Eletrodos chineses de hidrogel mantêm sinais cerebrais estáveis por horas, com precisão de digitação superior a 94%

Uma conexão mais suave com o couro cabeludo mantém os sinais cerebrais legíveis por mais tempo

Pesquisadores da Universidade de Guangxi, da Universidade Médica de Guangxi e da Universidade Tsinghua desenvolveram eletrodos de hidrogel que alcançaram mais de 94% de precisão em uma tarefa de digitação visual durante testes realizados ao longo de 14 horas em repouso. Em outro experimento, os eletrodos registraram sinais cerebrais estáveis por oito horas enquanto um participante caminhava, comia, lia e dormia.

Descrito na npj Flexible Electronics, o dispositivo enfrenta um problema prático das interfaces cérebro-computador (BCIs, na sigla em inglês): manter os sensores em contato confiável com uma pessoa em movimento durante boa parte do dia. Eletrodos convencionais podem perder qualidade de sinal à medida que o gel condutor seca ou o contato com o couro cabeludo se desloca.

Os pesquisadores chamam o dispositivo de eletrodo adaptativo de gradiente biomimético da pele. Sua estrutura muda gradualmente, com uma superfície macia junto ao couro cabeludo e uma extremidade mais firme conectada ao equipamento eletrônico. Os poros no interior do material também variam de tamanho, ajudando a liberar o eletrólito necessário para manter o contato elétrico.

O melhor resultado de digitação veio de uma tarefa em que um participante olhava para um teclado virtual com teclas piscando. Outra tarefa, com alvos visuais em movimento, alcançou precisão superior a 90%. Junto com o experimento de registro durante atividades cotidianas, os resultados apontam para equipamentos que poderiam funcionar além de sessões de laboratório rigidamente controladas.

Para pessoas que talvez venham a usar esses sistemas para se comunicar ou passar por monitoramento prolongado, um contato confiável é tão importante quanto uma demonstração bem-sucedida que dure poucos minutos. O sensor precisa continuar coletando informações úteis enquanto o usuário muda de posição, descansa ou realiza atividades comuns.

O que o teste de digitação realmente envolveu

A equipe instalou os eletrodos em uma touca comercial de eletroencefalografia (EEG). O EEG mede a atividade elétrica associada ao cérebro por meio de sensores no couro cabeludo. Em uma BCI, um software processa essas medições e transforma padrões selecionados em comandos.

O experimento em repouso durou 14 horas, com um participante realizando testes em intervalos de uma hora. Durante a tarefa de digitação sem movimento, o participante olhava para teclas piscando em um teclado virtual para inserir os números de um a nove e datas. A precisão superou 94%.

Uma BCI guiada visualmente usa a resposta do cérebro ao que a pessoa está observando. O teclado oferece um conjunto estruturado de opções, e o sistema usa a resposta registrada para identificar a seleção desejada. Assim, o participante se comunica prestando atenção a uma tela, sem pressionar fisicamente as teclas.

Na outra tarefa, linhas coloridas percorriam quadrados virtuais enquanto o participante se concentrava em alvos determinados. A precisão superou 90%. Nesse caso, o elemento em movimento fazia parte da tarefa visual; as oito horas de registro durante atividades físicas cotidianas vieram de um experimento separado.

Essa distinção ajuda a entender os resultados na prática. O estudo avaliou tanto se os eletrodos conseguiam preservar os registros cerebrais durante movimentos comuns quanto se podiam permitir seleções precisas em testes repetidos de BCI ao longo de uma longa sessão em repouso.

Por que os eletrodos convencionais perdem desempenho

Eletrodos tradicionais de EEG úmido geralmente combinam um componente metálico rígido com gel condutor. O gel ajuda os sinais elétricos a atravessarem a interface entre a pele e o sensor. Quando a água evapora, essa conexão se torna menos confiável.

Os pesquisadores apontam que os eletrodos úmidos convencionais costumam funcionar de forma estável por cerca de duas a quatro horas. Na comparação com eletrodos comerciais com gel, alguns canais convencionais de registro ficaram quase inutilizáveis após aproximadamente quatro a cinco horas devido à desidratação. Um canal é uma conexão de registro individual dentro do sistema de EEG.

O movimento cria outra dificuldade. Um eletrodo rígido fica apoiado sobre a pele macia e flexível, e as duas superfícies reagem de maneira diferente quando o usuário se movimenta. Pequenos deslocamentos podem introduzir alterações elétricas indesejadas, chamadas artefatos de movimento, que dificultam a identificação do sinal cerebral.

