先进的生物电子学，如可穿戴和植入式设备，被认为是对人体生理信号进行连续检测和测量的非常有前景的技术。尽管最近在软材料和柔性材料与超薄电子器件的集成方面取得的成就实现了连续监测和多功能（多模式传感和刺激），但此类应用（例如，在患者护理中）通常受到动态噪声（通常低于30 Hz）产生的信号伪影的限制。这些信号伪影包括患者运动产生的噪音，如呼吸、行走、敲击和跑步。当前去除它们的方法是使用带通滤波器的信号处理，但这可能会导致信号丢失，并且很难按需更改频段。并且无线传输它们的整个信号，包括小型化可穿戴电子设备中的噪声，都会在信号处理中受到信号延迟的影响。尽管具有减震特性的阻尼材料可能很有用，但它们需要设计成能够阻尼生物生理学频率的广泛或选择性范围。蜘蛛可以使用它们的网来监测它们的猎物、敌人和配偶产生的微小振动信号，即使在嘈杂（有风或下雨）的条件下，这通常与低频（~30 Hz）振动相对应。蜘蛛可以使用位于振动感受器下方的表皮垫形式的选择性振动频率阻尼器官，将目标振动信号与机械噪声分离。表皮垫具有粘弹性，这是由甲壳素和蛋白质链之间的氢键等粘性键产生的，并且垫材料的相在高于近30 Hz的应用频率时从橡胶状变为玻璃状。这种相变允许表皮垫选择性地传输目标振动信号（高于30 Hz）并过滤低频噪声（低于30 Hz）。受蜘蛛体内的粘弹性表皮垫启发，成均馆大学Tae-il Kim等人提出了一种非常规的带通滤波器材料——粘弹性明胶-壳聚糖水凝胶阻尼器，以选择性地去除动态机械噪声伪影。水凝胶的动态力学性能与蜘蛛表皮垫相似，模量随频率增加而增加。该材料可在低于转变频率的情况下实现粘性阻尼。由于其低频阻尼，水凝胶可用于消除30Hz以下的动态噪声。成果发表在Science上。
为了研究由明胶和壳聚糖半互穿水凝胶组成的水凝胶阻尼器的选择性阻尼性能，研究人员通过壳聚糖、明胶和明胶-壳聚糖水凝胶的频率扫描进行动态力学分析。壳聚糖保持高 tanδ值是因为其链之间的粘性键在总频率上，而明胶具有明显的相变。假设外部振动刺激将聚合物基质的粘性键（如氢键）从主要的壳聚糖水凝胶中解离，将疏水相互作用从主要的明胶水凝胶中解离，并以刺激的方式重新排列壳聚糖和明胶链。明胶和壳聚糖的混合物表现出高阻尼和相变，因此可以实现选择性频率阻尼。机械压缩试验表明，剪切增稠阻尼特性降低了频率滞后，阻尼机制主要来自粘性弱键的断裂和恢复。这些选择性的频率阻尼特性可用于生物电子学。与传统电极上的水凝胶材料集成可以兼容检测脑电图（EEG）和心电图（ECG）信号等电生理信号。水凝胶阻尼电极旨在消除低频机械噪声，同时通过电通路传输电生物生理信号。为了将选择性阻尼材料应用于检测不同的机械生物生理信号，研究人员设计了一种原型装置，该装置由涂在机械传感器上的 2 毫米厚的水凝胶组成。研究人员展示了一种受蜘蛛振动感应狭缝器官启发的纳米级机械传感器，该传感器具有用于无线数据采集的蓝牙模块和使用加热器和热电偶的温度变化闭环补偿系统。
图|蜘蛛表皮垫中的选择性噪声阻尼和生物启发的明胶-壳聚糖水凝胶阻尼器设计水凝胶阻尼器的弛豫时间可以根据用户的需求改变阻尼曲线和传输频率。当聚合物链具有较高的扩散速率时，它们有更多的机会恢复其应力，从而在给定的机械刺激下导致快速的弛豫时间。其中，弛豫时间由明胶的温度和分子量决定，这会影响链的扩散速率。此外，粘弹性特性可以通过调节温度来控制；通过控制温度可以改变阻尼频率，这样就可以根据用户需求调节阻尼频率。研究人员将该水凝胶的阻尼特性与市售聚合物阻尼器进行了比较。当在不同频率下测量每个阻尼器的单位体积吸收能量以研究能量吸收能力时，水凝胶阻尼器在 27° 和45°C 时的峰值阻尼能量至少是次优阻尼材料的6.7倍。此外，水凝胶阻尼器的吸收能量比较表明，噪声和目标信号之间的选择性非常好，是其他阻尼材料的20倍以上。水凝胶阻尼器的阻尼系数也比其他阻尼材料大 3.35 倍以上。因此，在水凝胶阻尼器的情况下，阻尼带宽很窄，而其他阻尼器则显示出较宽的带宽。在 Ashby 图中更广泛的材料类型中，水凝胶阻尼器靠近传统水凝胶，接近千帕范围。图|明胶-壳聚糖水凝胶阻尼器与其他阻尼材料相比的阻尼性能最后，研究人员将水凝胶阻尼器应用于生物电子学中，无需信号处理即可连续检测生物信号。在人体信号采集展示示例中，带有水凝胶阻尼器的传感器可以将说话声信号与吞咽、抬举手腕等运动信号分离得相对清晰，这表明无论机械噪声如何，带有水凝胶阻尼器的传感器都可以利用选择性机械信号目标。此外，研究人员还将水凝胶阻尼器用于获取电生理信号（脑电图和心电图），同样，无论外部机械噪声如何，水凝胶阻尼器采集到的生理信号都是稳定且清晰的。
图|使用水凝胶阻尼器对生物生理信号进行高信噪比检测综上所述，粘弹性材料的选择性频率阻尼将机械噪声降至最低，并能在噪声条件下以高信噪比检测生物生理信号。与机械噪声干扰后的信号处理相比，材料本身的选择性频率阻尼将更有效地获取清晰的信号。通过这种方式，与刚性可穿戴电子设备相比，粘弹性软材料可以加速不需要信号处理步骤的软柔性生物电子设备的实时应用。Cuticular pad–inspired selective frequency damper for nearly dynamic noise–free bioelectronics. Science 2022.DOI:10.1126/science.abj9912 https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj9912
