比头发还细的电极，如何拉动百亿脑机接口市场？

脑机接口作为人体大脑与外部装备之间确立信息通道，融合生物智能与机械智能的要害性手艺，被公以为是*代表性的新质生产力之一。

随着工信部和科技部在2024年头推出的一系列生长实行建媾和研究伦理指引下，中国在脑科学领域的深挚研究积累于近年内集中发作，毋庸置疑的代表了全球脑机接口科研及产业化的*水平。

现阶段，若何加倍平安、加倍持久的获得更高质量的脑电信号，指引着脑机接口从软件到硬件的上下游全链条手艺开发偏向。电极，作为信号采集和刺激调控的前端，是脑机接口赛道的要害性基础工具。

在这场差距还未拉开的竞赛中，谁率先在电极性能上取得突破，谁就能占有*位置并掌握行业话语权。

与脑机接口是否浸入的区分方式一致，凭证植入位置的差异，电极通常也被分为非植入式电极和植入式电极。

#01

非植入式电极

非植入式电极贴合于头皮外面，对头皮脑电EEG举行纪录和剖析，通过对应的信号处置算法获得信号输出，实现对外部装备的控制。其优点在于无需举行手术即可采集信号，平安性高。瑕玷方面，由于头皮及人体毛发对电极的影响，EEG的获守信噪比低、分辨率低、信号采集频率局限小。

非植入式电极的主要突破口，在于若何显著提高电极的信号采集质量。一方面为改善质料以提升导电率，另一方面为改善结构以促进电极与皮肤充实接触。

1、质料改善而逐步提升的导电率

海内方面，2023年浙江大学台州研究院医疗器械与先进质料重点实验室研发修建了一种新型的纳米粘土来增强水凝胶湿电极。该电极能同时增强力学性能和自粘附性，与人体皮肤慎密耦合，实现稳固的阻抗，抵制运动滋扰，以实现高迅速率和耐久稳固的电心理信号采集。

图片泉源：浙江大学台州研究院

国际方面，日本电子元器件制造商MURATA MANUFACTURING（上市公司，1944年确立）使用稀奇工艺为电极镀薄膜。薄膜中具有金属阳离子，优化了电荷转移，从而实现了电极外面的阻抗降低并提高了导电率。

2、加倍稳固的电极-皮肤接触方式

除了电极的导电性能外，企业也在探索若何让电极加倍贴紧皮肤并保持稳固贴合度以维持稳固阻抗。

海内方面，苏州意忆计科技用多聚糖制备高弹性水凝胶电极。电极顶部的特殊圆锥结构适于有发区使用。这种设计平衡了湿电极法的导电膏降低便利性和阻抗转变以及干电极法的硬电极不适配差异头围、头型所导致的压力不均。公司在质料和结构上举行了双重创新。

图片泉源：苏州意忆计科技产物先容

国际方面，Apple、谷歌子公司 X DEVELOPMENT、美国初创公司NIURA CORP等在耳塞式EEG获取手艺上有深入拓展。Apple将EEG信号获取集成进AirPods硬件平台并申请了专利（US-20230225659-A1）。X Development设计了具有弓形曲率的C形弹性支架来撑起入耳式电极，提高其与皮肤的接触应力。NIURA战略则是用盘绕导电丝的电极片包裹脑电采集耳塞的硅胶主体质料，增添电极在耳内的接触外面积。

#02

植入式电极

剃发或绕开毛发的耳塞式EEG虽然可以规避掉头发造成的信号滋扰，但颅骨和头皮依然对于信号质量有一定的折损。

为了获得更高质量的信号，一定水平上需要借助有创的、植入式的电极。从浅到深可区分为皮层微电极和深度微电极。

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皮层微电极

皮层微电极可有用的获取皮层脑电ECoG，其相对于EEG有更好的信噪比、分辨率、采集频率。皮层微电极可以放置在硬脑膜外或硬脑膜内，采集的主要是中等节律信号。

大多数皮层微电极基于硅胶或柔性聚合物的薄膜衬底举行制备。皮层微电极现阶段的攻克偏向主要集中于两点：减小植入损伤和提高空间分辨率。

更小的植入损伤可进一步稳固半侵入式脑机接口的平安优越性，而高空间分辨率则可以在信号质量上追齐更深侵入的植入方式。

■ 损伤逐步减小的创新植入方式

由于必须要举行有创手术，最小化创面的微创手术和插入电极的方式尤为要害。

当前代表性创新植入术式划分为在硬脑膜和颅骨上举行微创开狭缝并借助导条工具等塞入柔性微电极，以阻止水肿等脑组织损伤风险。

海内方面，近期完成临床试验希望宣布的清华大学洪波教授博睿康团队，以半侵入的方式从脑膜外获守信号，通过近场无线手艺，实现了双向通讯和供电，体内机无需电池。其供电手艺为人工耳蜗使用过的成熟体外供电手艺，对于在海内临床环境的落地和实践有加速作用。

