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未来的可穿戴设备可能就是你的“纹身”

浏览:172 日期:2019-09-11

  虽然存在争议,现在纹身的确逐步成了一种时髦,乃至是一种艺术。但假如告知你,你的纹身未来除了漂亮之外,还能监测血糖、心脏、肾脏等多项身体数据,你信任吗?

  或许你和我相同,会联想到想到「女版乔布斯」伊丽莎白·霍姆斯那个靠指尖采血就能完结 300 多项血液检测项目的硅谷惊天圈套。

  

未来的可穿戴设备或许便是你的“纹身”

  但纹身形状的健康监测设备现已不再是一个科幻的概念,而是一个能够完结的工作。用电子皮肤替代现有的可穿戴设备,乃至是智能手机,也是许多科学家正在尽力的方向,并且现已有了一些令人兴奋的打破。

  从纹身色彩改动监测健康,是怎样做到的?最近德国科学家开宣布一种特别的「纹身墨水」,能够跟着人体内的葡萄糖、白蛋白和 PH 值的改动而改动色彩,而这些色彩的改动能够让患者和医师实时监测糖尿病和肾脏疾病等缓慢疾病的状况。

  这项研讨由德国慕尼黑工业大学的化学工程师 Ali Yetisen 主导,依据其在威望期刊《运用化学》(Angewandte Chemie)上宣布的论文,这种墨水刺入皮肤的方法和一般纹身墨水十分相似,但配方成分却有很大不同。

  

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  研讨人员表明这是一种将纹身艺术和生物比色传感器结合的技能。一般的纹身是将墨水直接注入真皮层,让色素永久附着在皮肤。而科学家是将三种配方不同的的比色传感器注入皮肤,这部分皮肤会在 PH 值等生物目标改动时改动色彩。

  

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  每一种传感器担任监测一个生物目标,由于配方不同,色彩的改动也有所不同。

  当身体的 PH 值由酸性变为碱性时,纹身会由黄色变成蓝色。监测白蛋白的的传感器自身是一种黄色染料,一旦和白蛋白结合就会变绿。而血糖升高纹身就从从黄色变为深绿色。

  

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  为什么要选取这三个目标进行监测?研讨人员表明这是由于这是人体中许多问题往往都会经过这几个目标反应出来。高血糖会导致糖尿病,而白蛋白水平下降则或许意味着肝肾功用衰竭,酸碱度过高也会引发酸中毒和碱中毒。

  为了便利患者和医师第一时间读懂这些纹身色彩改动的意义,研讨人员专门开发了一个 app。只需用手机拍下纹身,app 就能剖析对应的健康目标状况。

  

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  现在研讨人员现已将「变色纹身」在猪皮上测验成功,不过还没在人体测验。研讨人员下一步方案是测验活体动物的作用,看看是否会引起一些不良反应。

  比起现有的健康监测方法,这种技能的优势在于能够将传感器直接放入身体的特定方位,实时记载代谢物质的改动,不受空间和时间的约束。

  Ali Yetisen 以为这种「变色纹身」能以一种简略、低成本的技能对患者进行永久监测,跟着比色生物传感器的开展,监测的目标未来还能够扩展到记载电解质、病原体浓度,或患者的脱水程度等。

  

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  ▲图片来自:MIT Media Lab

  其实早在两年前,麻省理工学院就曾宣布过「变色纹身」研讨,同样是用三种纳米级的生物传感器替代纹身墨水注入皮下,能监测 PH 值。血糖浓度和钠浓度,还发布了将「变色纹身」纹在手上的视频,但这仅仅个概念视频。

  虽然这种技能还需要经过更多的测验才有望实在进入商场,但这几年根据生物传感器的纹身式电子皮肤,现已取得了不少打破,乃至有望完结大规模量产。

  电子纹身的开展,或许比你幻想的要快除了「变色纹身」,还有更多选用类皮肤柔性传感器的电子纹身(Electronic Tattoo)。这些电子纹身的吸引力不止是能够不间断监测,还有不需要扎针,完结无创监测。

  2017 年清华大学团队在《科学开展》(Science Advances)期刊上宣布的一项研讨,展现了一种新的无创血糖监测方法,用一个相似纹身贴纸的设备完结血糖监测,无需扎破手指。

  

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  ▲ 无创血糖丈量方法示意图和试验图

  它经过反离子电浸透技能,对皮肤外表施加细小的电场,运用发生的离子流让皮下安排液的血糖定向浸透到皮肤外表,最终经过 3.8 微米厚的超薄柔性生物传感器材进行高精度丈量。

  这项技能的打破在于,将杂乱的监测体系集成都一个只要 3.8 微米厚的类皮肤柔性生物传感器上,这触及力学、资料、化学、生物化学、电子等多个学科的穿插运用。

  

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  ▲类皮肤生物传感器及结构示意图.

