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智能可穿戴设备的研究和应用进展

发布时间:2021-11-11

研究背景

智能可穿戴设备近来已迅速从科幻作品中转变为各种成熟的消费品和医疗产品,如FitBit和Apple Watch等,作为可以随身穿戴的“健康管家”,随时监视身体的各种状况,再加上同智能手机或电脑的实时连接,更好的实现了可穿戴设备的智能化和实时化。相较于目前主要的抽血和传统的台式测量技术,智能可穿戴设备可以更加及时快速的告诉使用者自身的身体状况,例如血糖水平、脱水状况、心率情况等,为个人身体健康检测提供了一种新的方法。同时,智能可穿戴设备的操作和使用相对简单,可以满足非专业人士和基础设施较为薄弱地区的需求,显示出广阔的发展前景。

亮点解读

本文从不同的应用出发,对智能可穿戴设备进行了系统的分类总结,尤其从智能可穿戴设备的穿戴方式角度,将目前所出现的相关智能可穿戴设备高度归纳分为接触型、植入型和外接型三种类型, 直接接触的可穿戴设备通过粘合剂或吸附力等直接将设备固定到皮肤表面,具有轻松、便捷、灵活的特点。植入型的可穿戴设备主要通过微型针的形式进行皮下检测,可以直接接触间质液进行更加准确快速的检测。对于外接型可穿戴设备,其穿戴方式更加多样,且更加舒适。

随后,对智能可穿戴设备构建所用的常用先进功能材料和不同的传感方式进行了系统的归纳总结,常用材料包括柔性材料、纸基材料、纳米材料和有机材料,不同传感方式包括化学传感、光学传感和机电传感,进一步挖掘了智能可穿戴设备的发展现状。除此以外,从前沿研究比较广泛的汗液检测、呼吸检测及心率和血氧检测的三大应用角度出发,在可穿戴设备的应用方面做了翔实的综述评论,对智能可穿戴设备的最新应用研究做了较为全面的评述。

最后,本文根据对智能可穿戴设备最新研究进展的归纳总结与综述评论,提出了智能可穿戴设备研究未来面临的机遇与挑战,并展望了其未来的发展趋势。

智能可穿戴设备,您的贴身“健康管家”

引言

近年来,FitBit和Apple Watch等智能可穿戴设备的迅速发展,使可穿戴设备渐渐地受到人们的关注,同时随着微型电容器、新材料、无线传输技术等领域的发展也为传感设备的可穿戴提供了更多的技术支持。目前可穿戴设备主要用于生命体征和运动健康状况的体外检测,穿戴的传感器直接或间接同人体接触,对一些指标如葡萄糖、pH值、脉搏等数据进行实时检测传输,可穿戴设备主要用于人体检测,在其他领域也有少量应用。另外,可穿戴设备对于汗液和物理指标的检测分析较多,商业化产品大多是用于物理指标检测的可穿戴设备,随着对可穿戴传感器技术的深入理解,实现人体更多信息的检测,创造新一代的可穿戴设备指日可待。

可穿戴设备

可穿戴设备即直接将传感设备穿在身上,或是整合到衣服等可穿戴物品中的一种便携式设备,将可穿戴技术和传感器相结合,改变传统的样品采集后再检测的模式,直接实现样品收集检测的一体化。

可穿戴设备常见的穿戴方式有接触型、植入型和外接型。接触型穿戴直接将传感器固定到皮肤表面,植入型穿戴则是利用传感器透皮检测,而外接型可穿戴设备通过将传感器外接到固定装置来实现其穿戴。

