之前，美國加州大學伯克利分校博士后高偉心里藏著一個想法：如果有一個可以檢測人體日常健康的傳感器就好了，這樣人們可以及時了解自己的健康問題。30歲出頭的高偉在徐州農村長大，他經歷過姥姥的遽然離世，是腦血栓，當天晚上就不認識任何人了，幾個月后去世

現在，他在見證這個想法變成現實，由他領銜研發的全柔性汗液傳感器問世。這款可穿戴的傳感器外形如同運動防汗帶，集結了配有藍牙的印刷電路板、直徑3毫米的5枚傳感器、可以支撐10個小時使用時間的鋰電池，通過檢測汗液，來獲取身體信息，并把數據無線傳輸至手機上的APP。

8月，《麻省理工科技評論》年度青年英雄榜揭曉，高偉憑借這款汗液傳感器，入圍“發明者”榜單，成為上榜的6位中國人之一。

高偉

每年，全球會有35位35歲以上的“世界杰出青年創新家”入選這個榜單，高偉的博士后導師Ali Javey在7年前是入圍者之一。今年，Ali Javey向《麻省理工科技評論》提名高偉。高偉說，他在學術界和科技界的很多偶像都曾榜上有名，如今他的履歷里也添加了這個獎項。

相繼在華中科技大學和清華大學完成學業后，高偉赴美國加州大學圣迭戈分校攻讀博士學位，2014年又至加州伯克利分校開始博士后研究，也就是從這個時候開始把汗液傳感器作為研究方向。

可穿戴的汗液傳感器 高偉 圖

可穿戴傳感器正成為潮流，高偉也認為它會在未來個性化醫療中扮演舉足輕重的角色。但和市面上已經有的檢測心率、體溫等物理活動和生命特征的傳感器不同，高偉介紹，這款汗液傳感器的最大亮點在于從分子層面來檢測健康，也就是說，利用人體體液中化學成分的含量來反映生命特征。

幾微升汗液，無創檢測疾病

用體液來檢測身體情況很常見，醫院的化驗大多依靠各類體液。但高偉的想法是日常的，無需去醫院進行的檢測，這意味著優先選擇無創的檢測。這樣一來，帶有身體信息的血液被排除在外，獲取血液意味著會有創口，對日常的實時檢測來說并不實際。除此之外，還有什么體液，既攜帶大量生命信息，又可以輕松獲取?

高偉在汗液上看到了可能，汗液的化學成分多樣，且容易獲得。在初階版本的汗液傳感器中，高偉設定了5種檢測維度：葡萄糖、乳酸、鈉離子、鉀離子還有體表溫度，也在后續不斷加入重金屬、氯離子等檢測對象。這些具體的檢測對象可以窺視身體的秘密，高偉介紹說，已經在醫學上比較確信的是，血液中的鈉離子可以檢測身體的脫水情況，氯離子可以用來診斷囊腫型纖維化，再比如人體中的葡萄糖和血液中的葡萄糖相關，可以來檢測糖尿病。

但高偉坦言，汗液并不是一個已經被大規模研究過的體液，還有很多未知的東西，雖然趨勢樂觀，但需要更多時間。一方面，汗液和血液在各個成分上的聯系需要通過大量的臨床試驗來確認，另一方面，汗液可能是生命信息的富礦，有待開發更多的檢測維度。

“我們所研究出來的是一個平臺，可以用來不同的產品，不管是更多還是更少的傳感器，或者不一樣的傳感器，我們期待，最終都可以在這個平臺上實現。”高偉說。

用來檢測多項生命數據，傳感器需要多少含量的汗液來保持穩定的讀數?高偉說傳感器只需要幾微升的汗液，也就相當于普通滴管中一滴水的十分之一，就可以讓5個傳感器各司其職，協同工作。

