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科学家尝试用可穿戴设备获取数据监测健康

2017-06-04 10:23:26

它们距离我们已愈来愈近，我们可以自但是然地想象，它们终究和人体的相处会水乳融合。

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表面传感器需要像皮肤1样灵活、可舒展。

图片来源：A. Chezière

Goran Gustafsson眼睛看着行人，脑里想着汽车——那些数10年前装配线上生产的老模型。Gustafsson说，今天的汽车已配备了高真个感应器、计算机和交换系统，可以在情况仍然可控时提示存在的问题，这正是现代汽车较少让驾驶人产生灾害性事故的缘由。

“为何我们不在人体中尝试一样的事情呢？”瑞典Acreo电子公司工程师Gustafsson曾有过这样的想法，这个位于斯德哥尔摩近郊希斯塔的公司是全球试图实现这1目标的公司之1。就像不让汽车在中途抛锚1样，为了不让健康隐患暗中潜伏——直到患者进入医院才发现病症，这些研究团队希望在可以预感的未来，把人类像汽车那样打扮起来，给人类穿着上可以构成类似初期预警系统的感应器。

Gustafsson的团队和瑞典林雪平大学的研究人员1起合作，研发出了1些像皮肤1样薄的可植入感应器，还有1个体内“局域网”，可让这些感应器在独立发挥作用的同时彼此相互连接在1起。其他1些团队正在研究从可感应动脉硬化（心脏病发作的信号）的皮肤补钉到探测癫痫发作并自动向受影响区域直接提供药物的感应装备。

这些下1代装备的设计目的是和人体组织协同作用，而不是像现有的大多数心脏起搏器和其他电子装备那样独自发挥作用。但是让这些装备融会贯通需要的技术绝不简单，特别是对材料学家来讲，他们需要把相干电路大大缩短，制作出灵活、可舒展、不被人体组织觉察的电路，并找到与人体创建接口的新通道。如果实现Gustafsson的假想——用装备1每天监控和医治人体，一样还需要开辟新的能量来源和传递信息的新方式。

现在，面对大幅提高健康管理同时下降相干花费的挑战，研究人员和临床医生已跃跃欲试，美国伊利诺伊州立大学材料学家John Rogers说。“我碰到的临床医生没有人会说‘那简直就是天上的馅饼、不切实际，不信过20年看1看结果。’”他说，“相反，他们会说‘哇，这个想法太棒了。我们现在可以通过3种渠道使用它，不如1起合作尝试1把。’”

把感应器移入体内是手持智能手机和可穿着装备的自然延伸，Rogers说。“电子装备正迎面扑来。”他说，“它们距离我们已愈来愈近，我们可以自但是然地想象，它们终究和人体的相处会水乳融合。”

薄如皮肤

超出可穿着装备的第1步将是可直接用于皮肤的无线感应器，它们可以搜集大量重要信号，如体温、脉搏、心率等。但Rogers表示，不利的是，“它们在生物学上需要具有可灵活曲折、拉伸和膨胀的特点”，因此传统上用硬硅胶制作的电子感应器并不是良好选择。

他和团队为此研发了1种“皮肤电子”：灵活的、可生物降解的补钉，其内部填塞了让使用者几近感觉不到的感应器。像很多临时纹身那样，这些补钉利用的是普通的硅电子，但却非常薄，并利用“橡胶图章”为里衬可以灵活运动。利用S形的电线和可舒展、曲折的天线，这个补钉可以从附近的磁场获得能量或是通过捕捉无线电波获得能量。“它们利用的是波浪的几何特点，当你舒展的时候，波浪形也会像手风琴的风箱那样变化。”Rogers说。

Rogers作为共同开创人已在马萨诸塞州莱克星顿建立了1个叫作MC10的公司，明年该公司将开始推行这类生物图标装备：1种可以丈量心电活动、体温、紫外线接触等健康数据的临时补钉。Rogers表示，这类补钉将首先向个人消费者发放，但其终究目标是医疗利用。在乌尔班纳卡勒基金会的新生儿重症病房中，医生正在利用这些补钉无扫描、无创伤地监测新生儿的症状，很快相干测试结果将会出现。MC10还在和比利时布鲁塞尔1家名叫UCB的制药公司合作，测试1种可监测帕金森氏症患者震颤症状，用来跟踪疾病并监测患者是不是遵医嘱接受医治的补钉。

