隨著科技的迅猛發(fā)展，人們手中的電子智能產(chǎn)品隨之發(fā)生著日新月異的變化。從電腦、手機，再到逐漸火爆的智能手表和智能眼鏡等等，制造商們試圖使用更小、更輕便的設(shè)備集成更加豐富的功能。

其中，除了必備的信息收發(fā)等功能之外，健康監(jiān)測功能日益受到消費者的關(guān)注和青睞。與醫(yī)院中大型的醫(yī)用檢測設(shè)備不同，當前的便攜式生物傳感器能夠即時性地報告佩戴者的日常身體狀況。

很大程度上，這些能夠記錄生理信號并實時提供信息、甚至治療的高性能可穿戴和可植入設(shè)備迎合了人們對于個性化醫(yī)療保健的需求。然而，傳統(tǒng)剛性無機材料與柔軟的有機人體組織之間的磨合將會導(dǎo)致各種不良后果，包括皮膚刺激、組織損傷、信噪比降低和使用時間限制等等。為此，大量的研究人員正在致力于推進并使用更為靈活和可拉伸的設(shè)計和材料來克服該類問題。

近年以來，柔性生物電子技術(shù)逐漸興起，其憑借著優(yōu)異的人體兼容性受到了廣泛關(guān)注。另一方面，其與生物醫(yī)療科學(xué)緊密結(jié)合，將為新興的預(yù)防和個性化醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展帶來了更多機遇。

于游博士于2017年在中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所獲得分析化學(xué)博士學(xué)位，今年4月，他結(jié)束了美國加州理工學(xué)院（California Institute of Technology）醫(yī)學(xué)工程系的博士后研究，并在歸國之后來到了上海科技大學(xué)的生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院任職助理教授、研究員、博導(dǎo)、PI以及智能醫(yī)療分析與柔性生物電子實驗室（Smart Medical Analysis and Soft Bioelectronics Lab）主任。

長期以來，于游專注于柔性生物電子及醫(yī)療機器人的相關(guān)研究，已在 Science Robotics、Science Advances、Advanced Materials、Nanoscale等相關(guān)領(lǐng)域期刊發(fā)表論文20余篇，近五年引用次數(shù)超1200次，并且申請美國發(fā)明專利2項。

于游表示，在上科大的個人實驗室組建完成之后，其將繼續(xù)推進柔性可穿戴電子醫(yī)療設(shè)備、人機交互以及柔性能量采集裝置三個主要方向的研究工作。“我們計劃以3年為一個時間節(jié)點，不斷推動新興的柔性電子可穿戴設(shè)備的進展?！?/p>

從生物燃料電池走向柔性電子設(shè)備

現(xiàn)代生活中，人們已經(jīng)普遍具備了定期體檢的健康意識，然而大部分人的體檢活動并不頻繁，無法及時反饋人體健康變化。另一方面，在病患就醫(yī)時醫(yī)生僅能夠了解病人當前的情況，對于一些慢性病、或突發(fā)性疾病來說，就無法通過即時性的診斷獲知詳細的病因，或?qū)l(fā)展為更大的致病隱患。

面對上述問題，人們對于健康監(jiān)測設(shè)備提出了隨身攜帶、隨時隨地檢測等更多需求。于游因此想到，“類似于當前人們熟悉的心跳、運動監(jiān)測設(shè)備，如果能夠更進一步，在日常生活中，特別是在疾病突發(fā)時立即讀取和收集身體中的變化數(shù)據(jù)，這將有利于獲得更加全面的初步診斷?！?/p>

在博士期間，于游長期專注于針對生物燃料電池（biofuel cell，BFC）的研究，這為他進入柔性生物電子技術(shù)領(lǐng)域深入發(fā)展打下了深厚基礎(chǔ)。

基于常規(guī)電池的可穿戴設(shè)備存在種種限制，例如頻繁的充電需求、較大的體積以及高容量電池涉及的成本問題等等?？梢哉f，想要向貼合皮膚的可穿戴設(shè)備邁進，研發(fā)更加小巧、輕便的電池是繞不過去的待解難題之一。

隨著酶工程與電化學(xué)技術(shù)的持續(xù)進展，基于酶催化技術(shù)的生物燃料電池正在逐漸成為研究人員的“寵兒”，該技術(shù)的基礎(chǔ)在于充分利用酶的催化作用，將化學(xué)能、生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為電能。舉例來說，緊貼人體表面的酶類可以催化汗液中的乳酸產(chǎn)生丙酮酸，讓該過程產(chǎn)生的電子流向電極陰極之后便會形成電能，由此形成電池的基本結(jié)構(gòu)。

