中山大學，首篇Nature Sensors！

“柔性電子毛發”讓柔性電極真正走進肌肉

在人機交互、智能假肢和生物電子醫學快速發展的今天，如何在不造成創傷的前提下，把電極穩定、長期地“送進”皮膚和肌肉，始終是一道繞不開的難題。傳統的金屬針電極雖然成熟，卻不可避免地帶來出血、疼痛和組織損傷；而柔性電極雖然在力學匹配上更接近生物組織，卻往往“太軟了”，單靠自身無法刺入致密組織，仍需依賴空心針、手術或復雜的輔助結構。這種“又軟又要插得進去”的矛盾，長期制約著可穿戴與半植入式生物電子器件的真正落地。

今日，中山大學謝曦教授課題組提出一種全新的“尖端聚焦射頻穿孔”（TFRFP）策略：利用射頻在柔性電極尖端產生高度局域的熱效應，在不使用任何硬針的情況下，實現類似“頭發絲”般柔軟的電子電極，直接、不出血地植入皮膚和肌肉。植入后的柔性電子毛發（FEHs）可穩定進行肌電信號記錄和電刺激，并進一步與人工智能算法結合，驅動假肢和機器人運動。這項工作為下一代無創或微創人機接口提供了一條全新路徑。相關成果以“Soft implantation of flexible electronic hairs via tip-focused radiofrequency perforation for in-tissue electrophysiology”為題發表在《Nature Sensors》上，Shuang Huang, Xinshuo Huang和Chuanjie Yao為共同第一作者。

謝曦教授

研究的整體構想從“自然界的毛發”獲得靈感。在圖1a中，作者描繪了一種全新的植入場景：不再依賴金屬針頭，而是將柔軟、細長的電子“毛發”直接插入皮膚或肌肉中，外部僅保留輕量化的可穿戴電路。關鍵在于圖1b、1c所示的物理機制——當射頻電場施加到FEH尖端時，局域區域內的水分子和離子發生高速振蕩，瞬間產生受限的熱效應，使組織在尖端位置發生微尺度“穿孔”和收縮，從而為柔性電極打開一條隱蔽的進入通道（圖1c）。整個過程不需要鋒利結構，插入路徑干凈而克制。

圖1：TFRFP軟植入的整體概念與工作原理示意圖

這一設想在實驗中首先通過模型組織得到了驗證。圖2a、2b展示了所使用的Pt/Ir柔性微電極，其直徑約100 μm，與人類頭發相當，彎曲剛度極低。在沒有射頻的情況下，電極一接觸組織便發生彎折，根本無法進入（圖2c，RF=0 W）。而一旦開啟射頻，電極尖端便能“悄無聲息”地進入組織內部（圖2c–e），插入深度隨時間平穩增加（圖2d）。紅外熱成像進一步揭示了這一過程的“分寸感”：溫升主要集中在尖端附近的A3區域，而側壁和遠端組織幾乎不受影響（圖2e、2f），證明這是一種高度局域、對周圍組織友好的過程。為了更深入理解安全性，研究者對植入軌跡進行了多角度表征。通過微CT和光學顯微鏡（圖2h、2i），可以清楚看到FEH與組織之間緊密貼合，沒有明顯空隙。更重要的是，當電極被取出后，組織中并未留下明顯燒灼痕跡，說明射頻并未造成不可逆的熱損傷。

圖2：柔性電子毛發的結構、射頻輔助插入過程及局域熱效應表征

在圖3中，作者展示了這項技術的“可擴展性”。通過在更細的電極外包覆可溶解的明膠層，FEH在插入前被暫時“加硬”，插入后迅速恢復柔軟（圖3a–d）。如果擔心熱效應，還可以在側壁增加冷卻層，將溫升進一步限制在尖端（圖3e–h）。此外，FEH側壁還能直接涂覆生物膠，實現一步植入后的牢固固定（圖3i–m），這一點是傳統空心針輔助方法難以做到的。

圖3：通過明膠層、冷卻層和生物膠提升植入穩定性與安全性的策略

真正決定這項技術價值的，是它在活體中的表現。圖4a顯示，與傳統針刺相比，TFRFP植入的出血概率大幅降低。動物行為學實驗表明，植入柔性電極的動物在跑臺測試中的運動能力幾乎不受影響（圖4b、4c）。組織切片與RNA測序結果進一步證實，TFRFP引發的炎癥反應顯著低于剛性電極（圖4e–i）。在電學性能上，TFRFP植入的電極與組織之間阻抗更低，在1 kHz處僅約21 kΩ，明顯優于空心針方法（圖4j），為高質量肌電信號采集奠定了基礎。

圖4：TFRFP植入的生物相容性、炎癥反應及電學性能評估

在此基礎上，作者系統展示了多種動物模型中的肌電記錄能力。從兔子腿部連續多小時的誘發肌電（圖5a–c），到多天重復記錄的自發運動信號（圖5d–f），再到豬等大體型動物的深部肌肉記錄（圖5g–j），FEHs都表現出穩定、清晰的信噪比。這些結果說明，這種“像頭發一樣的電極”，并非只能用于實驗室演示，而是真正具備向復雜生理場景拓展的潛力。

圖5：多種動物模型中FEHs的體內肌電記錄示例

接著，研究團隊將多通道FEHs植入脊髓蛙腿部肌肉，采集復雜動作對應的肌電信號，并通過卷積神經網絡和PCA模型進行解碼（圖6a、6e）。最終，系統不僅能預測肢體運動軌跡，還能驅動機械臂完成相應動作（圖6f、6g）。統計結果顯示，多通道FEHs的動作預測誤差顯著降低（圖6h），展示了柔性、微創植入技術與人工智能深度融合的巨大潛力。

圖6：FEHs結合AI實現動作識別與假肢/機械臂控制的演示

小結

總體來看，這項工作提出了一種兼顧“柔軟性”和“可植入性”的全新思路：不再強迫柔性電極變硬，而是借助射頻在微尺度上“為它讓路”。這種尖端聚焦射頻軟植入策略，成功繞開了針刺帶來的出血與損傷問題，同時保留了柔性器件在長期穩定性上的優勢。隨著技術的進一步成熟，它有望推動可穿戴診斷、神經康復和高精度人機接口從實驗室走向真實世界。