  并且跟只在猪皮上测验的「变色纹身」不相同,这种无创血糖丈量设备现已在人体上进行过临床试验,和运用血糖仪或静脉血丈量的成果相关性超越 90%,一起也没呈现任何不良反应,现已达到了医疗级监测和确诊的规范。

  此外石墨烯资料的电子皮肤也是一个备受重视的方向,上一年清华大学的另一个科研团队完结了可定制的石墨烯电子纹身,能够像纹身贴纸相同贴覆在皮肤,监测呼吸、心率、发声等人体信号。

  

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  在实用性之外,为了让石墨烯纹身看起来更漂亮,研讨人员运用了一种新工艺让纹身更薄,一起可经过激光直写技能对图画进行个性化定制,这明显现已考虑到了电子皮肤的实践运用场景。

  无独有偶,在 2017 年的旧金山国际电子元件会议(IEDM)上,也展出了声称「国际上最薄电子皮肤」的石墨烯纹身,经过一种新式传感器用于丈量来自心脏、肌肉和大脑的电信号,以及皮肤的温度和湿度。

  

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  这种传感器由德克萨斯大学奥斯汀分校的研讨人员开发,他们期望这种超薄传感器能够用于美妆商场,乃至替代现有的医疗检测设备,

  为什么这么多科学家会考虑石墨烯资料做电子纹身?

  由于这种纹身式的电子皮肤,要求生物传感器有比较好的柔韧性、可弹性性和高灵敏度,以及佩带的舒适性,而石墨烯的柔韧性能与皮肤高度贴合,这也大大增加了丈量的精度。

  比方德克萨斯大学的石墨烯纹身传感器中的石墨烯电极厚度仅有 0.3 纳米,能够更好读取下皮安排中电活动改动引起的改动,而一般的医疗监测设备体积较大的电极在皮肤拉伸和缩短过程中简单呈现空地然后下降信号精度。

  

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  现在为止咱们现已看到了许多电子纹身的 Demo,但商场还没有正式推出的产品,这不免让人置疑是否又是一个试验室里的概念产品。

  正如前面所说到的,既要超薄以贴合皮肤,又要在这么小的空间里塞入可收集各种生物信号的集成电路,这对电子元件提出了十分高的要求。

  

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  ▲ 图片来自:LA Cicero

  值得注意的是,斯坦福大学的鲍哲南团队上一年在《天然》(Nature)杂志上宣布了一项新的技能,能让元件在被拉伸两倍的状况下不丢失导电才能和灵敏度,这让大规模出产这种新式柔性、可弹性电子元件成为或许。正如鲍哲南所说:

  这证明用电子皮肤相同的电子资料来做电子器材,是一个能够完结的工作,而不再是一个科幻的愿望。

  这意味着,电子皮肤的商业化运用或许不远了。

  未来的可穿戴设备或许会像「皮肤」相同在更多人熟知的消费电子范畴,现已在许多折叠屏手机上见到过柔性屏幕。事实上,柔性电子范畴的开展关于消费电子设备发生的严重革新,很或许会经过电子皮肤,而非折叠屏手机表现。

  

未来的可穿戴设备或许便是你的“纹身”

  上文说到的鲍哲南教授便是柔性电子范畴的大神级人物,她也是斯坦福大学可穿戴电子中心开创人和主任,鲍哲南以为电子皮肤是未来电子工业开展的一个不可避免的趋势。

  我觉得电子皮肤是电子工业的革新性的方向,根本的理念便是把传感和信号处理,和信号传输结合在一起,可是这些电子器材并不是像现在已有的比方说可穿戴的手表,而是说就像皮肤相同,能够贴在咱们的皮肤外表或许栽培在皮肤下面,或许在身体里边,这样的话整个这些传感体系就会像咱们人的皮肤相同。

  正如咱们现在看到的电子皮肤,这种技能最早能够完结的运用会在健康监测范畴。但这不意味着电子皮肤仅仅现有智能手环、智能手表等可穿戴设备更轻浮的替代品。

  

未来的可穿戴设备或许便是你的“纹身”

  ▲MIT 试验室与微软研讨院协作研制的电子纹身 DuoSkin.

  鲍哲南提出了一个有意思的观念,当可穿戴设备变得像人体的「皮肤」相同,咱们或许不必再带着各种智能设备出门,而电子皮肤与周边环境的互动乃至能发明一种新的交互方式。

  智能手机是现在,但将来会是由人工电子皮肤完结的 BodyNet 人体网络。

  现在电子皮肤的技能也正在朝着这个方向开展,德克萨斯大学的研讨人员就计划为石墨烯纹身增加信号传输体系,以完结设备和手机或计算机之间的数据传输。

  

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  而鲍哲南的研讨团队的电子皮肤,现已能够像实在的皮肤相同处理和传导感觉信号数据,和人类的神经体系有用的结合起来,将感觉传导给神经体系。

  这样的技能能让义肢取得更实在的触觉,跟着集成的功用越来越多,普通人也能经过电子皮肤完结人体感知才能的进一步弥补和延伸,每一个人或许都是「生物黑客」。

  这便是凯文·凯利在《失控》描绘的未来,机器正在生物化,而生物正在工程化。但这并不意味着未来的国际必定会是坚固严寒的赛博朋克国际。相反,这些技能所引导的未来,或许会诞生一种的新生物文明。