材料洞察丨智能可穿戴設(shè)備，您的貼身“健康管家”

智能可穿戴設(shè)備近來已迅速從科幻作品中轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞣N成熟的消費品和醫(yī)療產(chǎn)品，如FitBit和Apple Watch等，作為可以隨身穿戴的“健康管家”，隨時監(jiān)視身體的各種狀況，再加上同智能手機或電腦的實時連接，更好的實現(xiàn)了可穿戴設(shè)備的智能化和實時化。相較于目前主要的抽血和傳統(tǒng)的臺式測量技術(shù)，智能可穿戴設(shè)備可以更加及時快速的告訴使用者自身的身體狀況，例如血糖水平、脫水狀況、心率情況等，為個人身體健康檢測提供了一種新的方法。同時，智能可穿戴設(shè)備的操作和使用相對簡單，可以滿足非專業(yè)人士和基礎(chǔ)設(shè)施較為薄弱地區(qū)的需求，顯示出廣闊的發(fā)展前景。

本文從不同的應用出發(fā)，對智能可穿戴設(shè)備進行了系統(tǒng)的分類總結(jié)，尤其從智能可穿戴設(shè)備的穿戴方式角度，將目前所出現(xiàn)的相關(guān)智能可穿戴設(shè)備高度歸納分為接觸型、植入型和外接型三種類型， 直接接觸的可穿戴設(shè)備通過粘合劑或吸附力等直接將設(shè)備固定到皮膚表面，具有輕松、便捷、靈活的特點。植入型的可穿戴設(shè)備主要通過微型針的形式進行皮下檢測，可以直接接觸間質(zhì)液進行更加準確快速的檢測。對于外接型可穿戴設(shè)備，其穿戴方式更加多樣，且更加舒適。

隨后，對智能可穿戴設(shè)備構(gòu)建所用的常用先進功能材料和不同的傳感方式進行了系統(tǒng)的歸納總結(jié)，常用材料包括柔性材料、紙基材料、納米材料和有機材料，不同傳感方式包括化學傳感、光學傳感和機電傳感，進一步挖掘了智能可穿戴設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀。除此以外，從前沿研究比較廣泛的汗液檢測、呼吸檢測及心率和血氧檢測的三大應用角度出發(fā)，在可穿戴設(shè)備的應用方面做了翔實的綜述評論，對智能可穿戴設(shè)備的最新應用研究做了較為全面的評述。

最后，本文根據(jù)對智能可穿戴設(shè)備最新研究進展的歸納總結(jié)與綜述評論，提出了智能可穿戴設(shè)備研究未來面臨的機遇與挑戰(zhàn)，并展望了其未來的發(fā)展趨勢。

智能可穿戴設(shè)備，您的貼身“健康管家”

近年來，F(xiàn)itBit和Apple Watch等智能可穿戴設(shè)備的迅速發(fā)展，使可穿戴設(shè)備漸漸地受到人們的關(guān)注，同時隨著微型電容器、新材料、無線傳輸技術(shù)等領(lǐng)域的發(fā)展也為傳感設(shè)備的可穿戴提供了更多的技術(shù)支持。目前可穿戴設(shè)備主要用于生命體征和運動健康狀況的體外檢測，穿戴的傳感器直接或間接同人體接觸，對一些指標如葡萄糖、pH值、脈搏等數(shù)據(jù)進行實時檢測傳輸，可穿戴設(shè)備主要用于人體檢測，在其他領(lǐng)域也有少量應用。另外，可穿戴設(shè)備對于汗液和物理指標的檢測分析較多，商業(yè)化產(chǎn)品大多是用于物理指標檢測的可穿戴設(shè)備，隨著對可穿戴傳感器技術(shù)的深入理解，實現(xiàn)人體更多信息的檢測，創(chuàng)造新一代的可穿戴設(shè)備指日可待。

