表皮電子再顯神威 可穿戴設(shè)備出現(xiàn)新轉(zhuǎn)機(jī)

　　一提起可穿戴設(shè)備，我們腦海里會(huì)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(cè)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(cè)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(rèn)為現(xiàn)在的可穿戴設(shè)備仍然是一個(gè)看起來很炫酷的「玩具」，中看不中用。

　　對(duì)此，科學(xué)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(xué)與生物學(xué)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(cè)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(gè)月，《科學(xué)》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(xiàng)是11月23日發(fā)表在Science Translational Medicine期刊上，能夠在人運(yùn)動(dòng)中測(cè)量人體汗液表皮電子，另外一項(xiàng)是11月16日發(fā)表在Science Advances期刊上，能夠測(cè)量心電圖和肌電圖，還能充當(dāng)「人機(jī)接口」角色的表皮電子。這兩項(xiàng)研究，都在同一個(gè)人指導(dǎo)下完成，那就是國(guó)際知名的柔性電子學(xué)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(xué)院（MIT）獲得了物理化學(xué)博士學(xué)位，之后曾在Bell實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任凝聚態(tài)物理研究組組長(zhǎng)。從2003年開始，羅杰斯教授在伊利諾伊大學(xué)香檳分校擔(dān)任化學(xué)工程系教授至今。并從今年9月份開始，擔(dān)任西北大學(xué)生物集成電子中心的教授兼主任。

　　1.能夠測(cè)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(yùn)動(dòng)中測(cè)量汗液成分的表皮電子。這個(gè)漂亮的可穿戴設(shè)備非常輕巧，而且很柔軟，采用醫(yī)用級(jí)丙烯酸膠膜，對(duì)皮膚無刺激性，這種材料能夠讓「貼片」穩(wěn)定、結(jié)實(shí)、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(qiáng)大，可以根據(jù)使用者運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生汗水里的代謝物和電解質(zhì)，監(jiān)測(cè)到用戶的身體健康情況，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步到智能手機(jī)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(shí)間僅為幾個(gè)小時(shí)。

　　儲(chǔ)存器的試劑與汗液作用后會(huì)顏色會(huì)改變

　　這個(gè)皮膚貼片由三個(gè)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(gè)單獨(dú)的圓形「儲(chǔ)存器」中，每個(gè)「儲(chǔ)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(dāng)汗液流入這里后便會(huì)和試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，然后「儲(chǔ)存器」顏色會(huì)相應(yīng)地改變。最后是一個(gè)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(jī)上。

　　利用智能手機(jī)分析分析汗液成分

　　使用者會(huì)在手機(jī)上安裝一個(gè)相應(yīng)的APP，首先利用智能手機(jī)的照相機(jī)功能進(jìn)行「白平衡」的校準(zhǔn)，確定此時(shí)的光和陰影。校準(zhǔn)后拍攝變色后的「皮膚貼片」，根據(jù)儲(chǔ)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(cè)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(duì)應(yīng)于在RGB圖像的R通道1%的變化。

　　在實(shí)驗(yàn)中，羅杰斯教授找了21個(gè)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(gè)志愿者在健身房騎單車，另外12個(gè)志愿者參加在圖森市的戶外長(zhǎng)途自行車競(jìng)賽。為了對(duì)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(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。最后的結(jié)果是，無論是室內(nèi)還是室外的運(yùn)動(dòng)，「皮膚貼片」都能夠工作，而且測(cè)量汗液的結(jié)果和傳統(tǒng)方法是一致的

　　「它似乎真的很實(shí)用」，斯坦福大學(xué)化學(xué)工程教授鮑哲南說，她同樣從事新型生物醫(yī)學(xué)材料的研究，但是并沒有參與本次研究 。通過簡(jiǎn)單地看一個(gè)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(yùn)動(dòng)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(gè)「皮膚貼片」提醒人們?cè)谶\(yùn)動(dòng)過中及時(shí)補(bǔ)充電解質(zhì)，防止脫水。但隨著研究進(jìn)一步深入，羅杰斯想象了更復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景，如在軍事訓(xùn)練期間對(duì)身體實(shí)時(shí)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(jī)械波的可穿戴設(shè)備

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

　　人體內(nèi)的機(jī)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(dòng)，以空氣為媒介產(chǎn)生的，兩種機(jī)械波蘊(yùn)藏著巨大的臨床應(yīng)用的信息。但兩種機(jī)械波的頻率和強(qiáng)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(shí)時(shí)的收集模式。

　　這個(gè)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(gè)地方。

　　可別小瞧了這個(gè)表皮電子，它可以連續(xù)監(jiān)測(cè)人體內(nèi)通過組織和體液傳播的機(jī)械波，揭示人體獨(dú)特的聲學(xué)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(cè)心臟健康、通過收集聲帶振動(dòng)的數(shù)據(jù)來識(shí)別人們發(fā)出的「單詞」，甚至它可以監(jiān)測(cè)腸道蠕動(dòng)的情況。

　　「這個(gè)傳感器非常輕，可在日常生活中用于心血管監(jiān)測(cè)，語(yǔ)音識(shí)別和人機(jī)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。」

　　傳感器的組成情況

　　這個(gè)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(jì)、放大器、電阻器和電容器。加速度計(jì)振動(dòng)頻率為0.5到550赫茲，身體重要器官發(fā)出的機(jī)械波都在這個(gè)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(hào)的電極組合在一起，就可以監(jiān)測(cè)心臟的活動(dòng)。當(dāng)和EMG（肌動(dòng)電流圖）信號(hào)組合在一起，就可以監(jiān)測(cè)肌肉在靜息和收縮期間的活動(dòng)。當(dāng)它與外部數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接時(shí)，就變身為一個(gè)無線設(shè)備。Jeong認(rèn)為，這種微型傳感器特別適合遠(yuǎn)程醫(yī)療，幫助醫(yī)生做出快速、準(zhǔn)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(xué)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(gè)表皮電子貼在了實(shí)驗(yàn)對(duì)象的主動(dòng)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(cè)心電活動(dòng)，并且能夠檢測(cè)出心臟雜音。在隨后的研究中，它也可以用于監(jiān)測(cè)心室輔助裝置（LVADs），同時(shí)也具備檢測(cè)血液中「血塊」的功能，這有助于預(yù)防血栓的形成。

　　作為人機(jī)接口控制《吃豆人》

　　另一方面，這個(gè)表皮電子具備語(yǔ)音識(shí)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(hào)，表皮電子具備語(yǔ)音識(shí)別的功能，以此作為控制外部機(jī)器的「人機(jī)接口」。在實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)對(duì)象喉嚨部位貼有表皮電子，通過說「上、下、左、右」四個(gè)詞語(yǔ)，實(shí)驗(yàn)對(duì)象可以控制「吃豆人」游戲，準(zhǔn)確率為90%。

　　與麥克風(fēng)記錄的語(yǔ)音相比，因?yàn)楸砥る娮邮琴N在皮膚上，識(shí)別的語(yǔ)音基本上不受噪音的影響。在噪音環(huán)境中，麥克風(fēng)記錄語(yǔ)音的質(zhì)量明顯下降，表皮電子幾乎不受影響。

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

　　研究者認(rèn)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(yàn)證可以利用人體的機(jī)械波來監(jiān)測(cè)健康、識(shí)別語(yǔ)音。下一步，研究者希望把傳感器監(jiān)測(cè)的機(jī)械波頻率增加到2000赫茲，成為一個(gè)全方位監(jiān)測(cè)語(yǔ)音的麥克風(fēng)。