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可穿戴设备何日“人器合一” 科学家尝试用其获取大量数据监测健康

http://www.bjmmedia.cn      发布日期:2015-12-07      中关村多媒体创意产业园      关注度:
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它们距离我们已经越来越近,我们可以自然而然地想象,它们最终和人体的相处会水乳交融。

可穿戴设备何日“人器合一” 科学家尝试用其获取大量数据监测健康
表面传感器需要像皮肤一样灵活、可伸展。

图片来源:A. Chezière

Goran Gustafsson眼睛看着行人,脑里想着汽车——那些数十年前装配线上生产的老模型。Gustafsson说,今天的汽车已经配备了高端的感应器、计算机和交流系统,可以在情况依然可控时提示存在的问题,这正是现代汽车较少让驾驶人发生灾难性事故的原因。

“为什么我们不在人体中尝试同样的事情呢?”瑞典Acreo电子公司工程师Gustafsson曾有过这样的想法,这个位于斯德哥尔摩近郊希斯塔的公司是全世界试图实现这一目标的公司之一。就像不让汽车在中途抛锚一样,为了不让健康隐患暗中潜伏——直到患者进入医院才发现病症,这些研究团队希望在可以预见的未来,把人类像汽车那样装扮起来,给人类穿戴上可以形成类似早期预警系统的感应器。

Gustafsson的团队和瑞典林雪平大学的研究人员一起合作,研发出了一些像皮肤一样薄的可植入感应器,还有一个体内“局域网”,可以让这些感应器在独立发挥作用的同时彼此相互连接在一起。其他一些团队正在研究从可感应动脉硬化(心脏病发作的信号)的皮肤补丁到探测癫痫发作并自动向受影响区域直接提供药物的感应设备。

这些下一代设备的设计目的是和人体组织协同作用,而不是像现有的大多数心脏起搏器和其他电子设备那样独自发挥作用。但是让这些设备融会贯通需要的技术绝不简单,尤其是对材料学家来说,他们需要把相关电路大大缩短,制作出灵活、可伸展、不被人体组织觉察的电路,并找到与人体创建接口的新通道。如果实现Gustafsson的设想——用设备一天天监控和治疗人体,同样还需要开辟新的能量来源和传递信息的新方式。

现在,面对大幅提高健康管理同时降低相关花费的挑战,研究人员和临床医生已经跃跃欲试,美国伊利诺伊州立大学材料学家John Rogers说。“我碰到的临床医生没有人会说‘那简直就是天上的馅饼、不切实际,不信过20年看一看结果。’”他说,“相反,他们会说‘哇,这个想法太棒了。我们现在可以通过3种渠道使用它,不如一起合作尝试一把。’”

把感应器移入体内是手持智能手机和可穿戴设备的自然延伸,Rogers说。“电子设备正迎面扑来。”他说,“它们距离我们已经越来越近,我们可以自然而然地想象,它们最终和人体的相处会水乳交融。”

薄如皮肤

超越可穿戴设备的第一步将是可直接用于皮肤的无线感应器,它们可以收集大量重要信号,如体温、脉搏、心率等。但Rogers表示,不利的是,“它们在生物学上需要具备可灵活弯曲、拉伸和膨胀的特点”,因此传统上用硬硅胶制作的电子感应器并非良好选择。

他和团队为此研发了一种“皮肤电子”:灵活的、可生物降解的补丁,其内部填塞了让使用者几乎感觉不到的感应器。像很多临时纹身那样,这些补丁利用的是普通的硅电子,但却非常薄,并利用“橡胶图章”为里衬可以灵活运动。利用S形的电线和可伸展、弯曲的天线,这个补丁可以从附近的磁场获取能量或是通过捕捉无线电波获取能量。“它们利用的是波浪的几何特点,当你伸展的时候,波浪形也会像手风琴的风箱那样变化。”Rogers说。

Rogers作为共同创始人已经在马萨诸塞州莱克星顿建立了一个叫作MC10的公司,明年该公司将开始推广这种生物图标设备:一种可以测量心电活动、体温、紫外线接触等健康数据的临时补丁。Rogers表示,这种补丁将首先向个人消费者发放,但其最终目标是医疗应用。在乌尔班纳卡勒基金会的新生儿重症病房中,医生正在利用这些补丁无扫描、无创伤地监测新生儿的症状,很快相关测试结果将会出现。MC10还在和比利时布鲁塞尔一家名叫UCB的制药公司合作,测试一种可监测帕金森氏症患者震颤症状,用来跟踪疾病并监测患者是否遵医嘱接受治疗的补丁。

