表皮电子再显神威 可穿戴设备出现新转机

　　一提起可穿戴设备，我们脑海里会想起苹果手表、谷歌眼镜以及Fitbit手环，然而，这些可穿戴设备体型仍然很大，并且能测量的人体数据比较有限，仍然停留在非常基础的数据上，更深入的数据，脑电图、肌电图、心电图和汗液都无法测量，这就限制了可穿戴设备在健康医疗上的应用，因此不少人认为现在的可穿戴设备仍然是一个看起来很炫酷的「玩具」，中看不中用。

　　对此，科学家们想要用一种全新的方式来定义可穿戴设备，这种可穿戴是电子学与生物学的融合，质量非常轻，无需戴在手上，而是像刺青或者贴画一样直接黏在皮肤上，能够测量人体更丰富的数据，而这种可穿戴设备，就是「表皮电子」，也叫「电子纹身」。

　　这个月，《科学》杂志上连续发表了两篇有关「表皮电子」的新突破，一项是11月23日发表在Science TranslaTIonal Medicine期刊上，能够在人运动中测量人体汗液表皮电子，另外一项是11月16日发表在Science Advances期刊上，能够测量心电图和肌电图，还能充当「人机接口」角色的表皮电子。这两项研究，都在同一个人指导下完成，那就是国际知名的柔性电子学专家约翰·罗杰斯（John Rogers）。

　　约翰·罗杰斯（John Rogers）

　　约翰罗杰斯教授于1995年在麻省理工学院（MIT）获得了物理化学博士学位，之后曾在Bell实验室担任凝聚态物理研究组组长。从2003年开始，罗杰斯教授在伊利诺伊大学香槟分校担任化学工程系教授至今。并从今年9月份开始，担任西北大学生物集成电子中心的教授兼主任。

　　上图就是罗杰斯教授研发的能够在运动中测量汗液成分的表皮电子。这个漂亮的可穿戴设备非常轻巧，而且很柔软，采用医用级丙烯酸胶膜，对皮肤无刺激性，这种材料能够让「贴片」稳定、结实、无缝地黏在皮肤上，即使在头发覆盖的头皮处或在出汗很大的地方也能牢固地黏上。它的功能非常强大，可以根据使用者运动时产生汗水里的代谢物和电解质，监测到用户的身体健康情况，并将数据实时同步到智能手机上。不过这种硬币大小的皮肤贴片是一次性使用的，本身无需充电，有效使用时间仅为几个小时。

　　储存器的试剂与汗液作用后会颜色会改变

　　这个皮肤贴片由三个部分叠加：首先是与皮肤相容的胶粘层可以收集汗水。其次是四个单独的圆形「储存器」中，每个「储存器」中包含了不同的试剂，代表着葡萄糖、氯化物、乳酸盐和pH指数，当汗液流入这里后便会和试剂发生化学反应，然后「储存器」颜色会相应地改变。最后是一个环形天线，可以通过NFC（近距离无线通讯技术）传递数据到智能手机上。

　　利用智能手机分析分析汗液成分

　　使用者会在手机上安装一个相应的APP，首先利用智能手机的照相机功能进行「白平衡」的校准，确定此时的光和阴影。校准后拍摄变色后的「皮肤贴片」，根据储存器RBG变化来确定收集汗液中的葡萄糖、氯化物、乳酸盐和pH指数，研究人员称可以可靠地测量0.5单位的pH单位，0.2单位的氯化钠，0.3单位的乳酸，和0.1单位的葡萄糖的浓度，分别对应于在RGB图像的R通道1%的变化。

　　在实验中，罗杰斯教授找了21个健康的志愿者，在胳膊上和后背贴上了这种「皮肤贴片」。其中9个志愿者在健身房骑单车，另外12个志愿者参加在图森市的户外长途自行车竞赛。为了对比结果，研究者将志愿者的汗液吸在纸垫上，将湿样本送到实验室进行分析。最后的结果是，无论是室内还是室外的运动，「皮肤贴片」都能够工作，而且测量汗液的结果和传统方法是一致的

　　「它似乎真的很实用」，斯坦福大学化学工程教授鲍哲南说，她同样从事新型生物医学材料的研究，但是并没有参与本次研究 。通过简单地看一个颜色变化，「这样的贴片让人们了解他们的健康状况，并且知道运动是如何改变的。」

　　一开始，罗杰斯教授的目的是想要通过这个「皮肤贴片」提醒人们在运动过中及时补充电解质，防止脱水。但随着研究进一步深入，罗杰斯想象了更复杂的应用场景，如在军事训练期间对身体实时监控，甚至可以筛选患有糖尿病或囊性纤维化的疾病的人。