可穿戴設(shè)備即直接將傳感設(shè)備穿在身上，或是整合到衣服等可穿戴物品中的一種便攜式設(shè)備，將可穿戴技術(shù)和傳感器相結(jié)合，改變傳統(tǒng)的樣品采集后再檢測的模式，直接實現(xiàn)樣品收集檢測的一體化。

可穿戴設(shè)備常見的穿戴方式有接觸型、植入型和外接型。接觸型穿戴直接將傳感器固定到皮膚表面，植入型穿戴則是利用傳感器透皮檢測，而外接型可穿戴設(shè)備通過將傳感器外接到固定裝置來實現(xiàn)其穿戴。

接觸型

直接接觸的可穿戴設(shè)備具有輕松、便捷、靈活的特點，有較高的柔韌性和靈敏度，在設(shè)計和制造方面需要多種技術(shù)的共同支持，常用的接觸方式是通過粘合劑或吸附力等直接將設(shè)備固定到皮膚表面。無創(chuàng)可穿戴設(shè)備檢測最多的是汗液，汗液是最容易接觸的皮膚液體，可以提供大量與人體生理狀態(tài)相關(guān)的信息，因此，汗液是開發(fā)無創(chuàng)可穿戴生物傳感器最具針對性的生物流體之一，可穿戴的自供電式汗液監(jiān)測系統(tǒng)，可以方便、準確地實現(xiàn)在個人手機上顯示汗液信息，評估個人生理狀態(tài)。一種由三電極傳感器集成的微流控芯片用于葡萄糖檢測，可以實現(xiàn)在48小時內(nèi)連續(xù)監(jiān)測葡萄糖。除了對汗液的監(jiān)測，直接接觸的可穿戴設(shè)備還常常用于壓力檢測和溫度檢測。一種接觸式的紙基應變傳感器，其紙基應變傳感器能夠進行大角度的連續(xù)監(jiān)測。如圖1（A）所示，使用模擬章魚吸盤來替代黏合劑制作高度靈敏的柔性溫度傳感器，傳感器在反復從皮膚附著和剝離的過程中，表現(xiàn)出穩(wěn)定且可重復的皮膚溫度檢測，并且長時間內(nèi)沒有任何皮膚刺激。

植入型

植入型的可穿戴設(shè)備主要通過微型針的形式，進行皮下檢測，間質(zhì)液作為一種新興的生物標志物來源，對疾病診斷具有重要意義，微針提供了一種從間質(zhì)液中提取所需分子的微創(chuàng)方法。近年來，已經(jīng)可以通過間質(zhì)液來檢測代謝物，如葡萄糖、乳酸、酒精等。相較于采血分析，微針分析不會造成不適和疼痛，對于需要每天進行檢測的患者，這些影響會更加突出。微針是小型化的傳統(tǒng)皮下注射針，高度只有幾百微米，其大小避免了對真皮層的傷害。如圖1（B）所示，將3D打印微流控芯片與FDA批準的臨床微透析探針相集成，然后與實驗室制造的無線恒電位儀相連接，用于實時連續(xù)監(jiān)測皮下葡萄糖和乳酸水平。如圖1（C）所示，一種用于皮下酒精檢測的微針傳感芯片，通過對小鼠離體皮膚模型的實驗分析，證實了該生物傳感器對皮下酒精濃度監(jiān)測的穿透能力和有效性。

外接型

對于外接型可穿戴設(shè)備，設(shè)備本身不能直接穿戴，而是通過將其外接到穿戴物品上來實現(xiàn)穿戴，如集成了視聽圖像處理和記錄設(shè)備以及無線連接和傳感器的智能手表和眼鏡等，其中谷歌眼鏡就是一種典型的的外接型的智能穿戴設(shè)備，它具有成像和視頻記錄功能，以及各種無線技術(shù)。穿戴時外接型的可穿戴設(shè)備較為舒適，圖1（D）所示，通過將紙基傳感器固定到口罩中并與傳統(tǒng)電子設(shè)備相結(jié)合，將呼吸數(shù)據(jù)傳送到附近的智能手機或平板電腦進行處理，實現(xiàn)對與呼吸的實時監(jiān)測。圖1（E）所示，利用可穿戴的汗液傳感器實現(xiàn)對室內(nèi)運動中的汗鈉的有效地收集和實時分析。通過將傳感設(shè)備外接到可穿戴設(shè)備上，可以更好地實現(xiàn)更多結(jié)構(gòu)和功能的集成，例如傳感器材料、儲能裝置、近場通訊裝置等。