Rogers的补丁相对较小,但是日本东京大学工程师、材料学家染矢高雄已经研制出一种面积相对更大的电子皮肤传感器。其最新的传感器厚度仅有1微米,其质量轻到可以像一片羽毛那样漂浮在空气中,而且这种材料足够牢固,可以用于肘关节和膝关节的灵活伸展活动。这种感应器可以读取温度、湿度、脉搏、血液含氧量等。

尽管皮肤电子可以获得很多信息,但是仍然需要深入身体内部获取更多信息。“医生抽血是有原因的。”麻省理工学院化学工程师Michael Strano说,“血液中含有的标记可以精确地预测疾病。”

移动靶标

但是让电路进入人体深层面临许多新挑战。Strano表示,皮肤下的理想感应器不仅应该是无毒性的,而且还可以根据需要在体内稳定使用数年,同时兼具可降解性等特点,这意味着它们不能够引发身体免疫系统的排斥。然而,当前大多数设备均存在这样或那样的缺点。

尽管如此,一些研究人员的目标仍然是挑战皮肤下的深层组织,对于他们来说,灵活性和可降解性变得尤其重要。如果一个感应器和心脏或大脑等活动器官存在摩擦,当活体呼吸时细胞就会发生转移,身体就会迅速用瘢痕组织形成一道防火墙围绕该组织。让感应器随着器官的律动活动,这种情况简直不能实现。

法国圣埃蒂安国立高等矿业学校生物电子工程师George Malliaras和同事正在研发灵活的感应器,以代替僵硬的感应器,并在体内跟踪典型病患者或帕金森氏症患者大脑独特的电子模式。这种采用有机、可导电聚合物制作的灵活感应器可以对化学信号——产生电子信号的流动离子——产生感应。他表示,这不仅会增加敏感性,而且还会让研究人员“以一种完全不同的方式进行生物学研究”。

Malliaras说,该团队的最新成果已经通过大鼠实验,并在两名癫痫症患者外科手术中进行了临床试验,进而检测到了个体神经元放电。他补充说,如果这一过程被逆转,那么该感应器将可以应用于提供药物。这种被称为有机电子离子泵的设备可以通过强制给药对施加的电压(小的带电粒子)产生反应,Malliaras的团队正在和林雪平大学以及法国国家健康与医学研究院合作,把他的癫痫感应器和一个可以对癫痫发作产生感应的离子泵连接在一起,把抗癫痫药物释放到正确的脑区。Berggren和林雪平大学团队已经利用类似技术研发了一种“疼痛感应器”,可以直接把止痛药物传输到脊髓神经。

继续推动

任何电子设备都会受到电源的限制。贴在皮肤上或是靠近皮肤的感应器可以直接接入无线获取能量的天线——只要附近有可获得的外部能量。但是植入体内的感应器经常需要依赖电池,它们不仅会让植入设备变得笨重,而且还需要置换。而有一些设备,例如Berggren的疼痛缓解泵,则需要把电线放置在皮肤上,这样不仅会非常累赘,而且可能形成潜在的感染路径。

为了克服此类问题,亚特兰大佐治亚理工学院纳米学家王中林在过去10年曾试图捕捉人在行走甚至呼吸时产生的微弱机械能量。“我们开始思考,怎样才能把身体动能转化成电能呢?”他说。

他的最新设计是用一直以来被认为很恼人的静电,把呼吸产生的动能转化成电能,用来驱动相关的起搏器和感应器。这个“发电机”利用夹在电极和连接电路之间的两个不同聚合物表面。当使用者呼吸时,两个表面会发生接触然后分开,从而交换电子——就像一个气球和一块羊毛布料摩擦时那样。“吸气、呼气,前后移动或是上下移动,然后就会产生能量。”王中林说。

尽管这一技术是革命性的变革,但是通过体内电路把健康数据传输到外部计算机或是医学中心仍然面临潜在的威胁,而且这个威胁已经对可穿戴设备行业带来困扰:那就是隐私泄露。“当一个半导体芯片被植入人体之后,‘黑客’窃密就是一个真正严肃的问题了。”染矢高雄说。

而且不管这项技术有多好,专家表示,新材料行业同时还面临着新一轮医学法规的争议。很多化学厂商担心,如果设备失败会给它们带来一系列的官司,“所以还要给新材料使用踩刹车”,他说。

Berggren知道前路漫长且障碍重重。“现有的挑战是把所有的东西整合在一起。”他说,“如今汽车行业已经实现了这一点,而且成效显著。你很少看到有汽车会在半路抛锚后等待修理,是否值得在人类中尝试这项技术仍然是个疑问,但它绝对值得一试。”

(来源:中国科学报)



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