科學(xué)家嘗試用可穿戴設(shè)備獲取大量數(shù)據(jù)監(jiān)測健康，表面?zhèn)鞲衅餍枰衿つw一樣靈活、可伸展。
GoranGustafsson眼睛看著行人，腦里想著汽車——那些數(shù)十年前裝配線上生產(chǎn)的老模型。Gustafsson說，今天的汽車已經(jīng)配備了高端的感應(yīng)器、計(jì)算機(jī)和交流系統(tǒng)，可以在情況依然可控時(shí)提示存在的問題，這正是現(xiàn)代汽車較少讓駕駛?cè)税l(fā)生災(zāi)難性事故的原因。
Gustafsson的團(tuán)隊(duì)和瑞典林雪平大學(xué)的研究人員一起合作，研發(fā)出了一些像皮膚一樣薄的可植入感應(yīng)器，還有一個(gè)體內(nèi)“局域網(wǎng)”，可以讓這些感應(yīng)器在獨(dú)立發(fā)揮作用的同時(shí)彼此相互連接在一起。其他一些團(tuán)隊(duì)正在研究從可感應(yīng)動(dòng)脈硬化(心臟病發(fā)作的信號)的皮膚補(bǔ)丁到探測癲癇發(fā)作并自動(dòng)向受影響區(qū)域直接提供藥物的感應(yīng)設(shè)備。
這些下一代設(shè)備的設(shè)計(jì)目的是和人體組織協(xié)同作用，而不是像現(xiàn)有的大多數(shù)心臟起搏器和其他電子設(shè)備那樣獨(dú)自發(fā)揮作用。但是讓這些設(shè)備融會(huì)貫通需要的技術(shù)絕不簡單，尤其是對材料學(xué)家來說，他們需要把相關(guān)電路大大縮短，制作出靈活、可伸展、不被人體組織覺察的電路，并找到與人體創(chuàng)建接口的新通道。如果實(shí)現(xiàn)Gustafsson的設(shè)想——用設(shè)備一天天監(jiān)控和治療人體，同樣還需要開辟新的能量來源和傳遞信息的新方式。
現(xiàn)在，面對大幅提高健康管理同時(shí)降低相關(guān)花費(fèi)的挑戰(zhàn)，研究人員和臨床醫(yī)生已經(jīng)躍躍欲試，美國伊利諾伊州立大學(xué)材料學(xué)家JohnRogers說。“我碰到的臨床醫(yī)生沒有人會(huì)說‘那簡直就是天上的餡餅、不切實(shí)際，不信過20年看一看結(jié)果。’”他說，“相反，他們會(huì)說‘哇，這個(gè)想法太棒了。我們現(xiàn)在可以通過3種渠道使用它，不如一起合作嘗試一把。’”
把感應(yīng)器移入體內(nèi)是手持智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備的自然延伸，Rogers說?！?a href="http://m.n4ajnzhb.com/jishu/list.php?catid=28" target="_blank">電子設(shè)備正迎面撲來。”他說，“它們距離我們已經(jīng)越來越近，我們可以自然而然地想象，它們最終和人體的相處會(huì)水乳交融。”
薄如皮膚的無線感應(yīng)器
超越可穿戴設(shè)備的第一步將是可直接用于皮膚的無線感應(yīng)器，它們可以收集大量重要信號，如體溫、脈搏、心率等。但Rogers表示，不利的是，“它們在生物學(xué)上需要具備可靈活彎曲、拉伸和膨脹的特點(diǎn)”，因此傳統(tǒng)上用硬硅膠制作的電子感應(yīng)器并非良好選擇。
他和團(tuán)隊(duì)為此研發(fā)了一種“皮膚電子”：靈活的、可生物降解的補(bǔ)丁，其內(nèi)部填塞了讓使用者幾乎感覺不到的感應(yīng)器。像很多臨時(shí)紋身那樣，這些補(bǔ)丁利用的是普通的硅電子，但卻非常薄，并利用“橡膠圖章”為里襯可以靈活運(yùn)動(dòng)。利用S形的電線和可伸展、彎曲的天線，這個(gè)補(bǔ)丁可以從附近的磁場獲取能量或是通過捕捉無線電波獲取能量。“它們利用的是波浪的幾何特點(diǎn)，當(dāng)你伸展的時(shí)候，波浪形也會(huì)像手風(fēng)琴的風(fēng)箱那樣變化?！?/span>Rogers說。
