可穿戴傳感器的最新進(jìn)展

可穿戴生物傳感器能夠附在皮膚表面，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)佩戴者的健康狀況和周?chē)h(huán)境。傳感器芯片配有數(shù)據(jù)讀出和信號(hào)調(diào)理電路，以及無(wú)線通信模塊，用于向計(jì)算機(jī)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)。

相關(guān)研究報(bào)告，該報(bào)告重點(diǎn)介紹了可穿戴傳感器的最新進(jìn)展，包括先進(jìn)的納米材料、制造工藝、基板、傳感器類(lèi)型、傳感機(jī)理、讀出電路和無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋约翱纱┐骷夹g(shù)的未來(lái)應(yīng)用和可能會(huì)面臨的挑戰(zhàn)。

在本文中，傳感器分為生物流體傳感器（可直接與人體接觸）和生理傳感器（需要集成在可穿戴設(shè)備或基板上），用于監(jiān)測(cè)身體各項(xiàng)指標(biāo)以及外部刺激?？纱┐鱾鞲衅髦饕糜谧R(shí)別人體表皮組織液中的各種生物標(biāo)志物，如葡萄糖、乳酸、酸堿度、膽固醇等，還可用于監(jiān)測(cè)脈率、呼吸、丙酮、乙醇、水分、溫度、運(yùn)動(dòng)/活動(dòng)、壓力/應(yīng)變、氣體等。

可穿戴電子產(chǎn)品的升級(jí)：3D打印、納米材料、柔性基板

通過(guò)設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)高效的制造流程，以及選擇合適的非平面基板，來(lái)開(kāi)發(fā)傳感器和電子設(shè)備，會(huì)讓其應(yīng)用領(lǐng)域更加多元化。與體相材料相比，各種納米材料的靈敏度和加工性能都有了提高，這在很大程度上促進(jìn)了傳感器的開(kāi)發(fā)和使用。

近年來(lái)，可穿戴傳感器和電子設(shè)備開(kāi)始用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人的健康狀況。圖1顯示了近年來(lái)有關(guān)可穿戴電子產(chǎn)品應(yīng)用的論文數(shù)量。

圖1：每年發(fā)表的論文數(shù)量，論文標(biāo)題包括可穿戴電子產(chǎn)品

各種各樣的化學(xué)、物理和光學(xué)傳感器可以分別嵌入或者組合集成到具有數(shù)據(jù)讀出和信號(hào)調(diào)理電路的柔性基板上。

此外，數(shù)據(jù)可以被無(wú)線傳輸?shù)礁浇挠?jì)算機(jī)設(shè)備中或上傳至云端，并由醫(yī)學(xué)專(zhuān)家進(jìn)行分析，他們會(huì)根據(jù)數(shù)據(jù)反映出的健康狀況給出相應(yīng)指令。聚合物基板重量輕、成本低、柔韌性好，具有可彎曲性、可折疊性、可拉伸性，能夠適應(yīng)不平整的表面，同時(shí)其造成的數(shù)據(jù)損失可忽略不計(jì)，由于這些特性，它非常適合用于傳感裝置和電路的制造。

根據(jù)目前的發(fā)展情況，可穿戴電子設(shè)備的應(yīng)用趨勢(shì)在于：利用生物傳感器，監(jiān)測(cè)人體體液、生理活動(dòng)和直接影響人類(lèi)健康的周?chē)h(huán)境中氣態(tài)分析物。圖2是一些具有代表性的例子。

在醫(yī)療保健領(lǐng)域，可穿戴傳感器的開(kāi)發(fā)面臨著許多挑戰(zhàn)，包括需要選擇合適的基板、制造技術(shù)和具有生物相容性的材料，以及如何確保同時(shí)監(jiān)測(cè)不同分析物、材料的耐洗性、讀出電路的不間斷信號(hào)等。最近，基于可穿戴基板的全有機(jī)生物相容性或混合傳感器的發(fā)展，使用于體內(nèi)監(jiān)測(cè)的可穿戴傳感系統(tǒng)成為可能。

圖2：具有代表性的可穿戴醫(yī)療傳感設(shè)備

如果在聚合物基板上開(kāi)發(fā)可穿戴傳感器，就需要相應(yīng)的制造工藝。該技術(shù)應(yīng)該考慮到基板的化學(xué)特性和熱性能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)成本效益高的大規(guī)模制造。

打印技術(shù)是最具潛力的制造方法，它可以用最少的工序，就將液相合成的功能材料沉積在所需位置。由于在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，材料得到了有效利用，以及其按需打印的特性，都使這項(xiàng)技術(shù)更具競(jìng)爭(zhēng)力。與傳統(tǒng)的硅基板相比，各種材料沉積在不同的基板上，能覆蓋更大的區(qū)域。

