Med Hamburg, 12.11.2026 – Eine EEG-Kappe, acht drahtlose Kanäle und ein Hydrogel, das nicht nach wenigen Stunden schlappmacht: Chinesische Forschende haben eine nichtinvasive Gehirn-Computer-Schnittstelle entwickelt, die längerfristige Messungen ermöglichen soll. Bei visuellen Gedankentipp-Tests erreichte das System eine Genauigkeit von mehr als 94 Prozent. Die Probandinnen und Probanden konnten sich dabei frei bewegen, lesen oder essen; die Messungen blieben über acht Stunden stabil.

Hinter der Entwicklung stehen Teams der Guangxi University, der Guangxi Medical University und der Tsinghua University. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der Fachzeitschrift „npj Flexible Electronics“. Die neuartige Gradienten-Hydrogel-Elektrode lässt sich in eine handelsübliche EEG-Kappe integrieren. Sie verbindet eine weiche Kontaktfläche an der Kopfhaut mit einer stabilen Schaltungsverbindung. Eine kontinuierliche Freisetzung von Elektrolyt soll Bewegungsartefakte verringern und die Betriebsdauer verlängern.

Ein Hydrogel gegen das Austrocknen

Das Problem herkömmlicher Gel-Elektroden ist ziemlich alltäglich: Das Gel trocknet aus, nach wenigen Stunden sinkt die Signalqualität. Trockene Elektroden wiederum haben meist höhere und instabilere Hautimpedanzen, erzeugen stärkere Bewegungsartefakte und können mit Metallstiften die Haut verletzen. Nasse Elektroden liefern zwar gute Signale, brauchen aber leitfähige Paste, sind mühsamer anzubringen und trocknen ebenfalls innerhalb weniger Stunden aus.

Die semitrockene Hydrogel-Elektrode soll beides zusammenbringen: die niedrige Impedanz nasser Elektroden und die einfachere Anwendung trockener Systeme. Die in der Studie von Hailing Xue und weiteren Forschenden beschriebene Elektrode wurde am 12. Juni 2023 in Microsystems & Nanoengineering, Band 9, Artikel 79, veröffentlicht. Ihr Aufbau besteht aus zwei Hydrogel-Schichten.

Die leitfähige Schicht enthält Natriumalginat, Polyacrylamid, Kaliumchlorid, Glycerin und PEDOT:PSS. Mobile Ionen sorgen für hohe Leitfähigkeit, eine niedrige Hautimpedanz und mechanische Robustheit. Die zweite Schicht haftet fest an Kunststoff- oder Glassubstraten und soll Bewegungsartefakte reduzieren. Sie besitzt ein ähnliches Polymernetzwerk, kommt aber ohne Elektrolyt und PEDOT:PSS aus. Beide Schichten werden durch UV- und Wärmebehandlung hergestellt und bilden gemeinsam mit einem Ag/AgCl-Kontakt eine integrierte Struktur.

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Im Inneren besitzt das Hydrogel ein doppeltes Netzwerk aus kovalenten und ionischen Vernetzungen. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen zeigten eine poröse Oberfläche sowie größere Poren im Inneren. Für behaarte Kopfhaut fertigten die Forschenden verschiedene Elektrodengeometrien. Das Material ließ sich über das Verhältnis von Natriumalginat zu Acrylamid sowie über die Konzentration von Vernetzern und KCl einstellen. Gewählt wurde schließlich ein Kompressionsmodul von etwa 20 kPa – ungefähr im Bereich menschlichen Gewebes. Auch nach 200 Kompressionszyklen veränderte es sich nur gering; die Kurven lagen weitgehend übereinander.

Fest auf der Haut, stabil im Signal

Damit die Elektrode nicht bei jeder Bewegung verrutscht, behandelten die Forschenden die Substratoberflächen mit Sauerstoffplasma. Das machte sie rauer und führte Hydroxylgruppen ein. Zusätzlich verbesserten HMDA, TMSPMA oder Benzophenon die Haftung. TMSPMA wirkte besonders gut auf Glas, Polyamid und Gummi, Benzophenon vor allem auf PVC und Polypropylen. Die Haftfestigkeit der getesteten Substrate nahm innerhalb von 14 Tagen nicht ab. Nach dem Aushärten war zwischen leitfähiger und haftender Schicht keine erkennbare Delamination zu sehen.

Eine wichtige Rolle spielt Glycerin. Es verringerte den Wasserverlust des Hydrogels deutlich: Nach drei Tagen an der Luft behielt glycerinhaltiges Hydrogel mehr als die Hälfte seiner Wassermasse und blieb nach sieben Tagen äußerlich intakt. Hydrogel ohne Glycerin schrumpfte dagegen nach drei Tagen auf etwa 25 Prozent seiner ursprünglichen Masse und trocknete aus.