国际方面，美国初创公司Precision Neuroscience使用狭缝插入的方式，在头骨上用振荡刀片切出400微米宽的切口以插入电极。该电极获得FDA的“突破性装备”认定。

当创面巨细和电极巨细进入到一个取舍平衡的极限时，在一致巨细的电极上获得更多信息成为了突破口。

■ 让空间分辨率提高的新型电极

在单元面积内若何增添信号获取量、平衡通道数与功耗和电池尺寸、减小脑组织损伤，是皮层微电极升级偏向之一。微型颅内皮层电极μECoG具有在亚毫米尺度上纪录颅内脑电流动的能力，提供了硬件升级的突破口。

海内方面，西北工业大学吉博文教授团队开发了由细菌纤维素做基底，有望取代聚酰亚胺或聚对二甲苯柔性电极的高保湿超柔软微型ECoG。

图片泉源：Microsystems & Nanoengineering

微灵医疗的高密度网状超柔顺微型ECoG电极阵列处于工程样机阶段，已完成临床要求准备，与临床研究团队推进伦理和临床测试。

国际方面，加州大学的Shadi A. Dayeh团队设计了基于铂纳米棒外面修饰的高密度网状电极阵列，将传统ECoG的单元面积纪录点提升了100倍，改善了空间分辨率。

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刚性植入式电极

钻石芯片，技术实现

钻石芯片，技术实现,这项工作有助于开发节能且高可靠性的CMOS集成电路，用于恶劣环境下的高功率电子器件、集成自旋电子学和极端传感器。

相对照于皮层电极，植入式电极有更深的植入深度，因此也能采集到更高分辨率的神经信号。由于刚性电极容易被大脑识别为外来物，会对其举行包裹珍爱，硅基电极在半年至一年后，由于胶质细胞包裹会逐渐绝缘。现阶段，刚性电极的研发趋势在先进制造工艺以及削减损伤的植入方式。

■ 愈发先进的制造工艺

海内方面，苏州科斗脑机在金属电极基础之上，使用高弹性的镍钛影象合金质料开发半柔半刚性电极。该设计提高了电极的可植入时间，同时相较于传统犹他电极有更好的柔软度及弹性。

图片泉源：苏州科斗脑机官网

武汉衷华脑机融合则行使硅通孔高密度封装手艺和倒焊工艺制造出具有65536通道的阵列电极，其所搭配的气动植入机构装备实现了电极一次性植入。

图片泉源：武汉衷华脑机融合官网

国际方面，美国植入式电极生产商NeuroNexus手艺偏向则是通过电极的机械性能和几何特征保持植入的一致性和可靠性。比利时微电子研究中央IMEC用互补式金属氧化物半导体手艺将电子元件集成在探针上，手艺特点为可实现电极的多路复用。

■ 削减损伤的植入方式

市场对于刚性电极恒久以来的一大挂念即是其创伤性。为了平衡刚性电极对脑组织的损伤，科研界提出了诸多创新植入方式。

海内方面，上海交通大学的刘景全团队使用超声振动的方式（专利号CN112370064B）来降低植入阻力，削减对脑组织的损伤。植入后，也可以借助超声振动去除包裹在电极上的细胞胶质，减缓绝缘历程。

图片泉源：国家知识产权局

杭州电子科技大学的王明浩团队则发现晰具有刚性骨架和柔性衬底的神经探针结构（专利号CN114795224A），在植入后通过超声刺激使刚性骨架断裂，只在脑内保留探针柔性结构，减小脑部损伤。

图片泉源：国家知识产权局

南开大学的段峰团队则是与上海心玮医疗科技团结开发了颈静脉血管植入式电极来获守信号（专利号CN117220692A）。虽然获取的神经信号相对有限，但支架植入作为临床已有的手术方式，更容易举行推进和普及。

