科學家嘗試用可穿戴設備獲取數據監測健康

         它們距離我們已經越來越近，我們可以自然而然地想象，它們最終和人體的相處會水乳交融。

表面傳感器需要像皮膚一樣靈活、可伸展。

Goran Gustafsson眼睛看著行人，腦里想著汽車——那些數十年前裝配線上生產的老模型。Gustafsson說，今天的汽車已經配備了高端的感應器、計算機和交流系統，可以在情況依然可控時提示存在的問題，這正是現代汽車較少讓駕駛人發生災難性事故的原因。

“為什么我們不在人體中嘗試同樣的事情呢？”瑞典Acreo電子公司工程師Gustafsson曾有過這樣的想法，這個位于斯德哥爾摩近郊希斯塔的公司是全世界試圖實現這一目標的公司之一。就像不讓汽車在中途拋錨一樣，為了不讓健康隱患暗中潛伏——直到患者進入醫院才發現病癥，這些研究團隊希望在可以預見的未來，把人類像汽車那樣裝扮起來，給人類穿戴上可以形成類似早期預警系統的感應器。

Gustafsson的團隊和瑞典林雪平大學的研究人員一起合作，研發出了一些像皮膚一樣薄的可植入感應器，還有一個體內“局域網”，可以讓這些感應器在獨立發揮作用的同時彼此相互連接在一起。其他一些團隊正在研究從可感應動脈硬化（心臟病發作的信號）的皮膚補丁到探測癲癇發作并自動向受影響區域直接提供藥物的感應設備。

這些下一代設備的設計目的是和人體組織協同作用，而不是像現有的大多數心臟起搏器和其他電子設備那樣獨自發揮作用。但是讓這些設備融會貫通需要的技術絕不簡單，尤其是對材料學家來說，他們需要把相關電路大大縮短，制作出靈活、可伸展、不被人體組織覺察的電路，并找到與人體創建接口的新通道。如果實現Gustafsson的設想——用設備一天天監控和治療人體，同樣還需要開辟新的能量來源和傳遞信息的新方式。

現在，面對大幅提高健康管理同時降低相關花費的挑戰，研究人員和臨床醫生已經躍躍欲試，美國伊利諾伊州立大學材料學家John Rogers說。“我碰到的臨床醫生沒有人會說‘那簡直就是天上的餡餅、不切實際，不信過20年看一看結果。’”他說，“相反，他們會說‘哇，這個想法太棒了。我們現在可以通過3種渠道使用它，不如一起合作嘗試一把。’”

把感應器移入體內是手持智能手機和可穿戴設備的自然延伸，Rogers說。“電子設備正迎面撲來。”他說，“它們距離我們已經越來越近，我們可以自然而然地想象，它們最終和人體的相處會水乳交融。”

薄如皮膚

超越可穿戴設備的第一步將是可直接用于皮膚的無線感應器，它們可以收集大量重要信號，如體溫、脈搏、心率等。但Rogers表示，不利的是，“它們在生物學上需要具備可靈活彎曲、拉伸和膨脹的特點”，因此傳統上用硬硅膠制作的電子感應器并非良好選擇。

他和團隊為此研發了一種“皮膚電子”：靈活的、可生物降解的補丁，其內部填塞了讓使用者幾乎感覺不到的感應器。像很多臨時紋身那樣，這些補丁利用的是普通的硅電子，但卻非常薄，并利用“橡膠圖章”為里襯可以靈活運動。利用S形的電線和可伸展、彎曲的天線，這個補丁可以從附近的磁場獲取能量或是通過捕捉無線電波獲取能量。“它們利用的是波浪的幾何特點，當你伸展的時候，波浪形也會像手風琴的風箱那樣變化。”Rogers說。

Rogers作為共同創始人已經在馬薩諸塞州萊克星頓建立了一個叫作MC10的公司，明年該公司將開始推廣這種生物圖標設備：一種可以測量心電活動、體溫、紫外線接觸等健康數據的臨時補丁。Rogers表示，這種補丁將首先向個人消費者發放，但其最終目標是醫療應用。在烏爾班納卡勒基金會的新生兒重癥病房中，醫生正在利用這些補丁無掃描、無創傷地監測新生兒的癥狀，很快相關測試結果將會出現。MC10還在和比利時布魯塞爾一家名叫UCB的制藥公司合作，測試一種可監測帕金森氏癥患者震顫癥狀，用來跟蹤疾病并監測患者是否遵醫囑接受治療的補丁。

