一文看懂可穿戴式传感装置发展趋势

趋势一:检测汗液成分研究最热门

汗液中含有大量生理信息,一直是穿戴式生理监测未充分利用的资源。汗液分析具有类似血液分析的效果,可有效了解身体状况,例如运动状况、监测心率及身体水分等,且相较于抽血仅能获得单一时间点的数据,汗液监测可以获得一段时间内的生理变化。

其中较多研究是探讨监测汗液中的葡萄糖浓度,用以追踪与血糖相关的问题。美国加州大学伯克利分校Zhao Jiangqi教授与其团队研发出能自行供电的智能手表,即可用于监测汗液的葡萄糖浓度,表带为可挠式太阳能发电面板,并使用可挠式锌锰电池储存太阳能发电电力,即可长时间不脱下手表充电、实现持续监测。

但汗液检测技术最大的问题,在于受测者需要产生汗水,使用范围被限制在受测者运动时。美国辛辛那提大学Jason Heikenfeld教授及其团队因此研发出一种能刺激皮肤汗腺的贴片,结合在传感器上,其中含有卡巴胆碱药剂,使用极微小的电流,将药剂引至皮肤上来刺激汗液产生,再用传感器分析汗液。


简而言之,检测汗液以达到生理监测属于较为主流的方式,在微型电子设备的组成、传感技术、数据传导等方面都有显著进展,不过未来还需持续增进传感器的灵敏度、可分析物质的范围,以及解决不同环境影响造成的传感变化,以提升替代检测血液的可靠性及稳定性。


趋势二:柔性电子皮肤快速发展


人体表层多为皮肤覆盖,可附着于皮肤的传感装置便受到重视,电子皮肤主要通过非常薄的电极、电源、通讯元件等组合而成,通常具备柔韧性、延展性,且仿造人体皮肤、有自我修复的能力,在实际应用中,类似电子皮肤这种柔性装置,可能因受测者动作而带来的拉伸、弯曲使结构损坏,因此电子皮肤相关的材料研究逐渐获得重视。


中科院深圳科学技术研究院团队将石墨烯与纳米碳管引入聚胺酯基质中,以获得柔性纳米复合物用来包覆传感器,提升介电性与导热性,降低使用装置的损伤并具自行修复功能。


美国伊利诺伊大学贝克曼研究所提出三项电子皮肤整合方法,包含临时纹身型,如将NFC芯片直接安装于丙烯酸胶膜上,并贴于皮肤;软/硬整合型,将传感芯片及可延展的电路装于柔性基板上;特定用途型,如置于发泡硅胶上的汗液传感器。


近日韩国科学技术院则利用3D打印,研发出接合液态金属及微凸块阵列的压力传感器,解决固态材质的软性传感器准确度不足的问题,可精确测量脉搏、血压,且成本相对低廉,预估可使用超过一万个伸展周期。


而未来的技术除了保持电子皮肤的柔韧性及可修复性,还会持续走向透明化、大面积化,并可应用于残疾人士的义肢,通过检测神经刺激,传递脑部电信号以控制义肢的活动。甚至可连结即时的数据分析,了解所触摸的环境表面是否有细菌。

趋势三:检测眼泪及眼压的智能隐形眼镜受瞩目


另一项发展相对较为成熟的生理传感装置,是检测眼泪及眼压的智慧隐形眼镜。眼泪如同汗液一样含有许多生物标记物,许多研究也希望以泪液检测取代血液分析,加上隐形眼镜为大多数人常用的物品,将化学传感器结合至隐形眼镜中,或可采集眼泪中的葡萄糖浓度等信息,借此追踪、诊断糖尿病或心血管等疾病。


通过隐形眼镜测量眼压,也是另一种传感类型。瑞士医疗器械制造商Sensimed即开发出水晶体眼压传感器,应用压电传感原理,当眼压改变时电阻会跟着改变,以这种方式做青光眼的监测与诊断,镜片内嵌入天线、电路及发射器,可通过蓝牙连结至电脑进行资料传输。


台湾交大电机工程系教授邱俊诚所领导的研究团队,也成功研发出传感器隐形眼镜,以硅水凝胶为镜片主体,具有透水、透氧性能,传感器及芯片则以金作为材料,使眼睛不会直接接触到传感器。

这类生理传感装置未来的挑战,也与汗液类似,眼泪中传感标的将扩大到其他代谢物及电解质,也可用于检测与疾病相关的蛋白质浓度,但仍需进行相关的研究与验证,此外将微型电子设备置于眼睛对安全性要求高,此课题仍有待研究。


趋势四:口腔唾液,容易采集感测


口腔中的唾液及呼吸的气息皆含有大量的生物标记,如代谢物、各种酵素、蛋白质与微生物等,且唾液采集容易、便于提供利于诊断的有用讯息,近期有越来越多的研究探讨各种置于口中的传感装置。


美国塔夫茨大学工学系研究团队研发出迷你牙齿贴片型传感器,仅须贴在牙齿上即可开始检测,以化学传感器检测口中的葡萄糖、盐分、酒精等摄取量,再借由内建的微型天线,传送食物不同营养成分所产生频率波长的改变到智能手机,以了解饮食情况。


美国加州大学圣地亚哥分校与阿尔卡拉大学共同合作研发出用于分析婴儿唾液的奶嘴传感器,由于婴儿的皮肤及眼睛都未发育完全,不适用上述检测方式,然而持续监测婴儿的血糖值非常重要,若失调可能会严重损害神经功能,奶嘴传感器是将传感器置于中间,相关电子零件置于把手处,从奶嘴头收集唾液至电化学室进行检测,再传送至手机了解婴儿生理状况。


与汗液和眼泪相比,唾液比较容易取样,但也容易受食物等污染影响,因此需开发更具抗污性的材质及装置,以降低环境或其他非主要检测标的物的干扰

来源:网络

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