接触型

直接接触的可穿戴设备具有轻松、便捷、灵活的特点,有较高的柔韧性和灵敏度,在设计和制造方面需要多种技术的共同支持,常用的接触方式是通过粘合剂或吸附力等直接将设备固定到皮肤表面。无创可穿戴设备检测最多的是汗液,汗液是最容易接触的皮肤液体,可以提供大量与人体生理状态相关的信息,因此,汗液是开发无创可穿戴生物传感器最具针对性的生物流体之一,可穿戴的自供电式汗液监测系统,可以方便、准确地实现在个人手机上显示汗液信息,评估个人生理状态。一种由三电极传感器集成的微流控芯片用于葡萄糖检测,可以实现在48小时内连续监测葡萄糖。除了对汗液的监测,直接接触的可穿戴设备还常常用于压力检测和温度检测。一种接触式的纸基应变传感器,其纸基应变传感器能够进行大角度的连续监测。如图1(A)所示,使用模拟章鱼吸盘来替代黏合剂制作高度灵敏的柔性温度传感器,传感器在反复从皮肤附着和剥离的过程中,表现出稳定且可重复的皮肤温度检测,并且长时间内没有任何皮肤刺激。

图 1 不同穿戴方式的可穿戴设备:(A)接触型可穿戴设备;(B,C)植入型可穿戴设备;(D,E)外接型可穿戴传感器

Figure.1 Wearable devices with different ways of wearing: (A) Contact wearable device; (B,C) Implanted wearable device; (D,E) Wearable sensor with additional device

植入型

植入型的可穿戴设备主要通过微型针的形式,进行皮下检测,间质液作为一种新兴的生物标志物来源,对疾病诊断具有重要意义,微针提供了一种从间质液中提取所需分子的微创方法。近年来,已经可以通过间质液来检测代谢物,如葡萄糖、乳酸、酒精等。相较于采血分析,微针分析不会造成不适和疼痛,对于需要每天进行检测的患者,这些影响会更加突出。微针是小型化的传统皮下注射针,高度只有几百微米,其大小避免了对真皮层的伤害。如图1(B)所示,将3D打印微流控芯片与FDA批准的临床微透析探针相集成,然后与实验室制造的无线恒电位仪相连接,用于实时连续监测皮下葡萄糖和乳酸水平。如图1(C)所示,一种用于皮下酒精检测的微针传感芯片,通过对小鼠离体皮肤模型的实验分析,证实了该生物传感器对皮下酒精浓度监测的穿透能力和有效性。

外接型

对于外接型可穿戴设备,设备本身不能直接穿戴,而是通过将其外接到穿戴物品上来实现穿戴,如集成了视听图像处理和记录设备以及无线连接和传感器的智能手表和眼镜等,其中谷歌眼镜就是一种典型的的外接型的智能穿戴设备,它具有成像和视频记录功能,以及各种无线技术。穿戴时外接型的可穿戴设备较为舒适,图1(D)所示,通过将纸基传感器固定到口罩中并与传统电子设备相结合,将呼吸数据传送到附近的智能手机或平板电脑进行处理,实现对与呼吸的实时监测。图1(E)所示,利用可穿戴的汗液传感器实现对室内运动中的汗钠的有效地收集和实时分析。通过将传感设备外接到可穿戴设备上,可以更好地实现更多结构和功能的集成,例如传感器材料、储能装置、近场通讯装置等。

可穿戴设备的常用材料

为了满足可穿戴设备的要求,传感器的材料需要具有轻薄、柔软和耐腐蚀等特点,目前用于可穿戴设备的主要材料包括柔性材料、纸基材料、纳米材料和有机材料。

柔性材料

柔性材料作为可穿戴设备的常用材料,主要有聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘乙烯、聚氨酯、聚酰亚胺和乳胶等,它们的相容性、弯曲性、机械和温度稳定性相对较好。在众多的柔性材料中,PDMS和PET又是其中最常用的。如图2(A)所示,长时间连续检测汗液的柔性微流控芯片由三层PET薄膜层压成,检测时,皮肤表面的芯片通过集成在入口中的过滤器吸收体表的液体,然后通过毛细作用进入微通道和传感腔,进行检测。柔性材料的超轻重量,高流动性,可伸缩性,低成本与其兼容性使得它可以集成许多其他组件。其中可伸缩提供的灵活性,不仅可以缓解弯曲引起的机械应变,还可以缓解压缩、拉伸和扭转等其他扰动引起的机械应变。柔性可拉伸的可穿戴设备可以与皮肤牢固结合,尽可能的减少界面处产生的应力,在正常的身体运动和肌肉运动过程中产生的强烈压力下,实现对人体活动和个人健康的监测。