Rogers的補丁相對較小，但是日本東京大學工程師、材料學家染矢高雄已經研制出一種面積相對更大的電子皮膚傳感器。其最新的傳感器厚度僅有1微米，其質量輕到可以像一片羽毛那樣漂浮在空氣中，而且這種材料足夠牢固，可以用于肘關節和膝關節的靈活伸展活動。這種感應器可以讀取溫度、濕度、脈搏、血液含氧量等。

盡管皮膚電子可以獲得很多信息，但是仍然需要深入身體內部獲取更多信息。“醫生抽血是有原因的。”麻省理工學院化學工程師Michael Strano說，“血液中含有的標記可以精確地預測疾病。”

移動靶標

但是讓電路進入人體深層面臨許多新挑戰。Strano表示，皮膚下的理想感應器不僅應該是無毒性的，而且還可以根據需要在體內穩定使用數年，同時兼具可降解性等特點，這意味著它們不能夠引發身體免疫系統的排斥。然而，當前大多數設備均存在這樣或那樣的缺點。

盡管如此，一些研究人員的目標仍然是挑戰皮膚下的深層組織，對于他們來說，靈活性和可降解性變得尤其重要。如果一個感應器和心臟或大腦等活動器官存在摩擦，當活體呼吸時細胞就會發生轉移，身體就會迅速用瘢痕組織形成一道防火墻圍繞該組織。讓感應器隨著器官的律動活動，這種情況簡直不能實現。

法國圣埃蒂安國立高等礦業學校生物電子工程師George Malliaras和同事正在研發靈活的感應器，以代替僵硬的感應器，并在體內跟蹤典型病患者或帕金森氏癥患者大腦獨特的電子模式。這種采用有機、可導電聚合物制作的靈活感應器可以對化學信號——產生電子信號的流動離子——產生感應。他表示，這不僅會增加敏感性，而且還會讓研究人員“以一種完全不同的方式進行生物學研究”。

Malliaras說，該團隊的最新成果已經通過大鼠實驗，并在兩名癲癇癥患者外科手術中進行了臨床試驗，進而檢測到了個體神經元放電。他補充說，如果這一過程被逆轉，那么該感應器將可以應用于提供藥物。這種被稱為有機電子離子泵的設備可以通過強制給藥對施加的電壓（小的帶電粒子）產生反應，Malliaras的團隊正在和林雪平大學以及法國國家健康與醫學研究院合作，把他的癲癇感應器和一個可以對癲癇發作產生感應的離子泵連接在一起，把抗癲癇藥物釋放到正確的腦區。Berggren和林雪平大學團隊已經利用類似技術研發了一種“疼痛感應器”，可以直接把止痛藥物傳輸到脊髓神經。

繼續推動

任何電子設備都會受到電源的限制。貼在皮膚上或是靠近皮膚的感應器可以直接接入無線獲取能量的天線——只要附近有可獲得的外部能量。但是植入體內的感應器經常需要依賴電池，它們不僅會讓植入設備變得笨重，而且還需要置換。而有一些設備，例如Berggren的疼痛緩解泵，則需要把電線放置在皮膚上，這樣不僅會非常累贅，而且可能形成潛在的感染路徑。

為了克服此類問題，亞特蘭大佐治亞理工學院納米學家王中林在過去10年曾試圖捕捉人在行走甚至呼吸時產生的微弱機械能量。“我們開始思考，怎樣才能把身體動能轉化成電能呢？”他說。

他的最新設計是用一直以來被認為很惱人的靜電，把呼吸產生的動能轉化成電能，用來驅動相關的起搏器和感應器。這個“發電機”利用夾在電極和連接電路之間的兩個不同聚合物表面。當使用者呼吸時，兩個表面會發生接觸然后分開，從而交換電子——就像一個氣球和一塊羊毛布料摩擦時那樣。“吸氣、呼氣，前后移動或是上下移動，然后就會產生能量。”王中林說。

盡管這一技術是革命性的變革，但是通過體內電路把健康數據傳輸到外部計算機或是醫學中心仍然面臨潛在的威脅，而且這個威脅已經對可穿戴設備行業帶來困擾：那就是隱私泄露。“當一個半導體芯片被植入人體之后，‘黑客’竊密就是一個真正嚴肅的問題了。”染矢高雄說。

而且不管這項技術有多好，專家表示，新材料行業同時還面臨著新一輪醫學法規的爭議。很多化學廠商擔心，如果設備失敗會給它們帶來一系列的官司，“所以還要給新材料使用踩剎車”，他說。

Berggren知道前路漫長且障礙重重。“現有的挑戰是把所有的東西整合在一起。”他說，“如今汽車行業已經實現了這一點，而且成效顯著。你很少看到有汽車會在半路拋錨后等待修理，是否值得在人類中嘗試這項技術仍然是個疑問，但它絕對值得一試。”