图片泉源：国家知识产权局

3、柔性植入式电极

由于柔性电极在减轻脑组织损伤和信号获取上都展现出了更大的潜力，是科研界和产业界重点投入研发的领域。现在，超柔性和高密度是主攻突破偏向。

■ 超柔性

由于脑组织杨氏模量极低（0.4-15kPa），因此电极质料的选取变得尤为要害。硅基质料杨氏模量过高，在中国已经不是主流质料。除了聚酰亚胺、聚对二甲苯等可以微纳加工的聚合物外，弹性硅胶质料和超柔性水凝胶质料也颇受关注。这里的取舍是：质料越软，和脑组织的机械匹配性就越好，细腻化微纳加工难度就越大。

在水凝胶方面，2023年，中科院长春应化所张强研究员研发的水凝胶电极通过引入聚轮烷结构作为交联剂，乐成实现大鼠脑神经信号耐久纪录。2022年，西南交通大学的鲁雄教授、谢超鸣副教授团队、电子科技大学潘泰松副教授、中国海洋大学韩璐教授和北京基础医学研究所江小霞副研究员配合研发了具有脑组织力学和生物学匹配性的水凝胶电极，具有免疫逃逸性。

在弹性硅胶质料方面，聚二甲基硅氧烷(PDMS)由于具有*的透光性、化学稳固性、热稳固性、生物相容性以及最主要的可加工性而展现出伟大潜力。实操难点上，PDMS质料的图形化工艺尚不成熟且精度有限，同时 PDMS有较高的水汽透过率，会对植入体内导电质料造成氧化和侵蚀问题。其加工精度和耐久可靠性是下一步研发的重点。

■ 高密度

如之前所说，越柔软的电极带来的问题即是更难的细腻化微纳加工。从手艺（柔性和加工难度、成本）平衡取舍的角度，提高密度将引入全新的参考变量。

人体大脑约有860亿个神经元，现有脑机接口的通量显然是不足以处置云云伟大的输入。电极通道数目增添会带来一系列如电路毗邻、神经信号高保真放大滤波、数据算法处置、以及最现实的数据传输供电及散热问题。提高密度为硬件推翻式迭代之前的可行偏向。

海内方面，科研端和产业端都有*特色的手艺路径。

上海门路医疗的高通量超柔性微纳电极，可实现最高2304通道的无免疫瘢痕植入，植入300天以上后仍能稳固采集脑电波信号。团队的设计方案是在质料自己柔性的极限内，通过降低电极厚度来降低弯曲应力，从而到达了细胞间作用力的量级，使细胞感知不到电极的存在。

中科院脑科学与智能手艺*创新中央、国家纳米科学中央方英研究员和神经科学研究所李澄宇研究员及其团队研发了名为“神经流苏”的手艺，通过将上千根与神经元突触尺寸靠近柔性神经纤维电极浸入在聚乙二醇液体中，行使外面张力聚合“流苏”，待乐成植入并降解代谢聚乙二醇后，柔性神经纤维电极自动释放。此方式通过优化植入方式来增添脑内纤维电极的数目。 

图片泉源：中国科学院国家纳米科学中央

同样借助创新性植入方式的另有上海脑虎科技。团队行使蚕丝卵白抗菌、可降解、相容性好、机械性能佳的特点，将其包裹在MEMS集成电路工艺加工的高密度柔性电极外，使其固化，将硬度控制在血管和脑组织之间。植入后，蚕丝卵白降解并释放柔性电极。现在，该手艺仍在实验室阶段并已开展相关专利及产物报审。

随着一批手艺逐渐在临床开展推进，其效果将很快在产业端发生颠簸。

#03

展望

通过将前沿手艺与海内成熟临床应用相连系，本土从业者巧妙的快速推进着脑机接口在海内的落地。放眼可预期的近未来，高密度、超柔性、平安性是脑机接口电极的主要升级趋势。

现有电极的通道数目将很快难以平衡功耗、带宽、散热、电磁滋扰带来的一系列问题。实现高密度的一个偏向是通过质料工艺的改善实现更多信号读取点位或者获取新的信号（如光学）并以新的算法解读电心理以外的神经信号。

在实现超柔性方面，除了更极限的尺寸缩小以外，在稳固性、相容性、易于图形化等特征上有更好显示的新质料或新制备工艺是加倍可行的方案。

新的制备工艺同样适用于平安性问题。具有生物活性的涂层也让提高防水性，减缓炎症并增添使用时长成为可能。

近期，一些新的探索已经展现出相当的潜力：可将电信号转换为透光性转变并可读出的液晶质料电极；UC伯克利和布朗大学研发的神经灰尘及神经颗粒电极；大分子卵白、生物多肽、生长因子、缓释抗炎药物涂层手艺。

当脑机接口电极性能获得全方位提升后，信托其必将惠及更普遍的神经疾病患者并撬动充满可能性的巨量市场。

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