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(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(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(dāng)「人機接口」角色的表皮電子。這兩項研究，都在同一個人指導(dǎo)下完成，那就是國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實驗室擔(dān)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(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。

　　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(dāng)汗液流入這里后便會和試劑發(fā)生化學(xué)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(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(fù)雜的應(yīng)用場景，如在軍事訓(xùn)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。