图 2 可穿戴设备的常用材料:(A)柔性材料;(B)纸基材料;(C)纳米材料;(D)有机材料

Figure.2 Common materials for wearable devices: (A) Flexible material; (B) Paper based materials; (C) Nanometer material; (D) Organic materials

纸基材料

纸基由于其自身特有的特性,具有易于回收处置、成本低、吸水性强和柔韧性好等优点。纸基可穿戴设备的独特性使其可以很好的用在呼吸监测上,利用纸基良好的吸水性,制备的可穿戴纸基水分传感器,通过检测呼吸引起的水分变化,从而检测个人呼吸,相较于传统的设备,其成本很低。通过将纸同其他材料相结合,可以改善纸基设备强度上的缺点,基于微流控纸基芯片,将棉线和滤纸相结合,设计制备用于葡萄糖检测的可穿戴设备,为纸基可穿戴设备的的发展提供了一种新思路。

纳米材料

常见的用于可穿戴设备的纳米材料包括碳纳米管、金属纳米线、金属氧化物纳米线和导电聚合物纳米线等。如图2(C)所示,制造了一种基于介电泳羧基功能化单壁碳纳米管的pH传感器,通过碳纳米管的排列可以在不同方面改变其性能,已经开发了许多技术来制备具有不同形貌的碳纳米管,包括垂直的碳纳米管、弯曲的碳纳米管和悬浮的碳纳米管。对于金属纳米材料主要有金银铜纳米线,将银纳米线和PDMS相结合研制了一种压力传感器,可以监测如轻触、吞咽、弯曲和扭转等动作。

有机材料

基于有机半导体或导电材料的有机传感器由于其灵活性、可拉伸性、低成本和重量轻等优点,近年来成为可穿戴设备常用的材料之一,有机半导体和导电材料的独特优势在于,它们的电学、机械、化学和光学特性可以通过合理的分子设计来优化。有机半导体光传感器的可调光学范围可以通过分子设计来实现从近红外到紫外区域的吸收波长,因此,这些传感器被广泛应用于连续实时监测个体的生理状态。如图2(D)所示,基于高灵敏度有机光电晶体管的光电容积传感器,超薄的可穿戴装置能够连续监测心率变化,精确跟踪身体各部位脉压的变化。

不同传感方式的可穿戴设备

如何实现可穿戴设备的信号转换是传感器正常工作的关键,根据传感方式的不同,可将可穿戴设备分为三类,分别是化学传感器、光学传感器和机电传感器。

可穿戴化学传感器

可穿戴化学传感器主要通过将化学信号转换为光学信号或电信号来检测,化学到光学信号常用的检测方法是比色法,化学到电信号则主要采用电化学的方法进行检测。比色法的主要优势是超低成本和设备简单,不需要外接电子设备和检测装置。如图3(A)所示,制造了一种基于离子凝胶和微流控系统的可穿戴芯片传感器,通过与标准色图比较,只需观察颜色变化即可获得汗液pH值。许多可穿戴的化学传感器在本质上是电信号性质的,这类传感器一旦接触到生物流体,就开始工作,同时,许多电化学传感器可以连续工作且具有可逆性。如图3(B)所示,一种基于电化学的汗液检测传感器,可以同时测量出汗代谢物、电解质以及皮肤温度。用于检测汗液的芯片传感器,芯片传感器具有良好的盐敏能力,随盐浓度的增加芯片传感器的电流减小,汗液传感器通过将芯片贴在人的手臂上,对室内运动中人体的汗液进行实时监测。对于可穿戴化学传感设备来说,像离子、分子和蛋白质等目标物的化学传感检测,这些目标物在体液中含量较低且难以提取,如何实现汗液中目标物的提取和富集,是化学传感设备面临的挑战。