打印技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于：較低的材料成本、更少的工業(yè)廢物以及低成本的制造技術(shù)等。用于打印的墨水材料通常是溶解在合適溶劑里的納米分散劑，根據(jù)不同印刷技術(shù)的處理要求，技術(shù)人員會(huì)調(diào)整其流變特性。

由于納米材料具有更高的比表面積，因此非常適合用于制作傳感器。在柔性基板上打印電子元件擴(kuò)大了傳感系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是可穿戴生物傳感器，它可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生物液體和生理活動(dòng)。

在這一基礎(chǔ)上，打印可穿戴電子產(chǎn)品成了主要的發(fā)展趨勢(shì)。采用新技術(shù)將傳感器直接植入人體，或者以可穿戴設(shè)備的形式，來(lái)監(jiān)測(cè)各種與人類(lèi)健康相關(guān)的生物標(biāo)志物。

可穿戴傳感器：持續(xù)監(jiān)測(cè)健康狀況，改善醫(yī)療保健系統(tǒng)

可穿戴傳感器和電子產(chǎn)品發(fā)展迅速，特別是在健康監(jiān)測(cè)、娛樂(lè)、時(shí)尚等領(lǐng)域，引起了人們的極大關(guān)注。其中，研究的重點(diǎn)在于開(kāi)發(fā)生物傳感器，它可以很容易地集成到可穿戴設(shè)備或基板上，用于持續(xù)監(jiān)測(cè)健康狀況。

研究人員預(yù)計(jì)，可穿戴傳感器可改善醫(yī)療保健系統(tǒng)。特別是對(duì)于老年人和慢性病患者來(lái)說(shuō)，因?yàn)樗麄冃枰掷m(xù)的監(jiān)測(cè)。圖3介紹了傳感機(jī)制，通過(guò)無(wú)線傳輸設(shè)備將可穿戴系統(tǒng)連接起來(lái)，然后將連接到人體的傳感器生成的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并遠(yuǎn)程傳輸給醫(yī)學(xué)專(zhuān)家。

這些傳感器大多用于監(jiān)測(cè)生物體液，特別是汗液，也可以選擇性地監(jiān)測(cè)葡萄糖、乳酸、膽固醇和酸堿度等。汗液傳感器還可用于檢測(cè)各種生物分子和鹽濃度。對(duì)于人類(lèi)生理活動(dòng)的監(jiān)測(cè)，如脈搏、水合/脫水、溫度、運(yùn)動(dòng)、壓力等，也值得關(guān)注。

通過(guò)分析呼吸狀況，也可以監(jiān)測(cè)生物標(biāo)志物，因?yàn)樗c呼吸速率、深部體溫、酒精含量以及呼出的揮發(fā)性有機(jī)化合物有關(guān)。大多數(shù)可穿戴生物傳感器有一個(gè)單獨(dú)的檢測(cè)部件，它能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)這些不同的生物標(biāo)志物，而無(wú)需醫(yī)生進(jìn)行診斷。

利用具有生物相容性的材料和基板，可直接將傳感器=植入到人的表層皮膚，或者將傳感器整合到織入紡織纖維或作為可穿戴設(shè)備一部分的基板中。傳感和互連設(shè)備主要由液相合成的功能材料制成，這些材料在打印過(guò)程中很容易成型，這是一種非常經(jīng)濟(jì)有效的制造方法。傳感器與數(shù)據(jù)讀出和信號(hào)調(diào)理電路相連接，使數(shù)據(jù)最終能夠通過(guò)無(wú)線通信工具傳輸給計(jì)算中心或數(shù)據(jù)分析專(zhuān)家。

在大多數(shù)情況下，研究人員會(huì)選擇手持移動(dòng)設(shè)備，作為監(jiān)控單個(gè)對(duì)象的計(jì)算工具。當(dāng)需要分析多位用戶(hù)的數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)被上傳到云端，生成專(zhuān)家意見(jiàn)后再傳回給用戶(hù)。

目前，在聚合物基板上打印傳感器的異構(gòu)集成技術(shù)，引起了研究人員的關(guān)注，而現(xiàn)有的電子設(shè)備可以讓數(shù)據(jù)處理和通信過(guò)程更快，納米材料的最新發(fā)展使打印有相似基板的多功能傳感器成為可能。

圖3：通過(guò)可穿戴傳感器和數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測(cè)人體健康狀況的信號(hào)流程圖。

打印技術(shù)：制造過(guò)程更簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、高效

打印技術(shù)可用于在非平面基板上制造傳感器和電子設(shè)備。其中涉及使膠體或化學(xué)溶液中的功能材料沉積到特定位置。整個(gè)過(guò)程所需工序遠(yuǎn)少于標(biāo)準(zhǔn)的微細(xì)加工技術(shù)。