為了滿足可穿戴設(shè)備的要求，傳感器的材料需要具有輕薄、柔軟和耐腐蝕等特點，目前用于可穿戴設(shè)備的主要材料包括柔性材料、紙基材料、納米材料和有機材料。

柔性材料

柔性材料作為可穿戴設(shè)備的常用材料，主要有聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚萘乙烯、聚氨酯、聚酰亞胺和乳膠等，它們的相容性、彎曲性、機械和溫度穩(wěn)定性相對較好。在眾多的柔性材料中，PDMS和PET又是其中最常用的。如圖2（A）所示，長時間連續(xù)檢測汗液的柔性微流控芯片由三層PET薄膜層壓成，檢測時，皮膚表面的芯片通過集成在入口中的過濾器吸收體表的液體，然后通過毛細作用進入微通道和傳感腔，進行檢測。柔性材料的超輕重量，高流動性，可伸縮性，低成本與其兼容性使得它可以集成許多其他組件。其中可伸縮提供的靈活性，不僅可以緩解彎曲引起的機械應變，還可以緩解壓縮、拉伸和扭轉(zhuǎn)等其他擾動引起的機械應變。柔性可拉伸的可穿戴設(shè)備可以與皮膚牢固結(jié)合，盡可能的減少界面處產(chǎn)生的應力，在正常的身體運動和肌肉運動過程中產(chǎn)生的強烈壓力下，實現(xiàn)對人體活動和個人健康的監(jiān)測。

紙基材料

紙基由于其自身特有的特性，具有易于回收處置、成本低、吸水性強和柔韌性好等優(yōu)點。紙基可穿戴設(shè)備的獨特性使其可以很好的用在呼吸監(jiān)測上，利用紙基良好的吸水性，制備的可穿戴紙基水分傳感器，通過檢測呼吸引起的水分變化，從而檢測個人呼吸，相較于傳統(tǒng)的設(shè)備，其成本很低。通過將紙同其他材料相結(jié)合，可以改善紙基設(shè)備強度上的缺點，基于微流控紙基芯片，將棉線和濾紙相結(jié)合，設(shè)計制備用于葡萄糖檢測的可穿戴設(shè)備，為紙基可穿戴設(shè)備的的發(fā)展提供了一種新思路。

納米材料

常見的用于可穿戴設(shè)備的納米材料包括碳納米管、金屬納米線、金屬氧化物納米線和導電聚合物納米線等。如圖2（C）所示，制造了一種基于介電泳羧基功能化單壁碳納米管的pH傳感器，通過碳納米管的排列可以在不同方面改變其性能，已經(jīng)開發(fā)了許多技術(shù)來制備具有不同形貌的碳納米管，包括垂直的碳納米管、彎曲的碳納米管和懸浮的碳納米管。對于金屬納米材料主要有金銀銅納米線，將銀納米線和PDMS相結(jié)合研制了一種壓力傳感器，可以監(jiān)測如輕觸、吞咽、彎曲和扭轉(zhuǎn)等動作。

