可穿戴傳感器誕生 可監(jiān)測重要生命特征

美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校科克雷爾工程學(xué)院的一支工程師小組研發(fā)了一種方式，可快速印制價(jià)格低廉的一次性可穿戴微型生物傳感器。這種傳感器可粘在患者皮膚上——看起來就像紋身一樣——用于監(jiān)測患者的重要生命體征。不久后，這種可穿戴傳感器有望在醫(yī)院投入使用，取代心率監(jiān)視器或者脈搏血氧計(jì)，為患有心臟病和其他疾病的老年患者以及其他年齡段的患者帶去福音。

科克雷爾工程學(xué)院的工程師小組由盧楠舒(Nanshu Lu，音譯)帶隊(duì)。在他們開始研究這種紋身型可穿戴傳感器時(shí)，市場上已經(jīng)存在很多微型智能傳感器。不過，這些傳感器均存在缺陷。盧楠舒表示現(xiàn)有傳感器的問題并不在于這項(xiàng)技術(shù)本身，而是制造工藝，整個(gè)制造過程不僅耗時(shí)耗力，成本也很高。這些缺陷讓制造價(jià)格低廉，臨時(shí)監(jiān)測健康狀況的一次性傳感器幾乎成為一種不可能。她說：“如果是紋身型電子裝置，沒有人愿意重復(fù)使用，甚至包括你本人在內(nèi)。因此，一次性使用是一個(gè)關(guān)鍵特征。”

在這種紋身型傳感器出現(xiàn)前，類似傳感器利用常規(guī)工程學(xué)手段制造，采用機(jī)械構(gòu)件和金屬電路，而后與富有彈性的粘合劑結(jié)合在一起。整個(gè)過程不僅耗費(fèi)大量時(shí)間，成本也很高。為了解決這些問題，科克雷爾工程學(xué)院決定研發(fā)其他方式，讓易碎的電子元件不僅柔軟有彈性，同時(shí)還有粘性。利用3D打印技術(shù)的原理，他們找到了一種方式，利用機(jī)械切割器在金屬片上刻出所需的結(jié)構(gòu)，而不是利用模具制造電子元件。

盧楠舒指出：“我們開始尋找可以疊加在聚合物薄片上的金屬片，基本上就像粘在雙面膠上的鋁箔。”最終，他們?cè)谖褰鸬甑募揖友b潢用品的貨架上找到了這種造價(jià)低廉并且柔軟可彎曲的金屬。整個(gè)尋找過程容易得令人感到不可思議。在最后研制的結(jié)構(gòu)中，他們利用類似鎦金聚合物的元件充當(dāng)熱反射層。盧楠舒說： “我們發(fā)明了一種制造工藝，可以在這些薄片上切出所需的結(jié)構(gòu)，而后移除無用的部分。剩下的部分被印制到醫(yī)用膠帶或者紋身粘合劑上。”

整個(gè)印制過程用時(shí)大約20分鐘。與此前制造可彎曲電子元件采用的方式不同的是，這種制造工藝產(chǎn)生的廢物很少，同時(shí)不需要專業(yè)實(shí)驗(yàn)室。盧楠舒表示希望將每個(gè)可穿戴傳感器的制造成本控制在1美元左右。研究小組的目標(biāo)是將多個(gè)傳感器和天線集成，印制到一塊信用卡大小的補(bǔ)片上，可在大約一周時(shí)間里監(jiān)測重要生命體征，同時(shí)向醫(yī)生和患者的PC、平板電腦和智能手機(jī)無線傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)。

這種紋身型生物傳感器可充當(dāng)心電儀，測量心臟活動(dòng)，或者充當(dāng)腦電圖描記儀，檢測大腦機(jī)能——具體起到何種作用取決于傳感器的位置。研究人員表示這種可穿戴傳感器可用于測量皮膚含水量、呼吸率和眼部活動(dòng)，監(jiān)測血壓和氧飽和度。從孕婦到運(yùn)動(dòng)員，很多患者都將成為這項(xiàng)技術(shù)的受益者。

大規(guī)模制造可穿戴傳感器面臨的其中一個(gè)最大挑戰(zhàn)是通過藍(lán)牙或者近場通信芯片實(shí)現(xiàn)無線操作。不幸的是，當(dāng)前的芯片廠商生產(chǎn)的微芯片尚沒有小到足以滿足這種傳感器要求的程度。為此，盧楠舒和她的研究團(tuán)隊(duì)決定自己動(dòng)手，研制一種尺寸只有兩平方毫米的微芯片。研究人員指出如果人們能夠接受硬幣大小的無線裝置作為補(bǔ)片的一部分，這種可穿戴傳感器可很快做好應(yīng)用準(zhǔn)備。盧楠舒說：“最酷的地方是，這是一項(xiàng)真正意義上的平臺(tái)技術(shù)。你可以不斷推動(dòng)皮膚、傳感器或者天線的邊界。你可以在這個(gè)平臺(tái)上添加你需要的東西。”