幾微升的汗液對運動狀態的人體來說沒有難度，目前，高偉和同事也主要把汗液傳感器定位于人們運動時的場景。但若處于靜態又不易出汗的環境中，高偉也想好了解決方案，一方面將傳感器的尺度進一步縮小至微米級別，這樣所需的汗量也會相應降低，另一方面，可以通過人工的方法讓人體出汗。高偉告訴記者，人工發汗就是通過美國一種對人體無害的藥物，借用電流將該藥物注入到皮膚表面，從而讓皮膚表面出汗。

全柔性系統，每秒鐘采集5000個數據

傳感器監測到的信息最終要以數據的方式呈現。具體而言，不同的檢測對象，傳感器的工作原理也有所不同。葡萄糖和乳酸是基于催化酶的電流傳感器，當汗液中葡萄糖和乳酸的濃度上升時，電流大小也會相應提高。而鈉離子和鉀離子不同，是電壓傳感器，電壓輸出的大小和汗液中兩種離子濃度的對數成正比。

汗液傳感器構造。 美國加州大學伯克利分校 圖

所產生的電流、電壓等經過電路的放大和濾波處理后，會抵達汗液傳感器的微控制器，相當于是“大腦”部分，進行數據處理。處理完的數據借由藍牙裝置，被發送到手機APP，實時地在屏幕顯示各個電解質、代謝物的含量和濃度讀數。

通過藍牙，無線傳輸數據到手機。 美國加州大學伯克利分校 圖

“做出這一個系統，它能夠真正非常舒適地被穿戴在人體上，而且能提供非常穩定的讀數，這一點是非常重要的。”高偉承認這同時也是設計可穿戴傳感器最大的難點。

為此，高偉在一遍遍優化的過程中，逐漸清晰了兩個關鍵詞：柔性和校準。

最開始，高偉把傳感器做成了柔性材料，這相對容易點，后來也攻克了柔性電路板的難題，實現全系統柔性。如此一來，這條集成的腕帶可以真正像防汗帶一樣，形成彎度，和皮膚更貼合。柔性材料帶來的好處不僅是佩戴更舒適，因為和皮膚接觸更好，也為提供可靠數據助力。

校準則為數據的精準度“保駕護航”。所謂校準，是指不同的傳感器之間“互幫互助”，提供不同的信息，以保證最后顯示在手機屏幕的數據符合實際情況。溫度傳感器在校準中扮演著重要的角色，比如同樣100微摩爾的葡萄糖，隨著體表溫度的上升，葡萄糖傳感器的電流大小會改變。沒有相應的體表溫度，便無法根據電流大小換算出實際的葡萄糖含量。

“你的體表溫度是可以變很大的，是吧?如果你在熱帶還是在北極，這肯定是不一樣的。”高偉說，除了校準，溫度傳感器還可用于某些皮膚病表征的檢測。

盡管體型不太，汗液傳感器采集數據海量而迅速。高偉告訴澎湃新聞，每秒鐘每個傳感器會產生1000個數據，5個傳感器協同工作的汗液傳感器也就是5000個數據，但在實際的手機屏幕顯示中，是按照每秒一次的數據更新速度。

值得一提的是，微控制器產生的每個數據都為固定單位時間內所有值的平均，比如1.1秒時產生的數據是0.1秒到1.1秒之間1000個數據的平均值。除了平均值法，高偉還對電流進行低峰濾波的處理，只取直流電部分，排除人體自身噪音(交流電)的干擾。這么做的目的，高偉說，是讓最終呈現在用戶面前的數據曲線更加平滑，也更加準確，減少環境噪音對數據的波動。

今年1月，以高偉為第一作者、關于這款全柔性汗液傳感器的論文在國際期刊《自然》發表，是領域內的先行者。之后，不少公司和風投找來談合作，但是高偉和導師Ali Javey選擇先做優化，再談商業化的問題。“我們希望先進一步地完善設備，讓它能夠在各種條件下提供更可靠的讀數，另一方面我們在做大量的人體試驗，希望我們的傳感器能夠有更多真正有用的用途 。”

本文轉自d1net（轉載）

總結

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