有機材料

基于有機半導體或?qū)щ姴牧系挠袡C傳感器由于其靈活性、可拉伸性、低成本和重量輕等優(yōu)點，近年來成為可穿戴設(shè)備常用的材料之一，有機半導體和導電材料的獨特優(yōu)勢在于，它們的電學、機械、化學和光學特性可以通過合理的分子設(shè)計來優(yōu)化。有機半導體光傳感器的可調(diào)光學范圍可以通過分子設(shè)計來實現(xiàn)從近紅外到紫外區(qū)域的吸收波長，因此，這些傳感器被廣泛應用于連續(xù)實時監(jiān)測個體的生理狀態(tài)。如圖2（D）所示，基于高靈敏度有機光電晶體管的光電容積傳感器，超薄的可穿戴裝置能夠連續(xù)監(jiān)測心率變化，精確跟蹤身體各部位脈壓的變化。

如何實現(xiàn)可穿戴設(shè)備的信號轉(zhuǎn)換是傳感器正常工作的關(guān)鍵，根據(jù)傳感方式的不同，可將可穿戴設(shè)備分為三類，分別是化學傳感器、光學傳感器和機電傳感器。

可穿戴化學傳感器

可穿戴化學傳感器主要通過將化學信號轉(zhuǎn)換為光學信號或電信號來檢測，化學到光學信號常用的檢測方法是比色法，化學到電信號則主要采用電化學的方法進行檢測。比色法的主要優(yōu)勢是超低成本和設(shè)備簡單，不需要外接電子設(shè)備和檢測裝置。如圖3（A）所示，制造了一種基于離子凝膠和微流控系統(tǒng)的可穿戴芯片傳感器，通過與標準色圖比較，只需觀察顏色變化即可獲得汗液pH值。許多可穿戴的化學傳感器在本質(zhì)上是電信號性質(zhì)的，這類傳感器一旦接觸到生物流體，就開始工作，同時，許多電化學傳感器可以連續(xù)工作且具有可逆性。如圖3（B）所示，一種基于電化學的汗液檢測傳感器，可以同時測量出汗代謝物、電解質(zhì)以及皮膚溫度。用于檢測汗液的芯片傳感器，芯片傳感器具有良好的鹽敏能力，隨鹽濃度的增加芯片傳感器的電流減小，汗液傳感器通過將芯片貼在人的手臂上，對室內(nèi)運動中人體的汗液進行實時監(jiān)測。對于可穿戴化學傳感設(shè)備來說，像離子、分子和蛋白質(zhì)等目標物的化學傳感檢測，這些目標物在體液中含量較低且難以提取，如何實現(xiàn)汗液中目標物的提取和富集，是化學傳感設(shè)備面臨的挑戰(zhàn)。

圖 3 不同傳感方式的可穿戴設(shè)備：（A，B）可穿戴化學傳感器；（C）可穿戴光學傳感器；（D）可穿戴機電傳感器

Figure.3 Wearable devices with different sensing modes simultaneous interpreting: (A,B) Wearable chemical sensors; (C) Wearable optical sensors; (D) Wearable electromechanical sensor

可穿戴光學傳感器

可穿戴光學傳感器通過將光引入身體，利用光散射和光吸收的變化在光學檢測器上顯示人體信息，先進的小型化光電設(shè)備，與可穿戴基底相結(jié)合，可以在皮膚表面執(zhí)行各種傳感功能。將不同顏色的光電探測器和發(fā)光二極管集成到一起，并與外部電路互連，光信號穿透皮膚，根據(jù)氧化血紅蛋白和脫氧血紅蛋白之間光譜響應的差異實時監(jiān)測組織血氧水平。如圖3（C）所示，一種超柔性反射式脈搏血氧傳感器，其超薄的傳感器總厚度只有3 μm，可視化的顯示器可以直接顯示數(shù)字和顏色。除了常規(guī)的脈搏血氧檢測，光電傳感器還可以檢測到肌肉運動，基于光學傳感的可穿戴傳感器可以很好的應用于無創(chuàng)檢測，通過對傳感系統(tǒng)和光學數(shù)據(jù)的進一步研究，可以實現(xiàn)人體更加全面的健康狀況檢測。