图 3 不同传感方式的可穿戴设备:(A,B)可穿戴化学传感器;(C)可穿戴光学传感器;(D)可穿戴机电传感器

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

可穿戴光学传感器

可穿戴光学传感器通过将光引入身体,利用光散射和光吸收的变化在光学检测器上显示人体信息,先进的小型化光电设备,与可穿戴基底相结合,可以在皮肤表面执行各种传感功能。将不同颜色的光电探测器和发光二极管集成到一起,并与外部电路互连,光信号穿透皮肤,根据氧化血红蛋白和脱氧血红蛋白之间光谱响应的差异实时监测组织血氧水平。如图3(C)所示,一种超柔性反射式脉搏血氧传感器,其超薄的传感器总厚度只有3 μm,可视化的显示器可以直接显示数字和颜色。除了常规的脉搏血氧检测,光电传感器还可以检测到肌肉运动,基于光学传感的可穿戴传感器可以很好的应用于无创检测,通过对传感系统和光学数据的进一步研究,可以实现人体更加全面的健康状况检测。

可穿戴机电传感器

可穿戴机电传感器主要通过检测身体表面电阻、电容性或者导电性等的变化来监测身体的信号,常见的可穿戴的机电传感器有温度传感器、应变传感器和压力传感。

对于体温的连续实时监测具有重要意义,高透明的柔性温度传感器可以很好地同显示设备连接到一起。基于碳纳米材料的温度传感器可以增加热响应范围,提高传感器件的灵敏度,其电阻严格依赖于温度。

应变传感器在运动监测方面发挥着重要的作用,大多数的金属基应变设备的灵敏度(标度系数)在2-5,基于半导体的灵敏度为100或更多,基于柔性材料的灵敏度在1~100之间,另外灵敏度还取决于传感机制、材料的结构等因素。

压力传感器是最常见的机电传感器,通常将施加的力转换为电信号输出,基于压电效应的压电传感器在受到机械应力作用时产生电荷变化,压电传感器的高灵敏度和快速响应使其在可穿戴传感器的应用中具有很大的优势和发展潜力,如图3(D)所示,在弯曲条件下,超高灵敏的的柔性压力传感器表现出高达40 nA的电流和大约1.5 V的电压。电容式传感器在机械刺激作用下电容发生变化从而产生信号,捕捉人体胸部运动引起的呼吸频率。相较于其他形式的可穿戴传感器,可穿戴电容式传感器在具有高灵敏度的同时功耗较低。离电子传感作为一种新提出的离子电子界面的传感机制,其在灵敏度和信噪比方面有着显著的提高。

可穿戴设备的应用

近年来,可穿戴设备的应用主要集中在人体健康检测方面,其在人体各项指标的检测中有着重要的应用。

汗液检测

在身体的许多位置都分布着分泌汗腺,因此有大量可用的取样点。汗水中包含着许多人体信息,能够确定个人的健康状况,汗液中检测生物标志物和出汗率是汗液检测应用的主要方面。

葡萄糖是维持人体各种生理活动的能量来源,乳酸是新陈代谢的产物,葡萄糖和乳酸的检测对于高血压和糖尿病患者有着重要的意义。如图4(A)所示,一种基于微流控芯片的可穿戴式比色传感器,用于检测汗液葡萄糖,该装置有五个通道,能同时进行五次检测,可以显示空腹时出汗葡萄糖浓度和口服葡萄糖后的细微差异。如图4(B)所示,将光刻技术和丝网印刷技术结合,与小型化的柔性电子板集成,将数据无线传输到移动设备,表皮微流控检测芯片用于汗液取样和对葡萄糖和乳酸的实时连续监测。

图 4 用于汗液检测的可穿戴设备:(A)用于检测葡萄糖的可穿戴传感器的结构和功能示意图;(B)用于检测葡萄糖和乳酸的基于微流控的可穿戴传感器;(C)用于检测汗液的可穿戴传感器

Figure.4 Wearable devices for sweat detection: (A) Structure and function diagram of wearable sensor for glucose detection; (B) A microfluidic wearable sensor for glucose and lactate detection; (C) Wearable sensor for sweat detection