打印是一種“自底向上”的制造方法，即在生產(chǎn)過(guò)程中逐層添加材料。與傳統(tǒng)的微細(xì)加工技術(shù)相比，這一特點(diǎn)使打印成為一種簡(jiǎn)單且經(jīng)濟(jì)高效的方法。根據(jù)打印介質(zhì)與目標(biāo)基板是否接觸，打印技術(shù)可大致分為兩類(lèi)（圖4）。

在接觸式打印中，操作人員將已經(jīng)設(shè)計(jì)好表面結(jié)構(gòu)的打印介質(zhì)進(jìn)行上墨，并與目標(biāo)基板進(jìn)行物理接觸。這種技術(shù)可用于絲網(wǎng)印刷、凹版印刷、柔版印刷、移印、轉(zhuǎn)印等。

在非接觸式打印中，打印頭會(huì)將材料以微滴或連續(xù)噴射的形式噴出。這是數(shù)字化制造的一種技術(shù)，因?yàn)橐旱螘?huì)根據(jù)各自的驅(qū)動(dòng)機(jī)制按需噴射出來(lái)。這種技術(shù)主要用于壓電噴墨印刷、電流體噴墨印刷、氣溶膠噴印等。非接觸式打印更具優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗昧擞?jì)算機(jī)軟件，能快速更改設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，因此用途更加廣泛。

此外，這一技術(shù)有望改善卷對(duì)卷(R2R)印刷工藝。通過(guò)安裝不同的印刷和固化/燒結(jié)系統(tǒng)，作為通用平臺(tái)的R2R，可用于快速、大批量生產(chǎn)電子元件。但是，對(duì)于全打印或半打印傳感設(shè)備和系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以上提到的每一項(xiàng)技術(shù)或工藝都至關(guān)重要。

圖4：具有代表性的接觸式和非接觸式印刷技術(shù)

可穿戴傳感器的基板：選用具有生物相容性的惰性材料

基板會(huì)影響傳感器的物理、機(jī)械和電氣特性。可彎曲性、可折疊性和可拉伸性的程度決定了基板是否能與非平面表面相結(jié)合，這是可穿戴電子系統(tǒng)的核心要求。厚度最小的聚合物薄板可作為理想選擇。

聚酰亞胺、聚氨酯、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯萘、聚二甲基硅氧烷等，都是常見(jiàn)的聚合物基板材料。它們的化學(xué)惰性、熱絕緣性和電氣絕緣性，使這些聚合物基板成為制造傳感器和電子設(shè)備的理想材料。

用于制造皮膚傳感器和基板的材料必須具有生物相容性，最近，相關(guān)人員正在利用聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、聚乳酸和纖維素來(lái)研制聚合物基板。此外，一些紡織材料做的非傳統(tǒng)型基板也開(kāi)始應(yīng)用于可穿戴電子設(shè)備。

傳感器用于生物標(biāo)志物識(shí)別：葡萄糖、乳酸、酸堿度……

可穿戴傳感器分為兩大類(lèi)：第一種是直接貼在皮膚上的傳感器，用于檢測(cè)體液（如汗液）中的生物標(biāo)志物。第二種是監(jiān)測(cè)生理活動(dòng)的可穿戴傳感器。圖5顯示了報(bào)告中所涵蓋的具有代表性的可穿戴傳感器類(lèi)型。每一小節(jié)都對(duì)不同傳感器的幾何結(jié)構(gòu)、材料、制造技術(shù)和傳感機(jī)制作了簡(jiǎn)要介紹。

生物液體傳感器可用于識(shí)別人體表皮組織液中的各種生物標(biāo)志物，如葡萄糖、乳酸、酸堿度、膽固醇等，以及監(jiān)測(cè)脈搏、溫度、呼吸速率、血液酒精濃度等生理指標(biāo)，在醫(yī)學(xué)診斷和健康監(jiān)測(cè)方面具有潛在的應(yīng)用前景。

圖5：本報(bào)告中所涵蓋的具有代表性的可穿戴傳感器類(lèi)型

在可穿戴電子產(chǎn)品中，汗液傳感器可用于檢測(cè)與人類(lèi)健康風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的不同分析物的濃度。汗液是在特定情況下排出的體液，含有幾種與人體健康狀況有關(guān)的分析物，如鈉、氯化物、鉀、碳酸鹽、氨、鈣、葡萄糖、乳酸等。這些分析物在血液、唾液、淚液和汗液中的含量，可作為主要的生物識(shí)別物質(zhì)，用于評(píng)估人體健康狀況。