可穿戴機電傳感器

可穿戴機電傳感器主要通過檢測身體表面電阻、電容性或者導電性等的變化來監(jiān)測身體的信號，常見的可穿戴的機電傳感器有溫度傳感器、應變傳感器和壓力傳感。

對于體溫的連續(xù)實時監(jiān)測具有重要意義，高透明的柔性溫度傳感器可以很好地同顯示設(shè)備連接到一起?；谔技{米材料的溫度傳感器可以增加熱響應范圍，提高傳感器件的靈敏度，其電阻嚴格依賴于溫度。

應變傳感器在運動監(jiān)測方面發(fā)揮著重要的作用，大多數(shù)的金屬基應變設(shè)備的靈敏度（標度系數(shù)）在2-5，基于半導體的靈敏度為100或更多，基于柔性材料的靈敏度在1~100之間，另外靈敏度還取決于傳感機制、材料的結(jié)構(gòu)等因素。

壓力傳感器是最常見的機電傳感器，通常將施加的力轉(zhuǎn)換為電信號輸出，基于壓電效應的壓電傳感器在受到機械應力作用時產(chǎn)生電荷變化，壓電傳感器的高靈敏度和快速響應使其在可穿戴傳感器的應用中具有很大的優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿?，如圖3（D）所示，在彎曲條件下，超高靈敏的的柔性壓力傳感器表現(xiàn)出高達40 nA的電流和大約1.5 V的電壓。電容式傳感器在機械刺激作用下電容發(fā)生變化從而產(chǎn)生信號，捕捉人體胸部運動引起的呼吸頻率。相較于其他形式的可穿戴傳感器，可穿戴電容式傳感器在具有高靈敏度的同時功耗較低。離電子傳感作為一種新提出的離子電子界面的傳感機制，其在靈敏度和信噪比方面有著顯著的提高。

近年來，可穿戴設(shè)備的應用主要集中在人體健康檢測方面，其在人體各項指標的檢測中有著重要的應用。

汗液檢測

在身體的許多位置都分布著分泌汗腺，因此有大量可用的取樣點。汗水中包含著許多人體信息，能夠確定個人的健康狀況，汗液中檢測生物標志物和出汗率是汗液檢測應用的主要方面。

葡萄糖是維持人體各種生理活動的能量來源，乳酸是新陳代謝的產(chǎn)物，葡萄糖和乳酸的檢測對于高血壓和糖尿病患者有著重要的意義。如圖4（A）所示，一種基于微流控芯片的可穿戴式比色傳感器，用于檢測汗液葡萄糖，該裝置有五個通道，能同時進行五次檢測，可以顯示空腹時出汗葡萄糖濃度和口服葡萄糖后的細微差異。如圖4（B）所示，將光刻技術(shù)和絲網(wǎng)印刷技術(shù)結(jié)合，與小型化的柔性電子板集成，將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)揭苿釉O(shè)備，表皮微流控檢測芯片用于汗液取樣和對葡萄糖和乳酸的實時連續(xù)監(jiān)測。

汗液pH反映著人體出汗情況和健康狀況，對于汗液pH的檢測可以直接顯示人體脫水狀況和身體情況。結(jié)合商業(yè)上可用的紋身紙與傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷和固體接觸離子選擇性電極相結(jié)合，制備了監(jiān)測表皮pH的傳感器，用于實時監(jiān)測人體出汗情況，同紋身紙結(jié)合的電位傳感器對pH變化表現(xiàn)出快速和靈敏的響應，此外，紋身紙可以承受的機械形變滿足可穿戴設(shè)備的關(guān)鍵要求，使其幾乎可以用在任何裸露的皮膚表面，同時又不失美觀。

人體汗液中Na+和K+變化關(guān)系到人體電解質(zhì)的流失，電解質(zhì)紊亂可能會導致不同的機體損傷。Garcia-Cordero等研制了一種全芯片集成的可穿戴汗液傳感系統(tǒng)，通過毛細作用將收集到的少量汗液運送到芯片上分析pH值、Na+和K+濃度。出汗率反映人體健康，大量的出汗可能會導致機體紊亂引起脫水，嚴重的會引起中暑等后果。如圖4（C）所示，引入了滾軋工藝制備的微流控傳感貼片，用于收集汗液并實時測量汗液中汗液速率、Na+、K+和葡萄糖的變化。