與常用電池相比，基于酶的生物燃料電池具備高穩(wěn)定性、高生物相容性、清潔無污染以及可再生等優(yōu)勢，這為其在植入性設(shè)備中的應(yīng)用提供了安全保障。

▲圖丨在大鼠體內(nèi)植入的生物燃料電池（來源：ScienceDirect）

另一方面，為了讓設(shè)備在各種環(huán)境中能夠穩(wěn)定運行，新型電極和導(dǎo)電材料需要兼具高導(dǎo)電性和高拉伸性。高導(dǎo)電性是電子器件的運行基礎(chǔ)，而柔性及高拉伸性則保障了良好的組織貼合度和高信噪比。柔性電子技術(shù)則成為了上述需求的有效解決方案。

柔性電子是融合了化學(xué)、物理、材料、生物、電子、計算機等多個學(xué)科的研究方向。近年以來，隨著石墨烯、水凝膠等納米材料技術(shù)的快速進展，基于復(fù)合材料的柔性電子設(shè)備已經(jīng)具備在上百次彎曲的情況下依然保持高功率密度和高應(yīng)變的優(yōu)異穩(wěn)定性能，“使用電子制造皮膚”的劇情即將從電影照進現(xiàn)實。

如何邊發(fā)電邊檢測，甚至控制假肢？“只需出汗”

近年以來，來自材料科學(xué)、生化傳感器和柔性生物電子等領(lǐng)域的研究突破，為新型皮膚接口可穿戴設(shè)備的發(fā)展鋪平了道路。

2020年，于游所在團隊發(fā)表多篇論文，試圖利用柔性電子設(shè)備帶來更加全面的健康監(jiān)測體驗。其中，發(fā)表于Science Robotics期刊的論文“Biofuel-powered soft electronic skin with multiplexed and wireless sensing for human-machine interfaces”，詳述了結(jié)合生物燃料電池與柔性生物電子技術(shù)的新型軟電子皮膚（e-skin），引發(fā)廣泛關(guān)注。

▲圖丨汗水驅(qū)動的多路無線傳感軟電子皮膚示意圖（來源：Science Robotics）

該電子皮膚配備的生物燃料電池利用乳酸氧化酶分解人體汗液中的乳酸從而供電，其中的化學(xué)傳感器用于采集關(guān)鍵的代謝生物標志物（例如葡萄糖，尿素，NH4+和pH值）和活動期間的皮膚溫度數(shù)據(jù)，并通過低功耗藍牙將個性化生理信息無線傳輸?shù)接脩艚缑妗?/p>

酶作為催化劑具有良好的生物相容性。通過這種方式，一方面降低了傳統(tǒng)電池的安全隱患；另一方面，通過分解汗液中的乳酸驅(qū)動設(shè)備，巧妙地讓汗液在進行能量供給的同時被檢測，形成相應(yīng)的技術(shù)閉環(huán)。

值得注意的是，電子皮膚（e-skin）傳感設(shè)備對于電源的供能時長和穩(wěn)定功率具有極高要求，也是該類技術(shù)的難點。為此，于游團隊在電池電極的設(shè)計中集成了0維到3維的納米材料，以獲得最佳的供電性能。經(jīng)改造的汗液動力集成電子皮膚（PPES）電池實現(xiàn)了創(chuàng)紀錄的3.5mW/cm2的功率密度，并且能夠連續(xù)穩(wěn)定運行60小時。

▲圖丨實現(xiàn)高效能量收集的柔性納米生物燃料電池陣列（來源：Science Robotics）

不止如此，該設(shè)備兼具生化傳感器與人機交互技術(shù)。經(jīng)測試，當電子皮膚充分接觸到汗液之后，不僅能夠采集溫度和汗液分析物的濃度數(shù)據(jù)，還可用于監(jiān)測人體運動行為，甚至通過人機交互界面控制假肢行走。

“可穿戴設(shè)備迄今已經(jīng)發(fā)展了20余年，基于物理傳感器系統(tǒng)所檢測的數(shù)據(jù)雖然不少，但并不全面，”于游介紹道，“想要研發(fā)以健康監(jiān)測為目標的產(chǎn)品，代謝物檢測是其中一項重要工作。除此之外，人機交互則為該類產(chǎn)品的未來提供了更多可能。”

