《科學》：表皮電子再顯神威，可穿戴設備出現新轉機
一提起可穿戴設備，我們腦海里會想起蘋果手錶、谷歌眼鏡以及Fitbit手環，然而，這些可穿戴設備體型仍然很大，並且能測量的人體數據比較有限，仍然停留在非常基礎的數據上，更深入的數據，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備在健康醫療上的應用，因此不少人認為現在的可穿戴設備仍然是一個看起來很炫酷的「玩具」，中看不中用。
對此，科學家們想要用一種全新的方式來定義可穿戴設備，這種可穿戴是電子學與生物學的融合，質量非常輕，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據，而這種可穿戴設備，就是「表皮電子」，也叫「電子紋身」。
這個月，《科學》雜誌上連續發表了兩篇有關「表皮電子」的新突破，一項是11月23日發表在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日發表在Science Advances期刊上，能夠測量心電圖和肌電圖，還能充當「人機介面」角色的表皮電子。這兩項研究，都在同一個人指導下完成，那就是國際知名的柔性電子學專家約翰·羅傑斯（John Rogers）。
約翰·羅傑斯（John Rogers）
約翰羅傑斯教授於1995年在麻省理工學院(MIT)獲得了物理化學博士學位，之後曾在Bell實驗室擔任凝聚態物理研究組組長。從2003年開始，羅傑斯教授在伊利諾伊大學香檳分校擔任化學工程系教授至今。並從今年9月份開始，擔任西北大學生物集成電子中心的教授兼主任。
1.能夠測汗液成分的可穿戴設備
上圖就是羅傑斯教授研發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備非常輕巧，而且很柔軟，採用醫用級丙烯酸膠膜，對皮膚無刺激性，這種材料能夠讓「貼片」穩定、結實、無縫地黏在皮膚上，即使在頭髮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，可以根據使用者運動時產生汗水裡的代謝物和電解質，監測到用戶的身體健康情況，並將數據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後會顏色會改變
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，當汗液流入這裡後便會和試劑發生化學反應，然後「儲存器」顏色會相應地改變。最後是一個環形天線，可以通過NFC（近距離無線通訊技術）傳遞數據到智能手機上。
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。校準後拍攝變色後的「皮膚貼片」，根據儲存器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，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，分別對應於在RGB圖像的R通道1%的變化。
在實驗中，羅傑斯教授找了21個健康的志願者，在胳膊上和後背貼上了這種「皮膚貼片」。其中9個志願者在健身房騎單車，另外12個志願者參加在圖森市的戶外長途自行車競賽。為了對比結果，研究者將志願者的汗液吸在紙墊上，將濕樣本送到實驗室進行分析。最後的結果是，無論是室內還是室外的運動，「皮膚貼片」都能夠工作，而且測量汗液的結果和傳統方法是一致的
「它似乎真的很實用」，斯坦福大學化學工程教授鮑哲南說，她同樣從事新型生物醫學材料的研究，但是並沒有參與本次研究 。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，並且知道運動是如何改變的。」
一開始，羅傑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，防止脫水。但隨著研究進一步深入，羅傑斯想像了更複雜的應用場景，如在軍事訓練期間對身體實時監控，甚至可以篩選患有糖尿病或囊性纖維化的疾病的人。
2.利用機械波的可穿戴設備
另外一項研究是由科羅拉多大學博爾德分校和西北大學聯合開發的表皮電子。這個可穿戴設備功能同樣強大，能夠通過人體的機械波測量心電圖、肌電圖，還能作為控制外部機器的人機介面。聯合研究的參與者有科羅拉多大學助理教授Jae-Woong Jeong、西北大學的黃永剛教授以及約翰·羅傑斯。
人體內的機械波主要有兩種，水波和聲波。水波，就是人體體液相互之間激蕩所產生的。聲波，則是通過人體聲帶震動，以空氣為媒介產生的，兩種機械波蘊藏著巨大的臨床應用的信息。但兩種機械波的頻率和強度都超出了人的聽覺範圍，只能藉助聽診器或者數字加速度器來收集相關信息，但是這種方法不適用於連續的、實時的收集模式。