Rogers作為共同創(chuàng)始人已經(jīng)在馬薩諸塞州萊克星頓建立了一個(gè)叫作MC10的公司，明年該公司將開始推廣這種生物圖標(biāo)設(shè)備：一種可以測量心電活動(dòng)、體溫、紫外線接觸等健康數(shù)據(jù)的臨時(shí)補(bǔ)丁。Rogers表示，這種補(bǔ)丁將首先向個(gè)人消費(fèi)者發(fā)放，但其最終目標(biāo)是醫(yī)療應(yīng)用。在烏爾班納卡勒基金會(huì)的新生兒重癥病房中，醫(yī)生正在利用這些補(bǔ)丁無掃描、無創(chuàng)傷地監(jiān)測新生兒的癥狀，很快相關(guān)測試結(jié)果將會(huì)出現(xiàn)。MC10還在和比利時(shí)布魯塞爾一家名叫UCB的制藥公司合作，測試一種可監(jiān)測帕金森氏癥患者震顫癥狀，用來跟蹤疾病并監(jiān)測患者是否遵醫(yī)囑接受治療的補(bǔ)丁。
Rogers的補(bǔ)丁相對較小，但是日本東京大學(xué)工程師、材料學(xué)家染矢高雄已經(jīng)研制出一種面積相對更大的電子皮膚傳感器。其最新的傳感器厚度僅有1微米，其質(zhì)量輕到可以像一片羽毛那樣漂浮在空氣中，而且這種材料足夠牢固，可以用于肘關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的靈活伸展活動(dòng)。這種感應(yīng)器可以讀取溫度、濕度、脈搏、血液含氧量等。
盡管皮膚電子可以獲得很多信息，但是仍然需要深入身體內(nèi)部獲取更多信息。“醫(yī)生抽血是有原因的。”麻省理工學(xué)院化學(xué)工程師MichaelStrano說，“血液中含有的標(biāo)記可以精確地預(yù)測疾病?！?/span>
移動(dòng)靶標(biāo)
但是讓電路進(jìn)入人體深層面臨許多新挑戰(zhàn)。Strano表示，皮膚下的理想感應(yīng)器不僅應(yīng)該是無毒性的，而且還可以根據(jù)需要在體內(nèi)穩(wěn)定使用數(shù)年，同時(shí)兼具可降解性等特點(diǎn)，這意味著它們不能夠引發(fā)身體免疫系統(tǒng)的排斥。然而，當(dāng)前大多數(shù)設(shè)備均存在這樣或那樣的缺點(diǎn)。
盡管如此，一些研究人員的目標(biāo)仍然是挑戰(zhàn)皮膚下的深層組織，對于他們來說，靈活性和可降解性變得尤其重要。如果一個(gè)感應(yīng)器和心臟或大腦等活動(dòng)器官存在摩擦，當(dāng)活體呼吸時(shí)細(xì)胞就會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移，身體就會(huì)迅速用瘢痕組織形成一道防火墻圍繞該組織。讓感應(yīng)器隨著器官的律動(dòng)活動(dòng)，這種情況簡直不能實(shí)現(xiàn)。
法國圣埃蒂安國立高等礦業(yè)學(xué)校生物電子工程師GeorgeMalliaras和同事正在研發(fā)靈活的感應(yīng)器，以代替僵硬的感應(yīng)器，并在體內(nèi)跟蹤典型病患者或帕金森氏癥患者大腦獨(dú)特的電子模式。這種采用有機(jī)、可導(dǎo)電聚合物制作的靈活感應(yīng)器可以對化學(xué)信號——產(chǎn)生電子信號的流動(dòng)離子——產(chǎn)生感應(yīng)。他表示，這不僅會(huì)增加敏感性，而且還會(huì)讓研究人員“以一種完全不同的方式進(jìn)行生物學(xué)研究”。