汗液pH反映着人体出汗情况和健康状况,对于汗液pH的检测可以直接显示人体脱水状况和身体情况。结合商业上可用的纹身纸与传统的丝网印刷和固体接触离子选择性电极相结合,制备了监测表皮pH的传感器,用于实时监测人体出汗情况,同纹身纸结合的电位传感器对pH变化表现出快速和灵敏的响应,此外,纹身纸可以承受的机械形变满足可穿戴设备的关键要求,使其几乎可以用在任何裸露的皮肤表面,同时又不失美观。

人体汗液中Na+和K+变化关系到人体电解质的流失,电解质紊乱可能会导致不同的机体损伤。Garcia-Cordero等研制了一种全芯片集成的可穿戴汗液传感系统,通过毛细作用将收集到的少量汗液运送到芯片上分析pH值、Na+和K+浓度。出汗率反映人体健康,大量的出汗可能会导致机体紊乱引起脱水,严重的会引起中暑等后果。如图4(C)所示,引入了滚轧工艺制备的微流控传感贴片,用于收集汗液并实时测量汗液中汗液速率、Na+、K+和葡萄糖的变化。

呼吸检测

呼吸作为一种人体生理参数是判断人体健康的重要依据,目前主要使用各种专用的监测仪进行监测。由石墨烯填充橡胶制成的导电复合材料,具有高应变灵敏度,工作应变超过800%。一种基于织物的应变传感器,制作的呼吸带可以系在胸部或腹部周围,以监测呼吸频率。另一种可穿戴胸带,不仅可以监测呼吸频率,还可以检测呼吸模式的变化。在呼吸检测中比较特别的是基于纸基的可穿戴式的呼吸检测,纸基水分传感器,利用纸张的吸水能力,通过将呼吸引起的湿度变化转换成电信号来监测呼吸模式和呼吸速率。呼吸过程中湿度的变化导致传感器的导电性发生相应变化,通过监测电信号的变化来监测呼吸,基于纸张的电呼吸传感器成本足够低且使用操作简单。

心率和血氧检测

心率和血氧监测是保障心血管系统乃至全身健康的重要手段,由于脉搏是心率的直接反映,在这里,我们认为它们是一样的。除了采用压力测量心率,通常将发光二极管和光电二极管结合,使用光电容积描记来同时测量心率和血氧。研制的反射式脉搏血氧饱和度测量的低功耗可穿戴设备,用于血氧监测和脉搏测定。利用反射式探头连续测量脉搏血氧饱和度和心率的可穿戴设备,通过无线传输和信号处理技术将测量信号发送到移动设备上进行实时信号处理,其血氧测量的准确度至少为98%,心率准确率达到97%以上。

总结与展望

随着各种技术的发展,可穿戴设备作为材料、化学、生物、物理等多门学科综合应用下的产物从中受益良多,发展迅速,但还是存在一些挑战等待解决,拥有巨大的发展空间。首先,基于汗液检测设备存在不能重复利用的问题,对此增加排出系统可以实现设备的循环利用。其次是可穿戴设备检测和记录传输信息的功耗较大,大部分的设备虽然可以进行几分钟到数小时不等的连续检测,但还是不能满足长期佩戴需求,所以更好的结合超级电容器等电容设备,可以实现更小更持久的电源供应。再者,可穿戴设备集成了许多的部件,在穿戴时或多或少的影响舒适性,同时其生物兼容性也是需要考虑的问题,随着无线传输和新材料的发展,可以增强设备智能化并减小设备体积使其穿戴起来更舒适,同时结合生物材料天然的生物相容性和生物降解性,来解决其安全性问题。最后,可穿戴设备的检测范围还主要集中在生理健康方面的检测,随着材料科学、纳米技术、通讯技术和生物技术的发展,合成具有新颖性能的传感元件来拓展可穿戴设备的检测范围也是很重要的。

综上所述,尽管可穿戴设备还存在着一些问题,但是随着合成材料和检测方式的进一步扩展,检测平台和传输技术的不断进步,可穿戴设备将会拥有更加广阔的发展前景。

(作者:李博伟)

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