圖中為科羅拉多大學助理教授Jae-Woong Jeong
這個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，可以適應人體的曲度，最外層的硅橡膠可以蒸發人體的汗水，因此可以「貼」在身體任何一個地方。
可別小瞧了這個表皮電子，它可以連續監測人體內通過組織和體液傳播的機械波，揭示人體獨特的聲學特徵，通過持續收集心臟瓣膜的打開和關閉的數據來監測心臟健康、通過收集聲帶振動的數據來識別人們發出的「單詞」，甚至它可以監測腸道蠕動的情況。
「這個感測器非常輕，可在日常生活中用於心血管監測，語音識別和人機介面」， 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。」
感測器的組成情況（點擊可看大圖）
這個表皮電子最外層是柔軟的、延展非常好的彈性硅橡膠層，裡面包裹著微型加速度計、放大器、電阻器和電容器。加速度計振動頻率為0.5到550赫茲，身體重要器官發出的機械波都在這個範圍之間。並且可以組合不同的電極，比如說與記錄ECG（心電圖）信號的電極組合在一起，就可以監測心臟的活動。當和EMG（肌動電流圖）信號組合在一起，就可以監測肌肉在靜息和收縮期間的活動。當它與外部數據採集系統連接時，就變身為一個無線設備。Jeong認為，這種微型感測器特別適合遠程醫療，幫助醫生做出快速、準確的判斷。
感測器延展性非常好，能夠輕鬆地附在皮膚上
在亞利桑那大學合作的一家私人診所Camp Lowell Cardiology中研究者挑選了8名老年志願者，研究者這個表皮電子貼在了實驗對象的主動脈、肺部、心臟三尖瓣、二尖瓣（超聲波探頭定位）的位置。最終結果是，與商用聽診器相比，它能夠監測心電活動，並且能夠檢測出心臟雜音。在隨後的研究中，它也可以用於監測心室輔助裝置（LVADs），同時也具備檢測血液中「血塊」的功能，這有助於預防血栓的形成。
作為人機介面控制《吃豆人》
另一方面，這個表皮電子具備語音識別的能力。研究者把它貼在了人體的喉嚨部分，通過捕捉髮音肌肉群的肌電圖（EMG）信號，表皮電子具備語音識別的功能，以此作為控制外部機器的「人機介面」。在實驗中，實驗對象喉嚨部位貼有表皮電子，通過說「上、下、左、右」四個詞語，實驗對象可以控制「吃豆人」遊戲，準確率為90%。
與麥克風記錄的語音相比，因為表皮電子是貼在皮膚上，識別的語音基本上不受噪音的影響。在噪音環境中，麥克風記錄語音的質量明顯下降，表皮電子幾乎不受影響。
研究者認為，這個表皮單子可以作為人機介面發送命令到計算機，未來應用前景非常寬廣，可以用於控制遊戲、無人機和無人車。此外，它還特別適用於像「戰場」這樣嘈雜的環境用於語音識別。
研究者認為在這之前雖然已經有不少表皮電子，但是這款感測器首次驗證可以利用人體的機械波來監測健康、識別語音。下一步，研究者希望把感測器監測的機械波頻率增加到2000赫茲，成為一個全方位監測語音的麥克風，「我們的目標就是把這個感測器應用到我們的日常生活中」Jeong說。
參考資料：
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【2】Ahyeon Koh，，Daeshik Kang， Yeguang Xue， Seungmin Lee， Rafal M. Pielak， Jeonghyun Kim， Taehwan Hwang， Seunghwan Min， Anthony Banks， Philippe Bastien， Megan C. Manco， Liang Wang， Kaitlyn R. Ammann， Kyung-In Jang， Phillip Won， Seungyong Han， Roozbeh Ghaffari， Ungyu Paik， Marvin J. Slepian， Guive Balooch， Yonggang Huang and John A. Rogers.A soft， wearable microfluidic device for the capture， storage， and colorimetric sensing of sweat.Science Translational Medicine[J]23 Nov 2016：Vol. 8， Issue 366， pp. 366ra165
【3】http：//www.colorado.edu/today/2016/11/16/tiny-electronic-device-can-monitor-heart-recognize-speech
【4】https://www.statnews.com/2016/11/23/sweat-skin-patch/
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