Malliaras說，該團(tuán)隊(duì)的最新成果已經(jīng)通過大鼠實(shí)驗(yàn)，并在兩名癲癇癥患者外科手術(shù)中進(jìn)行了臨床試驗(yàn)，進(jìn)而檢測到了個(gè)體神經(jīng)元放電。他補(bǔ)充說，如果這一過程被逆轉(zhuǎn)，那么該感應(yīng)器將可以應(yīng)用于提供藥物。這種被稱為有機(jī)電子離子泵的設(shè)備可以通過強(qiáng)制給藥對施加的電壓(小的帶電粒子)產(chǎn)生反應(yīng)，Malliaras的團(tuán)隊(duì)正在和林雪平大學(xué)以及法國國家健康與醫(yī)學(xué)研究院合作，把他的癲癇感應(yīng)器和一個(gè)可以對癲癇發(fā)作產(chǎn)生感應(yīng)的離子泵連接在一起，把抗癲癇藥物釋放到正確的腦區(qū)。Berggren和林雪平大學(xué)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)利用類似技術(shù)研發(fā)了一種“疼痛感應(yīng)器”，可以直接把止痛藥物傳輸?shù)郊顾枭窠?jīng)。
繼續(xù)推動(dòng)
任何電子設(shè)備都會(huì)受到電源的限制。貼在皮膚上或是靠近皮膚的感應(yīng)器可以直接接入無線獲取能量的天線——只要附近有可獲得的外部能量。但是植入體內(nèi)的感應(yīng)器經(jīng)常需要依賴電池，它們不僅會(huì)讓植入設(shè)備變得笨重，而且還需要置換。而有一些設(shè)備，例如Berggren的疼痛緩解泵，則需要把電線放置在皮膚上，這樣不僅會(huì)非常累贅，而且可能形成潛在的感染路徑。
為了克服此類問題，亞特蘭大佐治亞理工學(xué)院納米學(xué)家王中林在過去10年曾試圖捕捉人在行走甚至呼吸時(shí)產(chǎn)生的微弱機(jī)械能量?！拔覀冮_始思考，怎樣才能把身體動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能呢?”他說。
他的最新設(shè)計(jì)是用一直以來被認(rèn)為很惱人的靜電，把呼吸產(chǎn)生的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能，用來驅(qū)動(dòng)相關(guān)的起搏器和感應(yīng)器。這個(gè)“發(fā)電機(jī)”利用夾在電極和連接電路之間的兩個(gè)不同聚合物表面。當(dāng)使用者呼吸時(shí)，兩個(gè)表面會(huì)發(fā)生接觸然后分開，從而交換電子——就像一個(gè)氣球和一塊羊毛布料摩擦?xí)r那樣。“吸氣、呼氣，前后移動(dòng)或是上下移動(dòng)，然后就會(huì)產(chǎn)生能量?！蓖踔辛终f。
盡管這一技術(shù)是革命性的變革，但是通過體內(nèi)電路把健康數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠坑?jì)算機(jī)或是醫(yī)學(xué)中心仍然面臨潛在的威脅，而且這個(gè)威脅已經(jīng)對可穿戴設(shè)備行業(yè)帶來困擾：那就是隱私泄露。“當(dāng)一個(gè)半導(dǎo)體芯片被植入人體之后，‘黑客’竊密就是一個(gè)真正嚴(yán)肅的問題了?！比臼父咝壅f。
而且不管這項(xiàng)技術(shù)有多好，專家表示，新材料行業(yè)同時(shí)還面臨著新一輪醫(yī)學(xué)法規(guī)的爭議。很多化學(xué)廠商擔(dān)心，如果設(shè)備失敗會(huì)給它們帶來一系列的官司，“所以還要給新材料使用踩剎車”，他說。
Berggren知道前路漫長且障礙重重?！艾F(xiàn)有的挑戰(zhàn)是把所有的東西整合在一起?！彼f，“如今汽車行業(yè)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)，而且成效顯著。你很少看到有汽車會(huì)在半路拋錨后等待修理，是否值得在人類中嘗試這項(xiàng)技術(shù)仍然是個(gè)疑問，但它絕對值得一試?！?/span>