Deixar todo o eletrodo macio resolve apenas parte do problema. O couro cabeludo precisa de uma superfície de contato flexível, enquanto a conexão com o equipamento de registro precisa de suporte mecânico. O novo design confere propriedades diferentes às partes do mesmo eletrodo.

Como o hidrogel passa de macio a firme

Hidrogéis são redes de polímeros que retêm água. Neste eletrodo, os pesquisadores usaram uma mistura precursora com um polímero condutor e nanos folhas de prata, despejaram-na em moldes e congelaram o material para estabelecer uma estrutura inicial.

Nos ciclos seguintes de congelamento e descongelamento, aplicaram calor de um lado e resfriamento do outro. A diferença de temperatura resultante ajudou a criar uma estrutura interna irregular, em vez de um material com propriedades idênticas em toda a sua extensão.

O mecanismo de fabricação envolve o efeito Marangoni, no qual diferenças de tensão superficial provocam o movimento de um líquido. Os pesquisadores usaram um gradiente de temperatura para induzir uma reticulação desigual, ou seja, a formação de ligações na rede polimérica. Como resultado, algumas regiões desenvolveram uma rede mais densa do que outras.

O eletrodo pronto apresenta uma mudança gradual de rigidez. Sua extremidade mais macia acompanha melhor o couro cabeludo, enquanto a mais firme sustenta a conexão com o circuito. O design se inspira na pele, cujas camadas têm propriedades mecânicas diferentes.

Os poros internos também mudam gradualmente ao longo do eletrodo. Segundo os pesquisadores, essa estrutura favorece a liberação contínua de eletrólitos. Eletrólitos contêm partículas carregadas móveis que ajudam a conduzir eletricidade; por isso, manter seu fornecimento na superfície de contato ajuda a preservar a conexão de registro ao longo do tempo.

Assim, o material atende a duas necessidades relacionadas em uma única estrutura: um contato físico que tolera movimentos e uma interface condutora que dura mais enquanto o dispositivo é usado.

O que aconteceu durante oito horas de atividades cotidianas

O experimento de registro em humanos usou uma touca com oito canais de EEG que transmitiam dados sem fio para um computador. Um participante a usou enquanto caminhava, comia, lia e dormia, com registros estáveis mantidos por oito horas.

Essas atividades impõem exigências diferentes ao contato entre o eletrodo e o couro cabeludo. Caminhar envolve movimentos repetidos, comer movimenta os músculos ao redor da cabeça, e dormir muda a posição em que a cabeça fica apoiada. Manter registros utilizáveis em todas essas situações é essencial para o esforço da equipe de tornar o EEG menos dependente de que a pessoa fique imóvel.

Os períodos de teste relatados podem ser entendidos por meio de três marcos concretos:

• Após cerca de quatro a cinco horas, alguns canais com eletrodos comerciais de gel estavam quase inutilizáveis no experimento de comparação.
• Ao longo de oito horas de atividades cotidianas, os eletrodos de gradiente mantiveram registros estáveis de EEG.
• Durante uma sessão em repouso de 14 horas, testes repetidos de digitação visual alcançaram precisão superior a 94%, enquanto a tarefa com alvos visuais em movimento superou 90%.

As oito horas de registro estável durante atividades cotidianas foram cerca de duas vezes o limite superior das duas a quatro horas que os pesquisadores descrevem como típicas dos eletrodos úmidos convencionais. A sessão mais longa em repouso avaliou o desempenho em outra condição, com menos movimento físico.

Os resultados dizem respeito a registros prolongados e tarefas de seleção específicas. Para um futuro usuário, o benefício prático seria ter menos interrupções causadas pela deterioração do contato do sensor durante uma sessão de monitoramento ou comunicação.

De um lote de laboratório a um dispositivo vestível

Segundo a equipe, o processo de fabricação pode produzir 300 eletrodos de uma só vez, com dimensões ajustadas para se encaixar em toucas comerciais de EEG. A compatibilidade com as toucas existentes abre caminho para incorporar o design a equipamentos já usados para posicionar sensores ao redor da cabeça.

Os pesquisadores descrevem o processo como adequado à produção a um custo razoável. As descrições do estudo não informam o preço por eletrodo, a data de lançamento comercial, o número total de participantes nem a velocidade de digitação. Esses dados ajudariam a determinar o custo, a consistência dos resultados entre diferentes usuários e a rapidez com que alguém poderia se comunicar.

Antes dos experimentos em humanos, a equipe testou a biocompatibilidade em camundongos e não relatou reações adversas. Biocompatibilidade se refere à interação de um material com tecidos vivos, incluindo a possibilidade de o contato causar uma resposta indesejada.

