表皮電子再顯神威 可穿戴設(shè)備出現(xiàn)新轉(zhuǎn)機

　　一提起可穿戴設(shè)備，我們腦海里會想起蘋果手表、谷歌眼鏡以及Fitbit手環(huán)，然而，這些可穿戴設(shè)備體型仍然很大，并且能測量的人體數(shù)據(jù)比較有限，仍然停留在非?；A(chǔ)的數(shù)據(jù)上，更深入的數(shù)據(jù)，腦電圖、肌電圖、心電圖和汗液都無法測量，這就限制了可穿戴設(shè)備在健康醫(yī)療上的應(yīng)用，因此不少人認為現(xiàn)在的可穿戴設(shè)備仍然是一個看起來很炫酷的「玩具」，中看不中用。

　　對此，科學家們想要用一種全新的方式來定義可穿戴設(shè)備，這種可穿戴是電子學與生物學的融合，質(zhì)量非常輕，無需戴在手上，而是像刺青或者貼畫一樣直接黏在皮膚上，能夠測量人體更豐富的數(shù)據(jù)，而這種可穿戴設(shè)備，就是「表皮電子」，也叫「電子紋身」。

　　這個月，《科學》雜志上連續(xù)發(fā)表了兩篇有關(guān)「表皮電子」的新突破，一項是11月23日發(fā)表在Science Translational Medicine期刊上，能夠在人運動中測量人體汗液表皮電子，另外一項是11月16日發(fā)表在Science Advances期刊上，能夠測量心電圖和肌電圖，還能充當「人機接口」角色的表皮電子。這兩項研究，都在同一個人指導下完成，那就是國際知名的柔性電子學專家約翰·羅杰斯（John Rogers）。

　　約翰·羅杰斯（John Rogers）

　　約翰羅杰斯教授于1995年在麻省理工學院（MIT）獲得了物理化學博士學位，之后曾在Bell實驗室擔任凝聚態(tài)物理研究組組長。從2003年開始，羅杰斯教授在伊利諾伊大學香檳分校擔任化學工程系教授至今。并從今年9月份開始，擔任西北大學生物集成電子中心的教授兼主任。

　　1.能夠測汗液成分的可穿戴設(shè)備

　　上圖就是羅杰斯教授研發(fā)的能夠在運動中測量汗液成分的表皮電子。這個漂亮的可穿戴設(shè)備非常輕巧，而且很柔軟，采用醫(yī)用級丙烯酸膠膜，對皮膚無刺激性，這種材料能夠讓「貼片」穩(wěn)定、結(jié)實、無縫地黏在皮膚上，即使在頭發(fā)覆蓋的頭皮處或在出汗很大的地方也能牢固地黏上。它的功能非常強大，可以根據(jù)使用者運動時產(chǎn)生汗水里的代謝物和電解質(zhì)，監(jiān)測到用戶的身體健康情況，并將數(shù)據(jù)實時同步到智能手機上。不過這種硬幣大小的皮膚貼片是一次性使用的，本身無需充電，有效使用時間僅為幾個小時。

　　儲存器的試劑與汗液作用后會顏色會改變

　　這個皮膚貼片由三個部分疊加：首先是與皮膚相容的膠粘層可以收集汗水。其次是四個單獨的圓形「儲存器」中，每個「儲存器」中包含了不同的試劑，代表著葡萄糖、氯化物、乳酸鹽和pH指數(shù)，當汗液流入這里后便會和試劑發(fā)生化學反應(yīng)，然后「儲存器」顏色會相應(yīng)地改變。最后是一個環(huán)形天線，可以通過NFC（近距離無線通訊技術(shù)）傳遞數(shù)據(jù)到智能手機上。

　　利用智能手機分析分析汗液成分

　　使用者會在手機上安裝一個相應(yīng)的APP，首先利用智能手機的照相機功能進行「白平衡」的校準，確定此時的光和陰影。校準后拍攝變色后的「皮膚貼片」，根據(jù)儲存器RBG變化來確定收集汗液中的葡萄糖、氯化物、乳酸鹽和pH指數(shù)，研究人員稱可以可靠地測量0.5單位的pH單位，0.2單位的氯化鈉，0.3單位的乳酸，和0.1單位的葡萄糖的濃度，分別對應(yīng)于在RGB圖像的R通道1%的變化。

　　在實驗中，羅杰斯教授找了21個健康的志愿者，在胳膊上和后背貼上了這種「皮膚貼片」。其中9個志愿者在健身房騎單車，另外12個志愿者參加在圖森市的戶外長途自行車競賽。為了對比結(jié)果，研究者將志愿者的汗液吸在紙墊上，將濕樣本送到實驗室進行分析。最后的結(jié)果是，無論是室內(nèi)還是室外的運動，「皮膚貼片」都能夠工作，而且測量汗液的結(jié)果和傳統(tǒng)方法是一致的

　　「它似乎真的很實用」，斯坦福大學化學工程教授鮑哲南說，她同樣從事新型生物醫(yī)學材料的研究，但是并沒有參與本次研究 。通過簡單地看一個顏色變化，「這樣的貼片讓人們了解他們的健康狀況，并且知道運動是如何改變的?！?/p>

