之前，美國加州大學(xué)伯克利分校博士后高偉心里藏著一個(gè)想法：如果有一個(gè)可以檢測人體日常健康的傳感器就好了，這樣人們可以及時(shí)了解自己的健康問題。30歲出頭的高偉在徐州農(nóng)村長大，他經(jīng)歷過姥姥的遽然離世，是腦血栓，當(dāng)天晚上就不認(rèn)識任何人了，幾個(gè)月后去世。
現(xiàn)在，他在見證這個(gè)想法變成現(xiàn)實(shí)，由他領(lǐng)銜研發(fā)的全柔性汗液傳感器問世。這款可穿戴的傳感器外形如同運(yùn)動(dòng)防汗帶，集結(jié)了配有藍(lán)牙的印刷電路板、直徑3毫米的5枚傳感器、可以支撐10個(gè)小時(shí)使用時(shí)間的鋰電池，通過檢測汗液，來獲取身體信息，并把數(shù)據(jù)無線傳輸至手機(jī)上的APP。
8月，《麻省理工科技評論》年度青年英雄榜揭曉，高偉憑借這款汗液傳感器，入圍“發(fā)明者”榜單，成為上榜的6位中國人之一。
高偉
每年，全球會(huì)有35位35歲以上的“世界杰出青年創(chuàng)新家”入選這個(gè)榜單，高偉的博士后導(dǎo)師Ali Javey在7年前是入圍者之一。今年，Ali Javey向《麻省理工科技評論》提名高偉。高偉說，他在學(xué)術(shù)界和科技界的很多偶像都曾榜上有名，如今他的履歷里也添加了這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)。
相繼在華中科技大學(xué)和清華大學(xué)完成學(xué)業(yè)后，高偉赴美國加州大學(xué)圣迭戈分校攻讀博士學(xué)位，2014年又至加州伯克利分校開始博士后研究，也就是從這個(gè)時(shí)候開始把汗液傳感器作為研究方向。
可穿戴的汗液傳感器 高偉 圖
可穿戴傳感器正成為潮流，高偉也認(rèn)為它會(huì)在未來個(gè)性化醫(yī)療中扮演舉足輕重的角色。但和市面上已經(jīng)有的檢測心率、體溫等物理活動(dòng)和生命特征的傳感器不同，高偉向澎湃新聞（www.thepaper.cn）介紹，這款汗液傳感器的最大亮點(diǎn)在于從分子層面來檢測健康，也就是說，利用人體體液中化學(xué)成分的含量來反映生命特征。
幾微升汗液，無創(chuàng)檢測疾病
用體液來檢測身體情況很常見，醫(yī)院的化驗(yàn)大多依靠各類體液。但高偉的想法是日常的，無需去醫(yī)院進(jìn)行的檢測，這意味著優(yōu)先選擇無創(chuàng)的檢測。這樣一來，帶有身體信息的血液被排除在外，獲取血液意味著會(huì)有創(chuàng)口，對日常的實(shí)時(shí)檢測來說并不實(shí)際。除此之外，還有什么體液，既攜帶大量生命信息，又可以輕松獲??？
高偉在汗液上看到了可能，汗液的化學(xué)成分多樣，且容易獲得。在初階版本的汗液傳感器中，高偉設(shè)定了5種檢測維度：葡萄糖、乳酸、鈉離子、鉀離子還有體表溫度，也在后續(xù)不斷加入重金屬、氯離子等檢測對象。這些具體的檢測對象可以窺視身體的秘密，高偉介紹說，已經(jīng)在醫(yī)學(xué)上比較確信的是，血液中的鈉離子可以檢測身體的脫水情況，氯離子可以用來診斷囊腫型纖維化，再比如人體中的葡萄糖和血液中的葡萄糖相關(guān)，可以來檢測糖尿病。
但高偉坦言，汗液并不是一個(gè)已經(jīng)被大規(guī)模研究過的體液，還有很多未知的東西，雖然趨勢樂觀，但需要更多時(shí)間。一方面，汗液和血液在各個(gè)成分上的聯(lián)系需要通過大量的臨床試驗(yàn)來確認(rèn)，另一方面，汗液可能是生命信息的富礦，有待開發(fā)更多的檢測維度。
“我們所研究出來的是一個(gè)平臺(tái)，可以用來不同的產(chǎn)品，不管是更多還是更少的傳感器，或者不一樣的傳感器，我們期待，最終都可以在這個(gè)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。”高偉說。
用來檢測多項(xiàng)生命數(shù)據(jù)，傳感器需要多少含量的汗液來保持穩(wěn)定的讀數(shù)？高偉說傳感器只需要幾微升的汗液，也就相當(dāng)于普通滴管中一滴水的十分之一，就可以讓5個(gè)傳感器各司其職，協(xié)同工作。
幾微升的汗液對運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的人體來說沒有難度，目前，高偉和同事也主要把汗液傳感器定位于人們運(yùn)動(dòng)時(shí)的場景。但若處于靜態(tài)又不易出汗的環(huán)境中，高偉也想好了解決方案，一方面將傳感器的尺度進(jìn)一步縮小至微米級別，這樣所需的汗量也會(huì)相應(yīng)降低，另一方面，可以通過人工的方法讓人體出汗。高偉告訴澎湃新聞，人工發(fā)汗就是通過美國一種對人體無害的藥物，借用電流將該藥物注入到皮膚表面，從而讓皮膚表面出汗。
