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加州大学研发全柔性汗液传感器,实时监控人体健康

2016-10-09

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之前,美国加州大学伯克利分校博士后高伟心里藏着一个想法:如果有一个可以检测人体日常健康的传感器就好了,这样人们可以及时了解自己的健康问题。30岁出头的高伟在徐州农村长大,他经历过姥姥的遽然离世,是脑血栓,当天晚上就不认识任何人了,几个月后去世。

现在,他在见证这个想法变成现实,由他领衔研发的全柔性汗液传感器问世。这款可穿戴的传感器外形如同运动防汗带,集结了配有蓝牙的印刷电路板、直径3毫米的5枚传感器、可以支撑10个小时使用时间的锂电池,通过检测汗液,来获取身体信息,并把数据无线传输至手机上的APP。

8月,《麻省理工科技评论》年度青年英雄榜揭晓,高伟凭借这款汗液传感器,入围“发明者”榜单,成为上榜的6位中国人之一。

高伟

每年,全球会有35位35岁以上的“世界杰出青年创新家”入选这个榜单,高伟的博士后导师Ali Javey在7年前是入围者之一。今年,Ali Javey向《麻省理工科技评论》提名高伟。高伟说,他在学术界和科技界的很多偶像都曾榜上有名,如今他的履历里也添加了这个奖项。

相继在华中科技大学和清华大学完成学业后,高伟赴美国加州大学圣迭戈分校攻读博士学位,2014年又至加州伯克利分校开始博士后研究,也就是从这个时候开始把汗液传感器作为研究方向。

可穿戴的汗液传感器 高伟 图

可穿戴传感器正成为潮流,高伟也认为它会在未来个性化医疗中扮演举足轻重的角色。但和市面上已经有的检测心率、体温等物理活动和生命特征的传感器不同,高伟介绍,这款汗液传感器的最大亮点在于从分子层面来检测健康,也就是说,利用人体体液中化学成分的含量来反映生命特征。

几微升汗液,无创检测疾病

用体液来检测身体情况很常见,医院的化验大多依靠各类体液。但高伟的想法是日常的,无需去医院进行的检测,这意味着优先选择无创的检测。这样一来,带有身体信息的血液被排除在外,获取血液意味着会有创口,对日常的实时检测来说并不实际。除此之外,还有什么体液,既携带大量生命信息,又可以轻松获取?

高伟在汗液上看到了可能,汗液的化学成分多样,且容易获得。在初阶版本的汗液传感器中,高伟设定了5种检测维度:葡萄糖、乳酸、钠离子、钾离子还有体表温度,也在后续不断加入重金属、氯离子等检测对象。这些具体的检测对象可以窥视身体的秘密,高伟介绍说,已经在医学上比较确信的是,血液中的钠离子可以检测身体的脱水情况,氯离子可以用来诊断囊肿型纤维化,再比如人体中的葡萄糖和血液中的葡萄糖相关,可以来检测糖尿病。

但高伟坦言,汗液并不是一个已经被大规模研究过的体液,还有很多未知的东西,虽然趋势乐观,但需要更多时间。一方面,汗液和血液在各个成分上的联系需要通过大量的临床试验来确认,另一方面,汗液可能是生命信息的富矿,有待开发更多的检测维度。

“我们所研究出来的是一个平台,可以用来不同的产品,不管是更多还是更少的传感器,或者不一样的传感器,我们期待,最终都可以在这个平台上实现。”高伟说。

用来检测多项生命数据,传感器需要多少含量的汗液来保持稳定的读数?高伟说传感器只需要几微升的汗液,也就相当于普通滴管中一滴水的十分之一,就可以让5个传感器各司其职,协同工作。

几微升的汗液对运动状态的人体来说没有难度,目前,高伟和同事也主要把汗液传感器定位于人们运动时的场景。但若处于静态又不易出汗的环境中,高伟也想好了解决方案,一方面将传感器的尺度进一步缩小至微米级别,这样所需的汗量也会相应降低,另一方面,可以通过人工的方法让人体出汗。高伟告诉记者,人工发汗就是通过美国一种对人体无害的药物,借用电流将该药物注入到皮肤表面,从而让皮肤表面出汗。

全柔性系统,每秒钟采集5000个数据

传感器监测到的信息最终要以数据的方式呈现。具体而言,不同的检测对象,传感器的工作原理也有所不同。葡萄糖和乳酸是基于催化酶的电流传感器,当汗液中葡萄糖和乳酸的浓度上升时,电流大小也会相应提高。而钠离子和钾离子不同,是电压传感器,电压输出的大小和汗液中两种离子浓度的对数成正比。

汗液传感器构造。 美国加州大学伯克利分校 图

所产生的电流、电压等经过电路的放大和滤波处理后,会抵达汗液传感器的微控制器,相当于是“大脑”部分,进行数据处理。处理完的数据借由蓝牙装置,被发送到手机APP,实时地在屏幕显示各个电解质、代谢物的含量和浓度读数。

通过蓝牙,无线传输数据到手机。 美国加州大学伯克利分校 图

“做出这一个系统,它能够真正非常舒适地被穿戴在人体上,而且能提供非常稳定的读数,这一点是非常重要的。”高伟承认这同时也是设计可穿戴传感器最大的难点。

为此,高伟在一遍遍优化的过程中,逐渐清晰了两个关键词:柔性和校准。

最开始,高伟把传感器做成了柔性材料,这相对容易点,后来也攻克了柔性电路板的难题,实现全系统柔性。如此一来,这条集成的腕带可以真正像防汗带一样,形成弯度,和皮肤更贴合。柔性材料带来的好处不仅是佩戴更舒适,因为和皮肤接触更好,也为提供可靠数据助力。

校准则为数据的精准度“保驾护航”。所谓校准,是指不同的传感器之间“互帮互助”,提供不同的信息,以保证最后显示在手机屏幕的数据符合实际情况。温度传感器在校准中扮演着重要的角色,比如同样100微摩尔的葡萄糖,随着体表温度的上升,葡萄糖传感器的电流大小会改变。没有相应的体表温度,便无法根据电流大小换算出实际的葡萄糖含量。

“你的体表温度是可以变很大的,是吧?如果你在热带还是在北极,这肯定是不一样的。”高伟说,除了校准,温度传感器还可用于某些皮肤病表征的检测。

尽管体型不太,汗液传感器采集数据海量而迅速。高伟告诉澎湃新闻,每秒钟每个传感器会产生1000个数据,5个传感器协同工作的汗液传感器也就是5000个数据,但在实际的手机屏幕显示中,是按照每秒一次的数据更新速度。

值得一提的是,微控制器产生的每个数据都为固定单位时间内所有值的平均,比如1.1秒时产生的数据是0.1秒到1.1秒之间1000个数据的平均值。除了平均值法,高伟还对电流进行低峰滤波的处理,只取直流电部分,排除人体自身噪音(交流电)的干扰。这么做的目的,高伟说,是让最终呈现在用户面前的数据曲线更加平滑,也更加准确,减少环境噪音对数据的波动。

今年1月,以高伟为第一作者、关于这款全柔性汗液传感器的论文在国际期刊《自然》发表,是领域内的先行者。之后,不少公司和风投找来谈合作,但是高伟和导师Ali Javey选择先做优化,再谈商业化的问题。“我们希望先进一步地完善设备,让它能够在各种条件下提供更可靠的读数,另一方面我们在做大量的人体试验,希望我们的传感器能够有更多真正有用的用途 。”



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