辛辛那提大學教授解析可穿戴感測器的進展及未開發潛力
加州大學工程系學生Adam Hauke在UC的Novel Devices Lab舉辦了最新一代的可穿戴式感測器發布。
當談到生物識別感測器時，人類皮膚對它並不友好。
美國辛辛那提大學（University of Cincinnati）正在開發尖端的方法來克服這個障礙，而不會影響皮膚及其防止感染和脫水的能力。通過做出更好的無創檢測，研究人員可以在醫學和健身行業中開拓巨大的機遇。
加州大學工程與應用科學學院助理副總裁Jason Heikenfeld說：「你認為皮膚是感測器的機會，因為你可以通過光學、化學、電學和機械方法測量它們。實際上，這是相反的——身體已經發展到保存所有這些化學分析物，所以皮膚實際上不是很善於放棄。
Heikenfeld本月與他的夥伴在納米技術雜誌《實驗室晶元》上合作撰寫了一篇關於感測器研究的批判性評論，概述了迄今為止的科學成就和未來的挑戰。
「我們希望將所有當前的進展和未來的方向及需求整合到一篇文章中，」合作者兼統一通信工程學生Andrew Jajack說。Jajack設計了雜誌封面上的圖像和圖形，描繪了感測器可以在軌道運動員中讀取生物特徵的四種方式。
UC工程學生Andrew Jajack演示了可穿戴式生物感測器的工作原理。 UC開發的感測器即使在涼爽和休息的情況下也可以刺激小面積的皮膚出汗。
這篇由國際生物感測器領導人共同撰寫的文章，討論了Fitbit等可穿戴設備的日益普及，並探討了當前技術的局限性。
皮膚可以提供誤導性的數據生物感測器，因為它包含細菌，傾向於從干汗中收集鹽和其他礦物質。一個有效的感測器必須像人體皮膚一樣彎曲和伸展，即使受檢者移動時它仍然粘附在表面上。追蹤心跳的電氣感測器必須考慮來自身體或環境的噪音，例如來自電力線路或附近的電子設備。
Heikenfeld說，大多數可穿戴設備中的生物感測器都使用了多年的技術。
他說：「最新的趨勢並沒有被技術突破所驅動。當你想到Fitbit時，這些功能已經存在了很長一段時間，其驅動因素是智能手機的普及和電子產品的小型化以及對健康意識的日益增長的需求。」
UC與生物感測器有著悠久的歷史。已故的利蘭克拉克被稱為「生物感測器之父」，在加州大學醫學院和辛辛那提兒童醫院研究基金會進行了研究。在他的許多壯舉中，他開發了糖尿病患者今天仍在使用的現代血糖監測儀和首個用來測量患者血氧水平的感測器。
Heikenfeld說：「在這裡，感測器是一個大問題。」
加州大學對感測器的研究仍然是工業發展的一個渠道。Heikenfeld是的聯合創始人兼首席科學官，那是辛辛那提大學下的一家公司，專門從事汗水生物感測器。
Eccrine系統公司本月宣布，它與美國空軍簽署了一項750,000美元的合同，用於實時研究人類汗水中的生物標誌物。這標誌著與軍方的初步研究合同的第二階段。
他說：「除非你願意比競爭對手研究得更深入，否則你無法創新。」
Jajack表示，Eccrine系統公司正在研究新的方法來持續跟蹤生物識別信息。
他說：「我們很多診斷疾病的方法都是基於單時刻標記，但可穿戴式感測器的前景是實時健康監測。因此，你可以看到一個更複雜的圖像，這將帶來更多的疾病診斷技術。」
位於工程與應用科學學院的加州大學新設備實驗室的學生正在研究創新的方法來收集人類汗水中的信息。這些設備只有創可貼一樣的大小，像皮膚一樣，可以穿在皮膚上。
學生Adam Hauke和Phillip Simmers正在研究UC的下一代刺激感應感測器。這些設備即使在對象休息和舒適的情況下，也會在一小塊皮膚上產生汗水，並將其吸收到測量葡萄糖等物質的感測器上。生物感測器將最微量的汗液收集並集中到感測器可以讀取的樣本中。
Hauke說：「我們將在這個區域刺激出汗，然後開始吸收皮膚上的汗水，將它從毛孔中拉出，並在這些電極上移動。那是我們做感測的地方。」
他說，在其他功能中，該設備測量皮膚電流反應，表明有多少人出汗。
他說：「你越汗，你的皮膚越濕潤，電阻就越低。
化學和微納米系統協會去年認可了Hauke和Simmers的青年研究者獎，他們在連續的汗液採樣和感測方面進行了合作研究。
在新設備實驗室的另一部分，工程系學生Laura Stegner與一台銑床一起工作，以定製流量感測器。而她的同學Amy Drexelius在設備的一部分工作，可以分離和濃縮他們想測試的汗液或血液中的分析物。
她說：「我們想要集中樣品，所以你可以把它放在感測器的前端，它能為你做很多以前很難在化學實驗室完成的工作。
UC工程系學生Andrew Jajack在新設備實驗室舉辦了一個製造生物感測器的模具。
Jajack說，這種技術可能適用於科學家想要測量的其他微量化學物質。
Jajack說：「如今的一大問題是我們飲用水中的藥物量，因為他們稀釋之後很難被衡量。」
Heikenfeld說，他的實驗室的成功源於其才華橫溢的學生，他們將不同的興趣和經驗應用於他們的實驗室工作。 開發新的感測器和應用程序需要解決許多學科的問題。
加州大學擔任UC生物感測器和化學感測器中心的主任的化學系教授William Connick表示，將感測器應用從實驗台移動到商店貨架仍然是一個巨大的挑戰。
Connick說：「像Heikenfeld博士這樣的團隊在開發技術方面取得了令人矚目的進展，這些技術能夠從極少量的流體如汗水中提供極低水平的生物標記信息。」
他說：「從實驗室到實際設備的過程是一個挑戰，當你處理真實的樣品時，每個人的情況都不同。製造出足夠強大、能在各種條件下準確表現的東西是具有挑戰性的。」
Connick表示，隨著UC等實驗室開發更好的信息收集方式，對生物感測器的需求也將不斷增長。他說，隨著時間的推移，家庭測試和藥物持續監測可能會導致更好的健康結果。 「現在，市場是開放的，潛力是巨大的。目前，只是為了節約成本，不得不將樣品送到實驗室，提供快速篩查而不需要抽血。」
Heikenfeld的期刊文章指出，未來的生物感測器將衡量一個人生理的多個方面。新的可穿戴式感測器將需要一次性和可重複使用的部件的組合，以解決日常生活中的磨損問題。
現在，UC的Novel Devices實驗室正在開發一種新的無創技術，使汗腺更具透氣性，因此感測器可以記錄更詳細的數據。Heikenfeld和Jajack並未準備好研究它是如何運作的，但他們對這種可能性感到非常興奮。
「有很多偉大的事情將會出現。」
內容 / Michael Miller,University of Cincinnati
Ringier編譯
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