汗液傳感器可以貼在皮膚上，而且一次性傳感器貼片可以進(jìn)行更換，這種操作簡(jiǎn)單的無(wú)創(chuàng)式傳感器很適合作為可穿戴產(chǎn)品?，F(xiàn)有的大多數(shù)可穿戴傳感器都用特定的酶進(jìn)行了功能化處理，以提高對(duì)特定分析物的選擇性和敏感性。在可穿戴領(lǐng)域，各種生物液體傳感器的應(yīng)用廣泛，其中最主要的包括葡萄糖傳感器、酸堿度傳感器、乳酸傳感器、膽固醇傳感器等。生理活動(dòng)傳感器則分別用來(lái)監(jiān)測(cè)脈率、呼吸、丙酮、乙醇、水分、溫度、運(yùn)動(dòng)/活動(dòng)、壓力/應(yīng)變、氣體等。

前景展望：應(yīng)用廣泛，但仍面臨多方挑戰(zhàn)

目前，可穿戴傳感器領(lǐng)域發(fā)展迅速，已經(jīng)取得了顯著成果。這種非侵入式的方法可以用來(lái)持續(xù)監(jiān)測(cè)人類(lèi)的健康狀況，而且不僅僅局限于慢性病患者，此外，它在健身、娛樂(lè)、時(shí)尚等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用。

通過(guò)利用打印技術(shù)處理液相合成的納米材料，能制成各種帶有柔性基板的生物傳感器，使制造過(guò)程更具成本效益。越來(lái)越多的可穿戴傳感器用于識(shí)別皮膚分泌的體液中的生物標(biāo)志物，以及持續(xù)監(jiān)測(cè)生理活動(dòng)，這表明了它在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

可穿戴傳感器和系統(tǒng)有望顛覆醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域。然而，它的發(fā)展仍面臨著多種多樣的挑戰(zhàn)，從制作工藝、材料、基板、信號(hào)讀出電路到選擇性、多功能性、同時(shí)監(jiān)測(cè)性以及人類(lèi)對(duì)這些傳感器的適應(yīng)性，這些都是未來(lái)需要解決的問(wèn)題。將高級(jí)納米材料與聚合物基板相結(jié)合，是研發(fā)適形電子設(shè)備的關(guān)鍵。

聚合物基板的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較低，阻礙了密集型集成器件的開(kāi)發(fā)，這種器件擁有無(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料做成的傳感薄膜。因此，液相合成法被用于傳感器的開(kāi)發(fā)，從而在轉(zhuǎn)變溫度較低的情況下，制造較大型的設(shè)備。此外，由于不同材料的集成需要不同的制造工藝，如何將不同材料集成到多層設(shè)備結(jié)構(gòu)中，也是需要考慮的問(wèn)題。

材料和基板的生物相容性對(duì)于可穿戴電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)十分重要，尤其是植入皮膚/表皮的傳感器。材料的物理、機(jī)械和化學(xué)特性需要和基板的特性匹配，以避免在熱學(xué)、電學(xué)和多層集成上出現(xiàn)問(wèn)題?？晌丈锊牧虾突逵型糜陂_(kāi)發(fā)植入式電子產(chǎn)品。

可穿戴電子產(chǎn)品的實(shí)際操作也面臨一些挑戰(zhàn)，即需要特殊條件和傳感器的預(yù)處理，來(lái)提高靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性和檢測(cè)極限等。其中一些處理方法，例如在氣體傳感器中使用微型加熱器進(jìn)行局部加熱，或利用化學(xué)處理來(lái)恢復(fù)初始狀態(tài)，在傳感器整合到可穿戴設(shè)備上的情況下，都是沒(méi)有效果的。

同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)分析物也具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)椴煌瑐鞲衅髦g的串?dāng)_會(huì)影響其選擇性檢測(cè)。此外，在長(zhǎng)時(shí)間保持相同的操作水平時(shí)，增加傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和無(wú)線信道的密度將需要更多的電力支持。在這種情況下，選擇持久耐用的可穿戴電池、超級(jí)電容器、高效太陽(yáng)能電池和燃料電池等，能保證整個(gè)系統(tǒng)順利運(yùn)行。此外，還需要開(kāi)發(fā)方便高效的通信工具/信道和制定相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，保證傳感器節(jié)點(diǎn)和計(jì)算設(shè)備之間數(shù)據(jù)的流暢傳輸。

研究人員還需考慮到數(shù)據(jù)安全的問(wèn)題，因?yàn)檎麄€(gè)過(guò)程涉及穿戴者的大量個(gè)人信息。網(wǎng)絡(luò)攻擊或操作不當(dāng)導(dǎo)致的安全漏洞，可能導(dǎo)致對(duì)個(gè)人健康狀況的錯(cuò)誤分析，從而產(chǎn)生嚴(yán)重后果。因此，需要制定一種包容性研究策略，來(lái)應(yīng)對(duì)這一跨學(xué)科領(lǐng)域的挑戰(zhàn)，積極的合作研究將在這些新型傳感器的商業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮重要作用。