“該過程中，應(yīng)變傳感器通過電阻的變化去監(jiān)測手腕、手肘甚至手指等部位的彎曲程度并控制機器。”于游對此談到，“這只是初步的嘗試，實際我們需要考慮的是，我們期盼的未來人機交互模式應(yīng)該是什么樣子？柔性電子在人機交互過程中應(yīng)該扮演什么樣的角色？”

“做出差異化的技術(shù)和產(chǎn)品將是下一個目標”

目前，于游在上?？萍即髮W(xué)的個人實驗室正在籌備之中。接下來，其計劃沿著三個主要的研究方向繼續(xù)展開工作：柔性可穿戴電子醫(yī)療設(shè)備、人機交互以及柔性能量采集裝置。

“隨著柔性電化學(xué)生物電子學(xué)的發(fā)展，人體內(nèi)多種化學(xué)成分的原位定量成為可能?！庇谟谓榻B，新型傳感技術(shù)憑借高環(huán)境適應(yīng)性、高靈敏度、高選擇性和低成本的優(yōu)勢，將為非介入式、個性化的健康監(jiān)測提供廣闊前景。

例如，當前仍需要穿刺手指的血糖檢測，如果將血液與汗液中的標志物數(shù)據(jù)建立計算模型，那么未來通過檢測汗液中的葡萄糖濃度將為糖尿病患者帶來更好的檢測體驗。

而在人機交互工作方面，于游將試圖在深度學(xué)習和人工智能的輔助下，進一步實現(xiàn)精細化操作。

醫(yī)療機器人是否能夠精準的完成醫(yī)生的動作，這個問題在很大程度上能夠決定手術(shù)的成敗?！爱斍暗尼t(yī)療機器人普遍解決了手勢動作感應(yīng)，進一步觀察發(fā)現(xiàn)，特別是在醫(yī)療領(lǐng)域中，每個醫(yī)生的手勢力度、位移和習慣其實各不相同，這些都是可以用人工智能解決的問題。”

近年以來，隨著柔性電子材料制造工藝的不斷革新，該領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展隨之突飛猛進。諸如激光打印、噴墨打印和3D打印技術(shù)的推出使得柔性電子設(shè)備的成本不斷降低，廣泛走入人們的生活之中。

今年6月，于游團隊再發(fā)論文，使用納米材料墨水的可擴展噴墨打印技術(shù)制造用于電生理記錄的多模態(tài)機器人傳感系統(tǒng)（M-Bot），以進一步推動其在農(nóng)業(yè)、安全、環(huán)境保護和公共衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用。

類似于正在流行的智能手表，當前的消費級可穿戴設(shè)備已經(jīng)實現(xiàn)了對于心率、血氧、運動狀態(tài)的實時監(jiān)測功能。人們對于可穿戴設(shè)備的態(tài)度也逐漸從新奇轉(zhuǎn)變成習以為常，其商業(yè)價值也得到了市場的廣泛認同。

對于柔性電子技術(shù)的未來，于游認為“其將在可穿戴設(shè)備上產(chǎn)生持續(xù)性的技術(shù)突破”。當前，大部分的可穿戴設(shè)備仍然需要固體外殼作為支撐，在其內(nèi)部集成各種原件。而在材料科學(xué)的帶動作用之下，未來的柔性電子或?qū)碚嬲裏o感化的佩戴甚至植入體驗。

“你感受不到它的存在，但它卻時時刻刻在工作。這是我們需要達到的目標之一?！笔聦嵣希斍暗南M級可穿戴設(shè)備市場已經(jīng)十分擁擠，電子制造廠商樂于推出更新穎、具有更多檢測功能的佩戴用品來搶占市場，而與健康管理相關(guān)的消費則更是成為了一種潮流，受到了用戶的追捧。

“現(xiàn)階段，以健康監(jiān)測為賣點的消費級產(chǎn)品其實存在著高度同質(zhì)化的問題，目前還沒有真正差異化的產(chǎn)品推出?！庇谟握f道，“此前我的研究工作是在國外完成，那么在回國之后，做出差異化、本土化的技術(shù)和產(chǎn)品將是下一個目標?！?/p>

審核編輯 ：李倩