Rogers的补钉相对较小，但是日本东京大学工程师、材料学家染矢高雄已研制出1种面积相对更大的电子皮肤传感器。其最新的传感器厚度唯一1微米，其质量轻到可以像1片羽毛那样漂浮在空气中，而且这类材料足够牢固，可以用于肘关节和膝关节的灵活舒展活动。这类感应器可以读取温度、湿度、脉搏、血液含氧量等。

虽然皮肤电子可以取得很多信息，但是依然需要深入身体内部获得更多信息。“医生抽血是有缘由的。”麻省理工学院化学工程师Michael Strano说，“血液中含有的标记可以精确地预测疾病。”

移动靶标

但是让电路进入人体深层面临许多新挑战。Strano表示，皮肤下的理想感应器不但应当是无毒性的，而且还可以根据需要在体内稳定使用数年，同时兼具可降解性等特点，这意味着它们不能够引发身体免疫系统的排挤。但是，当前大多数装备均存在这样或那样的缺点。

虽然如此，1些研究人员的目标依然是挑战皮肤下的深层组织，对他们来讲，灵活性和可降解性变得特别重要。如果1个感应器和心脏或大脑等活动器官存在磨擦，当活体呼吸时细胞就会产生转移，身体就会迅速用瘢痕组织构成1道防火墙围绕该组织。让感应器随着器官的律动活动，这类情况简直不能实现。

法国圣埃蒂安国立高等矿业学校生物电子工程师George Malliaras和同事正在研发灵活的感应器，以代替僵硬的感应器，并在体内跟踪典型病患者或帕金森氏症患者大脑独特的电子模式。这类采取有机、可导电聚合物制作的灵活感应器可以对化学信号——产生电子信号的活动离子——产生感应。他表示，这不但会增加敏感性，而且还会让研究人员“以1种完全不同的方式进行生物学研究”。

Malliaras说，该团队的最新成果已通过大鼠实验，并在两名癫痫症患者外科手术中进行了临床实验，进而检测到了个体神经元放电。他补充说，如果这1进程被逆转，那末该感应器将可以利用于提供药物。这类被称为有电机子离子泵的装备可以通过强迫给药对施加的电压（小的带电粒子）产生反应，Malliaras的团队正在和林雪平大学和法国国家健康与医学研究院合作，把他的癫痫感应器和1个可以对癫痫发作产生感应的离子泵连接在1起，把抗癫痫药物释放到正确的脑区。Berggren和林雪平大学团队已利用类似技术研发了1种“疼痛感应器”，可以直接把止痛药物传输到脊髓神经。

继续推动

任何电子装备都会遭到电源的限制。贴在皮肤上或是靠近皮肤的感应器可以直接接入无线获得能量的天线——只要附近有可取得的外部能量。但是植入体内的感应器常常需要依赖电池，它们不但会让植入装备变得笨重，而且还需要置换。而有1些装备，例如Berggren的疼痛减缓泵，则需要把电线放置在皮肤上，这样不但会非常累坠，而且可能构成潜伏的感染路径。

为了克服此类问题，亚特兰大佐治亚理工学院纳米学家王中林在过去10年曾试图捕捉人在行走乃至呼吸时产生的微弱机械能量。“我们开始思考，怎样才能把身体动能转化成电能呢？”他说。

他的最新设计是用1直以来被认为很恼人的静电，把呼吸产生的动能转化成电能，用来驱动相干的起搏器和感应器。这个“发机电”利用夹在电极和连接电路之间的两个不同聚合物表面。当使用者呼吸时，两个表面会产生接触然后分开，从而交换电子——就像1个气球和1块羊毛布料磨擦时那样。“吸气、呼气，前后移动或是上下移动，然后就会产生能量。”王中林说。

虽然这1技术是革命性的变革，但是通过体内电路把健康数据传输到外部计算机或是医学中心依然面临潜伏的要挟，而且这个要挟已对可穿着装备行业带来困扰：那就是隐私泄漏。“当1个半导体芯片被植入人体以后，‘黑客’窃密就是1个真正严肃的问题了。”染矢高雄说。

而且不管这项技术有多好，专家表示，新材料行业同时还面临着新1轮医学法规的争议。很多化学厂商担心，如果装备失败会给它们带来1系列的官司，“所以还要给新材料使用踩刹车”，他说。

Berggren知道前路漫长且障碍重重。“现有的挑战是把所有的东西整合在1起。”他说，“如今汽车行业已实现了这1点，而且成效显著。你很少看到有汽车会在半路抛锚后等待修理，是不是值得在人类中尝试这项技术依然是个疑问，但它绝对值得1试。”

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