Các nhà nghiên cứu Trung Quốc đã chế tạo thành công một loại điện cực thoải mái khi đeo, dành cho giao diện não - máy tính (BCI) không xâm lấn. Trong các thử nghiệm gõ chữ bằng suy nghĩ thông qua bàn phím hình ảnh, thiết bị đạt độ chính xác hơn 94% khi được sử dụng trong suốt cả ngày.
Các điện cực có cấu trúc biến thiên theo độ cứng được thiết kế nhằm khắc phục những hạn chế của hai loại điện cực thông thường: loại mềm đồng nhất và loại cứng. Nhóm nghiên cứu tích hợp chúng vào một chiếc mũ điện não đồ (EEG) thương mại, sau đó tiến hành thử nghiệm trong điều kiện nghỉ ngơi kéo dài 14 giờ.
Đáng chú ý, các điện cực này còn cho phép ghi nhận tín hiệu điện não ổn định liên tục trong 8 giờ khi người tham gia thực hiện những hoạt động thường ngày. Kết quả giúp giải quyết một số rào cản lớn đối với việc đưa công nghệ BCI không xâm lấn vào sử dụng thực tế.
“Công trình này cho thấy tiềm năng của hydrogel được thiết kế theo cấu trúc biến thiên trong việc phát triển giao diện não - máy tính không xâm lấn, có thể sử dụng khi người dùng di chuyển tự do”, nhóm nghiên cứu cho biết trong bài báo đăng tháng trước trên tạp chí khoa học bình duyệt NPJ Flexible Electronics.
Công nghệ mới có thể mở rộng khả năng ứng dụng của BCI không xâm lấn trong đời sống, từ chăm sóc sức khỏe hằng ngày, theo dõi giấc ngủ đến cảnh báo những tình trạng như động kinh.
BCI là lĩnh vực thiết bị đang phát triển nhanh, với mục tiêu kết nối hoạt động của não người với các hệ thống kỹ thuật số bên ngoài. Công nghệ này tìm cách chuyển đổi tín hiệu não thành những hành động cụ thể, chẳng hạn gõ chữ bằng suy nghĩ hoặc điều khiển thiết bị điện tử.
Khác với BCI bán xâm lấn hoặc xâm lấn – vốn yêu cầu đặt điện cực bên trong hộp sọ hoặc cấy trực tiếp vào mô não – BCI không xâm lấn đo và chuyển đổi hoạt động của não thành các lệnh kỹ thuật số thông qua những thiết bị đeo được trang bị cảm biến.
Nhóm nghiên cứu do các nhà khoa học thuộc Đại học Quảng Tây, Đại học Y khoa Quảng Tây và Đại học Thanh Hoa dẫn đầu cho rằng BCI không xâm lấn cần có điện cực ổn định, thoải mái để người dùng có thể đeo trong thời gian dài.
“Các điện cực cứng hoặc có độ mềm đồng nhất hiện nay không tương thích tốt với da đầu, gây ra nhiễu do chuyển động và khiến thời gian vận hành bị rút ngắn”, nhóm nghiên cứu viết trong bài báo.
Điều này khiến những hệ thống BCI không xâm lấn hiện nay phù hợp hơn với các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm, nơi người dùng thường phải giữ cơ thể bất động. Khi được sử dụng trong những hoạt động thực tế đòi hỏi di chuyển, tín hiệu thu được thường kém ổn định hơn.
Nhiều hệ thống BCI không xâm lấn dựa trên công nghệ điện não đồ (EEG), phương pháp đo hoạt động điện của não thông qua một chiếc mũ gắn các điện cực tiếp xúc với da đầu. Những thiết bị truyền thống thường sử dụng điện cực ướt, gồm lõi kim loại cứng được phủ một lớp gel dẫn điện.
Các điện cực này thường chỉ duy trì hiệu suất ổn định trong khoảng 2-4 giờ do gel bị khô. Sự khác biệt về độ cứng giữa điện cực và da đầu mềm cũng có thể khiến điện cực bị trượt, làm tín hiệu ghi nhận dao động khi người dùng cử động.
Các giải pháp thay thế như điện cực bán khô, điện cực khô và điện cực dạng miếng dán cũng đã được nghiên cứu. Tuy nhiên, chúng nhìn chung vẫn chưa giải quyết được yêu cầu tương thích đồng thời với da đầu mềm và hệ thống mạch điện EEG cứng.
