周伦 周伦

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一说起可穿戴设备,我估计首先映入你脑海的大概是Apple Watch、Fitbit、Misfit、Jawbone和小米手环等。这五样设备全球的出货量应该已经超过2亿只了。

但是它们的功能好像一直停留在记步、测心率、测睡眠时间等无关痛痒的指标。难怪Echo Labs在去年5月推出一款可检测血液中的氧气、二氧化碳、PH值、碳水化合物和血压等数据的原型机,就被国内外的媒体称之为“重大突破”。尽管它长得“五大三粗”。

Echo-Labs-Prototype

Echo Labs推出的原型机

从可穿戴设备研发的进度和亿万群众的反应,不难看出大家都期待能有一款可以实时监测身体健康指标的穿戴设备,但是,这种设备真的很难研发,稍微有一点儿进步就可以算的上是“重大突破”了。

就在前几天,这个“重大突破”可能是真的出现了。这可不是我说的,这是目前世界上顶级期刊说的。

《自然》杂志:可穿戴汗液传感器为实时分析身体生化指标铺平道路。

《科学》杂志:新型腕带通过检测汗液监测健康风险。

不卖关子,下面直接给大家看原图。它戴在手腕上是这样的。

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戴在手腕上的FISA

还可以戴在头上,是这样的(当然图中是为了翻给你看看,使用的时候它是贴着皮肤的)。

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安装在头套里的FISA

平时的时候是这样的。

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这款设备是加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)Ali Javey团队研发的。整个研发过程与设备的性能刊发在1月28日《自然》杂志上(1)。这个设备叫FISA,是flexible integrated sensing array的简写。

FISA由两部分组成,上图中左边透明区为传感器区,分别用于检测身体温度和汗液中的钾、钠、乳酸和葡萄糖浓度;右边为计算区域,分布着11个电路元器件。

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FISA传感器上浸满汗液后的检测反应

当皮肤上的汗液接触到柔软的传感器之后,传感器便将化学电信号传输到计算中心。数据经过转换等处理,输出给数据处理器对数据进行处理分析。分析好的数据会通过蓝牙传递到手机,并保存在云端。数据在手机上显示是这样的。

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手机端的数据展现形式

如果你凑巧看过《星际迷航》,还记得里面有个叫“三录仪”的万能工具,它不仅可以探测生命信号、入侵操作者指定的计算机系统,还可以对人体进行扫描以检测病患。有了这个“三录仪”的“误导”,你一定觉得Javey团队研发的FISA没啥大不了的。我觉得这就是科幻作品给人民群众带来的负面影响,科幻作家“不负责任”的天马行空把科技发展远远地甩在后面,现实生活中再很难有什么新事物会让我们觉得“amazing”的了,即使从客观的角度讲,它已经很“amazing”了。

实际上通过汗液分析人体血液的生化指标并不是什么新鲜事物,早在上个世纪四十年代就有人在研究了(2)。但是一直以来有两个问题困扰着意欲利用汗液检测人体生化指标研究人员:可穿戴设备的柔韧性和计算能力。

在过去很长一段时间里,工程人员一直使用硅基芯片,但是这种芯片与皮肤的结合度不好,很难取到汗液;当换用柔性材料时,计算芯片又不具备同时处理几组数据的计算能力。因此大部分可穿戴设备要么记记步,要么测测心率之类;即使能测量生化指标,也只是测量一项,而且不具备校对功能。

Javey团队创造性的解决了这两个难题。他们的解决方案是利用信号转导(传感器将化学信号转换为电信号)、调节(信号放大以及过滤)、处理(信号校准和补偿)和无线传输技术,在现存的技术沟壑之间搭起桥梁。最终,他们实现了在一个柔性设备上同时测量5个指标,而且数据之间可以互相校对。而且,Javey团队目前正在研发检测其他指标的传感器,希望最终将FISA打造成全能的医疗设备。

FISA的可贵之处在于可以实时无创分析多项人体血液生化指标,而且数据可以校准。尤其是体温对汗液中的各种生化指标浓度的影响较大,因此需要根据体温的变化,对数据做一定的校准。但是FISA也面临着一个难题,处于静息状态的人排汗量极少,FISA要怎么办?这是Javey团队面临的一个难题。

Javey坦承,尽管FISA具备实时无创多指标监测的优势,但是测量精度肯定是赶不上有“金标准”之称的血检。而且汗液成分的变化也较血液剧烈,要获得精准的数据,必须需要做大量严格的测试。Javey认为,要把FISA作为商业化医疗设备还需要漫长的临床试验和FDA的评估,但是在这之前完全可以把它当做健康监视器。如果FISA快速进入这条商业道路,Fitbit、Misfit、Jawbone和小米手环等穿戴设备将会受到严峻的挑战(据我小范围调查了解,大家购买该设备的意愿非常强烈)。

简单的介绍一下Ali Javey本人。他就是下图那个帅帅的小哥。Javey年轻有为,今年才36岁,早在2009年就被MIT科技评论评选为TR35,目前是加州大学伯克利分校的“杰出教授”(只授予在学术界做出了杰出贡献的少数顶尖学者,属于终身教职),被认为是材料学界的“一颗璀璨的新星”。

1帅气的Ali Javey和FISA

最后不得不提的是,Ali Javey在斯坦福大学攻读博士学位期间,师从世界著名纳米材料研究专家、美国艺术与科学院院士戴宏杰教授。戴宏杰教授2006年被评为斯坦福大学终身教授,是该大学最年轻的终身教授,2011年入选2000-2010年全球顶尖100位化学家名人堂榜单,总排名第7,华人排名第一。真可谓“名师出高徒”。

clipboard戴宏杰教授

参考文献

1.Gao W, Emaminejad S, Nyein HYY, Challa S, Chen K, et al. 2016. Fully integrated wearable sensor arrays for multiplexed in situ perspiration analysis. Nature 529:509-14

2.Sonner Z, Wilder E, Heikenfeld J, Kasting G, Beyette F, et al. 2015. The microfluidics of the eccrine sweat gland, including biomarker partitioning, transport, and biosensing implications. Biomicrofluidics 9:031301

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