呼吸檢測

呼吸作為一種人體生理參數(shù)是判斷人體健康的重要依據(jù)，目前主要使用各種專用的監(jiān)測儀進行監(jiān)測。由石墨烯填充橡膠制成的導電復合材料，具有高應變靈敏度，工作應變超過800%。一種基于織物的應變傳感器，制作的呼吸帶可以系在胸部或腹部周圍，以監(jiān)測呼吸頻率。另一種可穿戴胸帶，不僅可以監(jiān)測呼吸頻率，還可以檢測呼吸模式的變化。在呼吸檢測中比較特別的是基于紙基的可穿戴式的呼吸檢測，紙基水分傳感器，利用紙張的吸水能力，通過將呼吸引起的濕度變化轉(zhuǎn)換成電信號來監(jiān)測呼吸模式和呼吸速率。呼吸過程中濕度的變化導致傳感器的導電性發(fā)生相應變化，通過監(jiān)測電信號的變化來監(jiān)測呼吸，基于紙張的電呼吸傳感器成本足夠低且使用操作簡單。

心率和血氧檢測

心率和血氧監(jiān)測是保障心血管系統(tǒng)乃至全身健康的重要手段，由于脈搏是心率的直接反映，在這里，我們認為它們是一樣的。除了采用壓力測量心率，通常將發(fā)光二極管和光電二極管結(jié)合，使用光電容積描記來同時測量心率和血氧。研制的反射式脈搏血氧飽和度測量的低功耗可穿戴設(shè)備，用于血氧監(jiān)測和脈搏測定。利用反射式探頭連續(xù)測量脈搏血氧飽和度和心率的可穿戴設(shè)備，通過無線傳輸和信號處理技術(shù)將測量信號發(fā)送到移動設(shè)備上進行實時信號處理，其血氧測量的準確度至少為98%，心率準確率達到97%以上。

隨著各種技術(shù)的發(fā)展，可穿戴設(shè)備作為材料、化學、生物、物理等多門學科綜合應用下的產(chǎn)物從中受益良多，發(fā)展迅速，但還是存在一些挑戰(zhàn)等待解決，擁有巨大的發(fā)展空間。首先，基于汗液檢測設(shè)備存在不能重復利用的問題，對此增加排出系統(tǒng)可以實現(xiàn)設(shè)備的循環(huán)利用。其次是可穿戴設(shè)備檢測和記錄傳輸信息的功耗較大，大部分的設(shè)備雖然可以進行幾分鐘到數(shù)小時不等的連續(xù)檢測，但還是不能滿足長期佩戴需求，所以更好的結(jié)合超級電容器等電容設(shè)備，可以實現(xiàn)更小更持久的電源供應。再者，可穿戴設(shè)備集成了許多的部件，在穿戴時或多或少的影響舒適性，同時其生物兼容性也是需要考慮的問題，隨著無線傳輸和新材料的發(fā)展，可以增強設(shè)備智能化并減小設(shè)備體積使其穿戴起來更舒適，同時結(jié)合生物材料天然的生物相容性和生物降解性，來解決其安全性問題。最后，可穿戴設(shè)備的檢測范圍還主要集中在生理健康方面的檢測，隨著材料科學、納米技術(shù)、通訊技術(shù)和生物技術(shù)的發(fā)展，合成具有新穎性能的傳感元件來拓展可穿戴設(shè)備的檢測范圍也是很重要的。

綜上所述，盡管可穿戴設(shè)備還存在著一些問題，但是隨著合成材料和檢測方式的進一步擴展，檢測平臺和傳輸技術(shù)的不斷進步，可穿戴設(shè)備將會擁有更加廣闊的發(fā)展前景。