Os resultados de fabricação e compatibilidade são importantes tanto quanto os índices de precisão. Um eletrodo vestível destinado ao uso repetido precisa ter uma estrutura reproduzível, encaixe adequado e contato aceitável com a pele, além de fornecer um sinal elétrico forte.

Onde o design se encaixa na pesquisa de BCI da China

A Academia Chinesa de Tecnologia da Informação e Comunicação identifica a qualidade dos eletrodos e o conforto durante o uso como áreas centrais de desenvolvimento em seu relatório de pesquisa sobre BCI de 2025. Os exemplos mostram que pesquisadores estão explorando várias formas de melhorar o contato entre sensores e o corpo.

Na Universidade Sun Yat-sen, pesquisadores desenvolveram um adesivo com eletrodos secos e microagulhas. O relatório da academia afirma que o design melhorou a qualidade do sinal em comparação com uma estrutura plana convencional e alcançou precisão de sinal no nível de uma microagulha individual.

A Universidade de Tecnologia de Ilmenau, na Alemanha, desenvolveu eletrodos secos com pinos inclinados dispostos como uma flor. Segundo o relatório, essa configuração melhora o conforto ao sentar e deitar de costas, o que a torna relevante para pessoas que passam longos períodos na cama.

A abordagem da equipe do hidrogel se concentra em outra combinação de propriedades: uma mudança gradual de rigidez e um fornecimento contínuo de eletrólito. Em todos esses designs, o objetivo prático comum é coletar sinais úteis sem que o uso prolongado se torne desconfortável ou pouco confiável.

A academia informa que mais de 80% das empresas de BCI no mundo desenvolvem tecnologias não invasivas, enquanto quase 20% trabalham com abordagens invasivas. O relatório atribui a maior participação das tecnologias não invasivas às vantagens de segurança, à maior aceitação pelo mercado, aos menores custos de desenvolvimento e aos ciclos mais curtos de comercialização.

Por que registros mais longos são importantes para a saúde

Idosos e pacientes com doenças crônicas estão entre os grupos que poderiam se beneficiar de registros mais longos feitos com dispositivos vestíveis. O relatório da academia identifica a coleta contínua de dados como adequada a cuidados que exigem monitoramento estável por períodos prolongados.

O sono é um exemplo concreto. O relatório lista dispositivos de monitoramento do sono para consumidores entre os produtos existentes de saúde cerebral não invasivos e inclui distúrbios do sono entre as aplicações médicas em desenvolvimento. Um eletrodo que continua conectado enquanto a pessoa se deita e muda de posição atende a uma necessidade prática nesse contexto.

Os pesquisadores do hidrogel também apontam a pesquisa neurológica e o monitoramento clínico como possíveis usos, incluindo alertas relacionados à epilepsia. A obtenção confiável de sinais de EEG fornece os dados necessários a um sistema desse tipo; um serviço de alertas clínicos também exigiria métodos para interpretar esses dados e avaliar os avisos em pacientes.

A comunicação é outro uso possível. A academia descreve produtos de BCI destinados a ajudar pessoas com esclerose lateral amiotrófica e outras deficiências motoras a digitar ou controlar equipamentos. Para alguém que depende de uma tela para selecionar caracteres, uma conexão estável poderia ajudar a manter o acesso durante uma sessão mais longa.

O estudo aproxima essas possibilidades da questão prática do uso: se um eletrodo consegue continuar funcionando à medida que as horas passam e a pessoa segue sua rotina. Sua principal contribuição é uma estrutura de material que manteve os registros durante movimentos e permitiu seleções visuais precisas em testes prolongados.

Principais pontos

• Pesquisadores da Universidade de Guangxi, da Universidade Médica de Guangxi e da Universidade Tsinghua desenvolveram eletrodos de hidrogel com rigidez que muda gradualmente.
• A precisão da digitação visual superou 94% em testes repetidos durante uma sessão de 14 horas em repouso.
• Um experimento separado manteve registros estáveis de EEG por oito horas durante caminhadas, refeições, leitura e sono.
• O contato macio com o couro cabeludo, a conexão mais firme com o circuito e a estrutura de poros variáveis ajudam a enfrentar o movimento e a secagem na interface do eletrodo.
• O processo permite produzir 300 eletrodos simultaneamente, em tamanhos compatíveis com toucas comerciais de EEG.
• Os possíveis usos incluem comunicação, monitoramento do sono e cuidados neurológicos; aplicações clínicas específicas ainda precisam ser avaliadas.