全柔性系統(tǒng)，每秒鐘采集5000個(gè)數(shù)據(jù)
傳感器監(jiān)測到的信息最終要以數(shù)據(jù)的方式呈現(xiàn)。具體而言，不同的檢測對象，傳感器的工作原理也有所不同。葡萄糖和乳酸是基于催化酶的電流傳感器，當(dāng)汗液中葡萄糖和乳酸的濃度上升時(shí)，電流大小也會(huì)相應(yīng)提高。而鈉離子和鉀離子不同，是電壓傳感器，電壓輸出的大小和汗液中兩種離子濃度的對數(shù)成正比。
汗液傳感器構(gòu)造。 美國加州大學(xué)伯克利分校 圖
所產(chǎn)生的電流、電壓等經(jīng)過電路的放大和濾波處理后，會(huì)抵達(dá)汗液傳感器的微控制器，相當(dāng)于是“大腦”部分，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。處理完的數(shù)據(jù)借由藍(lán)牙裝置，被發(fā)送到手機(jī)APP，實(shí)時(shí)地在屏幕顯示各個(gè)電解質(zhì)、代謝物的含量和濃度讀數(shù)。
通過藍(lán)牙，無線傳輸數(shù)據(jù)到手機(jī)。 美國加州大學(xué)伯克利分校 圖
“做出這一個(gè)系統(tǒng)，它能夠真正非常舒適地被穿戴在人體上，而且能提供非常穩(wěn)定的讀數(shù)，這一點(diǎn)是非常重要的。”高偉承認(rèn)這同時(shí)也是設(shè)計(jì)可穿戴傳感器最大的難點(diǎn)。
為此，高偉在一遍遍優(yōu)化的過程中，逐漸清晰了兩個(gè)關(guān)鍵詞：柔性和校準(zhǔn)。
最開始，高偉把傳感器做成了柔性材料，這相對容易點(diǎn)，后來也攻克了柔性電路板的難題，實(shí)現(xiàn)全系統(tǒng)柔性。如此一來，這條集成的腕帶可以真正像防汗帶一樣，形成彎度，和皮膚更貼合。柔性材料帶來的好處不僅是佩戴更舒適，因?yàn)楹推つw接觸更好，也為提供可靠數(shù)據(jù)助力。
校準(zhǔn)則為數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度“保駕護(hù)航”。所謂校準(zhǔn)，是指不同的傳感器之間“互幫互助”，提供不同的信息，以保證最后顯示在手機(jī)屏幕的數(shù)據(jù)符合實(shí)際情況。溫度傳感器在校準(zhǔn)中扮演著重要的角色，比如同樣100微摩爾的葡萄糖，隨著體表溫度的上升，葡萄糖傳感器的電流大小會(huì)改變。沒有相應(yīng)的體表溫度，便無法根據(jù)電流大小換算出實(shí)際的葡萄糖含量。
“你的體表溫度是可以變很大的，是吧？如果你在熱帶還是在北極，這肯定是不一樣的。”高偉說，除了校準(zhǔn)，溫度傳感器還可用于某些皮膚病表征的檢測。
盡管體型不太，汗液傳感器采集數(shù)據(jù)海量而迅速。高偉告訴澎湃新聞，每秒鐘每個(gè)傳感器會(huì)產(chǎn)生1000個(gè)數(shù)據(jù)，5個(gè)傳感器協(xié)同工作的汗液傳感器也就是5000個(gè)數(shù)據(jù)，但在實(shí)際的手機(jī)屏幕顯示中，是按照每秒一次的數(shù)據(jù)更新速度。
值得一提的是，微控制器產(chǎn)生的每個(gè)數(shù)據(jù)都為固定單位時(shí)間內(nèi)所有值的平均，比如1.1秒時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是0.1秒到1.1秒之間1000個(gè)數(shù)據(jù)的平均值。除了平均值法，高偉還對電流進(jìn)行低峰濾波的處理，只取直流電部分，排除人體自身噪音（交流電）的干擾。這么做的目的，高偉說，是讓最終呈現(xiàn)在用戶面前的數(shù)據(jù)曲線更加平滑，也更加準(zhǔn)確，減少環(huán)境噪音對數(shù)據(jù)的波動(dòng)。
今年1月，以高偉為第一作者、關(guān)于這款全柔性汗液傳感器的論文在國際期刊《自然》發(fā)表，是領(lǐng)域內(nèi)的先行者。之后，不少公司和風(fēng)投找來談合作，但是高偉和導(dǎo)師Ali Javey選擇先做優(yōu)化，再談商業(yè)化的問題。“我們希望先進(jìn)一步地完善設(shè)備，讓它能夠在各種條件下提供更可靠的讀數(shù)，另一方面我們在做大量的人體試驗(yàn)，希望我們的傳感器能夠有更多真正有用的用途 。”
來源：澎湃新聞