Để khắc phục vấn đề này, nhóm nghiên cứu chế tạo một loại điện cực hydrogel mềm có khả năng chuyển tiếp dần sang trạng thái cứng hơn, bằng cách sử dụng chênh lệch nhiệt độ trong quá trình sản xuất.
Theo nhóm nghiên cứu, phương pháp này tạo ra điện cực có độ cứng thay đổi từ từ: phần tiếp xúc với da đầu mềm, trong khi phần kết nối với mạch điện cứng hơn. Cấu trúc lỗ xốp cũng được thiết kế theo dạng biến thiên, giúp giải phóng chất điện giải liên tục.
Để chế tạo điện cực, trước tiên các nhà khoa học đổ hỗn hợp tiền chất hydrogel chứa polymer dẫn điện và các lá nano bạc vào khuôn, sau đó làm đông lạnh để hình thành cấu trúc ban đầu.
Trong những chu kỳ đông lạnh - rã đông tiếp theo, nhóm nghiên cứu đặt nguồn nhiệt ở một phía và nguồn lạnh ở phía đối diện trong giai đoạn rã đông. Chênh lệch nhiệt độ khiến hydrogel hình thành cấu trúc có độ cứng và kích thước lỗ xốp biến thiên theo từng vùng.
“Quy trình chế tạo này tương thích với sản xuất quy mô lớn, cho phép sản xuất đồng thời 300 điện cực với kích thước tùy chỉnh phù hợp với các loại mũ EEG thương mại”, nhóm nghiên cứu cho biết.
Theo các nhà khoa học, năng lực sản xuất này cho thấy công nghệ có tiềm năng được cung ứng trên quy mô lớn với chi phí hợp lý. Đây là điều kiện quan trọng để chuyển các nguyên mẫu trong phòng thí nghiệm thành những ứng dụng BCI thực tế.
Trước khi thử nghiệm điện cực trên người, nhóm nghiên cứu đã sử dụng chúng trên chuột để kiểm tra khả năng tương thích sinh học. Kết quả cho thấy không xuất hiện phản ứng bất lợi nào.
Sau đó, các nhà khoa học tiến hành thử nghiệm trên người bằng một chiếc mũ điện cực gồm 8 kênh. Thiết bị ghi nhận hoạt động điện của não rồi truyền dữ liệu không dây đến máy tính.
Các điện cực mới cho phép ghi tín hiệu EEG liên tục trong 8 giờ khi người tham gia thực hiện những hoạt động thường ngày như đi bộ, ăn uống, đọc sách và ngủ.
Nhóm nghiên cứu cũng tiến hành một đợt thử nghiệm kéo dài 14 giờ trong điều kiện nghỉ ngơi. Một người tham gia khác thực hiện các bài kiểm tra theo từng giờ, bao gồm nhiệm vụ trong trạng thái ổn định và nhiệm vụ có yếu tố chuyển động.
Ở bài kiểm tra trạng thái ổn định, người tham gia nhìn vào một bàn phím ảo có các phím nhấp nháy để gõ dãy số từ 1 đến 9 và ngày tháng. Độ chính xác khi gõ chữ bằng suy nghĩ đạt trên 94%.
Trong bài kiểm tra chuyển động, các đường kẻ màu di chuyển quét qua một loạt ô vuông ảo. Người tham gia phải tập trung vào những ô mục tiêu được chỉ định. Độ chính xác trong nhiệm vụ này cũng vượt 90%.
Các nhà khoa học đồng thời so sánh điện cực mới với điện cực gel thương mại. Kết quả cho thấy điện cực gel bị “suy giảm hiệu suất nghiêm trọng” theo thời gian do hiện tượng mất nước. Sau khoảng 4-5 giờ, một số kênh ghi tín hiệu gần như không còn sử dụng được.
“Những kết quả này cùng nhau khẳng định một nguyên lý thiết kế điện cực mô phỏng đặc tính của da, với cấu trúc biến thiên, nhằm tạo ra hệ thống BCI không xâm lấn bền bỉ và hoạt động ổn định trong thời gian dài. Công nghệ này góp phần thúc đẩy việc ứng dụng thực tế trong nghiên cứu thần kinh học trên người đang vận động và giám sát lâm sàng”, nhóm nghiên cứu nhận định.
Nhóm cho biết các điện cực có cấu trúc biến thiên này có thể được ứng dụng trong nhiều phương thức BCI khác nhau, giúp ghi nhận tín hiệu điện não đồ chất lượng cao.
Theo SCMP