　　一開始，羅杰斯教授的目的是想要通過這個「皮膚貼片」提醒人們在運動過中及時補充電解質(zhì)，防止脫水。但隨著研究進一步深入，羅杰斯想象了更復雜的應(yīng)用場景，如在軍事訓練期間對身體實時監(jiān)控，甚至可以篩選患有糖尿病或囊性纖維化的疾病的人。

　　2.利用機械波的可穿戴設(shè)備

　　另外一項研究是由科羅拉多大學博爾德分校和西北大學聯(lián)合開發(fā)的表皮電子。這個可穿戴設(shè)備功能同樣強大，能夠通過人體的機械波測量心電圖、肌電圖，還能作為控制外部機器的人機接口。聯(lián)合研究的參與者有科羅拉多大學助理教授Jae-Woong Jeong、西北大學的黃永剛教授以及約翰·羅杰斯。

　　人體內(nèi)的機械波主要有兩種，水波和聲波。水波，就是人體體液相互之間激蕩所產(chǎn)生的。聲波，則是通過人體聲帶震動，以空氣為媒介產(chǎn)生的，兩種機械波蘊藏著巨大的臨床應(yīng)用的信息。但兩種機械波的頻率和強度都超出了人的聽覺范圍，只能借助聽診器或者數(shù)字加速度器來收集相關(guān)信息，但是這種方法不適用于連續(xù)的、實時的收集模式。

　　這個柔軟的表皮電子只有20毫米厚，重量只有213.6毫克，它由柔軟材料組成，可以適應(yīng)人體的曲度，最外層的硅橡膠可以蒸發(fā)人體的汗水，因此可以「貼」在身體任何一個地方。

　　可別小瞧了這個表皮電子，它可以連續(xù)監(jiān)測人體內(nèi)通過組織和體液傳播的機械波，揭示人體獨特的聲學特征，通過持續(xù)收集心臟瓣膜的打開和關(guān)閉的數(shù)據(jù)來監(jiān)測心臟健康、通過收集聲帶振動的數(shù)據(jù)來識別人們發(fā)出的「單詞」，甚至它可以監(jiān)測腸道蠕動的情況。

　　「這個傳感器非常輕，可在日常生活中用于心血管監(jiān)測，語音識別和人機接口」， Jeong說，「它非常方便、舒適，可以把它看做微型的、可穿戴的聽診器?！?/p>

　　傳感器的組成情況

　　這個表皮電子最外層是柔軟的、延展非常好的彈性硅橡膠層，里面包裹著微型加速度計、放大器、電阻器和電容器。加速度計振動頻率為0.5到550赫茲，身體重要器官發(fā)出的機械波都在這個范圍之間。并且可以組合不同的電極，比如說與記錄ECG（心電圖）信號的電極組合在一起，就可以監(jiān)測心臟的活動。當和EMG（肌動電流圖）信號組合在一起，就可以監(jiān)測肌肉在靜息和收縮期間的活動。當它與外部數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接時，就變身為一個無線設(shè)備。Jeong認為，這種微型傳感器特別適合遠程醫(yī)療，幫助醫(yī)生做出快速、準確的判斷。

　　傳感器延展性非常好，能夠輕松地附在皮膚上

　　在亞利桑那大學合作的一家私人診所Camp Lowell Cardiology中研究者挑選了8名老年志愿者，研究者這個表皮電子貼在了實驗對象的主動脈、肺部、心臟三尖瓣、二尖瓣（超聲波探頭定位）的位置。最終結(jié)果是，與商用聽診器相比，它能夠監(jiān)測心電活動，并且能夠檢測出心臟雜音。在隨后的研究中，它也可以用于監(jiān)測心室輔助裝置（LVADs），同時也具備檢測血液中「血塊」的功能，這有助于預防血栓的形成。

　　作為人機接口控制《吃豆人》

　　另一方面，這個表皮電子具備語音識別的能力。研究者把它貼在了人體的喉嚨部分，通過捕捉發(fā)音肌肉群的肌電圖（EMG）信號，表皮電子具備語音識別的功能，以此作為控制外部機器的「人機接口」。在實驗中，實驗對象喉嚨部位貼有表皮電子，通過說「上、下、左、右」四個詞語，實驗對象可以控制「吃豆人」游戲，準確率為90%。

　　與麥克風記錄的語音相比，因為表皮電子是貼在皮膚上，識別的語音基本上不受噪音的影響。在噪音環(huán)境中，麥克風記錄語音的質(zhì)量明顯下降，表皮電子幾乎不受影響。

　　研究者認為，這個表皮單子可以作為人機接口發(fā)送命令到計算機，未來應(yīng)用前景非常寬廣，可以用于控制游戲、無人機和無人車。此外，它還特別適用于像「戰(zhàn)場」這樣嘈雜的環(huán)境用于語音識別。

　　研究者認為在這之前雖然已經(jīng)有不少表皮電子，但是這款傳感器首次驗證可以利用人體的機械波來監(jiān)測健康、識別語音。下一步，研究者希望把傳感器監(jiān)測的機械波頻率增加到2000赫茲，成為一個全方位監(jiān)測語音的麥克風。