凝胶电极与无清洁剂水凝胶电极，在 100 Hz 频率下的传感器-皮肤界面阻抗。(g) 使用自清洁水凝胶电极与无清洁剂水凝胶电极记录脑电信号时的功率谱密度。(h) 阻抗温度传感器（RTD）电阻随温度的变化曲线。(i) RTD 在 180 度弯曲角度下，经历 1000 次“弯曲-释放”循环过程中的电阻变化。

图 4. (a) 展示 SCIENCE 设备多模态感知能力的示意图；(b) 受试者佩戴 SCIENCE 设备时各组成部分的实物照片；(c) 电路板的实物照片，包含电池、天线、蓝牙和放大电路。SCIENCE 设备测得的生物信号，包括：(d) 受试者睁眼和闭眼时 0–30 Hz 范围内 EEG 信号的脑电频谱；(e) ECG 信号；(f) EEG、ECG 和体温的同步记录；(g) 0–7.5 Hz 范围内的 EEG 功率谱；(h) 不同心率下的 ECG 信号。

图 5. (a) 连续 5 天记录的平均 ECG 波形；(b)  SCIENCE 系统与商业参考设备（OpenBCI）在 5 名受试者间互相关系数的峰值；(c) SCIENCE 系统与参考设备 OpenBCI 测得的 R-R 间期（RRI）的皮尔逊相关性分析；(d) 比较 SCIENCE 系统与 OpenBCI 之间 RRI 差异的 Bland–Altman 图。

本研究开发了一种名为 SCIENCE 的无线、非侵入式多模态感知设备。该设备能够分解耳垢以建立更好的皮肤电接触，并能自适应匹配不同耳道尺寸和形态的个体。SCIENCE 包含一块无线电路板，用于非侵入式动态多模态生理监测。通过在设备结构中引入水诱导收缩的 PG 材料，并结合水凝胶电极内溶胶-凝胶相变与商业表面活性剂的协同效应，该设备实现了形态自适应与界面自清洁功能。因此，该耳道设备能够适应各种耳道形态，打破传感器与皮肤界面的耳垢污染层，并降低界面阻抗。微型化电路与集成式耳道传感器的结合，打造出一种高效、通用且具备极高佩戴舒适性的耳道设备，实现了对脑电（EEG）、心电（ECG）和深部体温的同步高精度测量。

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