Bei Messspannungen unter 20 Volt lag die Hautkontaktimpedanz von Hydrogel- und Nasselektroden unter 0,4 kΩ. Trockene Elektroden kamen auf bis zu etwa 15 kΩ. Höhere KCl-Konzentrationen senkten die Kontaktimpedanz weiter. Bei kontinuierlicher Messung blieb die Hydrogel-Elektrode bis zu zwölf Stunden unter 0,4 kΩ. Bei der Nasselektrode stieg die Impedanz durch Austrocknen nach ungefähr vier Stunden auf 10 kΩ und wurde nach fünf Stunden sehr groß.

Auch in der elektrochemischen Impedanzspektroskopie schnitt das Hydrogel stabil ab: Bei physiologisch relevanten Frequenzen zwischen 100 Hz und 100 kHz lag die Impedanz unter 0,25 kΩ. Im EEG-relevanten Bereich von 0,5 bis 50 Hz blieb die maximale Impedanz unter 5 kΩ.

Die Materialtests gaben außerdem keinen unmittelbaren Anlass zur Sorge. Zelltests mit 3T3-Mausfibroblasten zeigten bei allen getesteten Einweichzeiten eine Zellviabilität von mehr als 100 Prozent im Vergleich zur Kontrolle. Unterschiedliche Monomerverhältnisse führten zu keinen signifikanten Unterschieden. Bei Kaninchen waren nach bis zu sieben Tagen Hautkontakt weder Rötungen noch Schwellungen oder Exsudation zu beobachten; histologische Untersuchungen zeigten keine Entzündungsreaktion.

Was die Elektrode im EEG erkennt

Für die EEG-Tests verwendeten die Forschenden ein 32-Kanal-System nach dem internationalen 10–20-System mit einer Abtastrate von 1000 Hz. Verglichen wurden Hydrogel-, Nass- und Trockenelektroden. Beim N170-Test absolvierten drei gesunde Personen eine Wortfarb-Aufgabe. Hydrogel- und Nasselektroden lieferten ähnliche Rohsignale und erfassten beide einen negativen Peak bei etwa 170 Millisekunden. Der Zeitunterschied zwischen den Peaks lag unter 13 Millisekunden. Die Trockenelektroden rauschten stärker; ein klarer N170-Peak war nicht zu erkennen.

Vier weitere gesunde Personen nahmen an einem visuellen Suchtest für die P300-Komponente teil. Hydrogel- und Nasselektroden zeigten etwa 300 Millisekunden nach Beginn der Stimulation eine Reaktion. Bei den Trockenelektroden schwankte das Signal stark, die P300-Komponente war kaum sichtbar.

Für die Humanstudien übertrug ein drahtloses System mit acht Kanälen die gemessenen Gehirnströme an einen Computer. Mithilfe einer flackernden virtuellen Tastatur gaben die Probanden gezielt Ziffern und Datumsangaben ein. Genauigkeit: mehr als 94 Prozent. Das klingt nach einem kleinen Detail, ist aber genau der Moment, in dem aus einer Messung ein nutzbares Steuersignal wird.

Beim Tragen berichteten die Testpersonen über keine Beschwerden; Haar- oder Hautreste blieben nicht zurück. Die Elektroden ließen sich an einer EEG-Kappe befestigen, ohne leitfähige Paste aufzutragen. Nasselektroden waren nach dem Entfernen mit Paste bedeckt, Metallstift-Elektroden verursachten bei Hauttests Verletzungen. Nach zwölf Stunden unter Belastung zeigte das Hydrogel auf Schweinehaut keine Schäden, während Trockenelektroden deutliche Verletzungen hinterließen.

Auch über längere Zeit hielt die Verbindung. Bei einer kontinuierlichen N170-Aufzeichnung über zwölf Stunden blieben die Wellenformen ähnlich, das Leistungsspektrum der Hydrogel-Elektrode blieb konsistent. Bei der Nasselektrode nahm besonders die niederfrequente Leistungsdichte zu. Die Echtzeitimpedanz des Hydrogels blieb zwölf Stunden lang unter 150 kΩ; die Nasselektrode trocknete nach etwa acht Stunden aus. In einem Wiederverwendungstest über 14 Tage mit täglich zwei Stunden Tragezeit konnten weiterhin N170-Signale aufgezeichnet werden, die Leistungsspektren blieben ähnlich.

Ganz fertig ist die Sache trotzdem nicht. Die Wasserretention könnte weiter verbessert werden, außerdem wurde eine mögliche Hemmung von Bakterienwachstum nicht untersucht. Jiaqi Lin und Hailing Xue reichten für die beschriebenen Hydrogel-Elektroden ein Patent ein.

Vom EEG-Signal zum Befehl

Brain-Computer-Interfaces, kurz BCIs oder auch Brain-Machine-Interfaces, verbinden das Gehirn direkt mit einem Computer, ohne dass periphere Nerven oder Gliedmaßen aktiviert werden müssen. Sie erf