可穿戴生物傳感器能夠附在皮膚表面，實(shí)時(shí)監測佩戴者的健康狀況和周?chē)h(huán)境。傳感器芯片配有數據讀出和信號調理電路，以及無(wú)線(xiàn)通信模塊，用于向計算機設備傳輸數據。

       動(dòng)脈網(wǎng)編譯了相關(guān)研究報告，該報告重點(diǎn)介紹了可穿戴傳感器的最新進(jìn)展，包括先進(jìn)的納米材料、制造工藝、基板、傳感器類(lèi)型、傳感機理、讀出電路和無(wú)線(xiàn)數據傳輸等，以及可穿戴技術(shù)的未來(lái)應用和可能會(huì )面臨的挑戰。

       在本文中，傳感器分為生物流體傳感器（可直接與人體接觸）和生理傳感器（需要集成在可穿戴設備或基板上），用于監測身體各項指標以及外部刺激。可穿戴傳感器主要用于識別人體表皮組織液中的各種生物標志物，如葡萄糖、乳酸、酸堿度、膽固醇等，還可用于監測脈率、呼吸、丙酮、乙醇、水分、溫度、運動(dòng)/活動(dòng)、壓力/應變、氣體等。

       可穿戴電子產(chǎn)品的升級：3D打印、納米材料、柔性基板

       通過(guò)設計經(jīng)濟高效的制造流程，以及選擇合適的非平面基板，來(lái)開(kāi)發(fā)傳感器和電子設備，會(huì )讓其應用領(lǐng)域更加多元化。與體相材料相比，各種納米材料的靈敏度和加工性能都有了提高，這在很大程度上促進(jìn)了傳感器的開(kāi)發(fā)和使用。

       近年來(lái)，可穿戴傳感器和電子設備開(kāi)始用于實(shí)時(shí)監測人的健康狀況。圖1顯示了近年來(lái)有關(guān)可穿戴電子產(chǎn)品應用的論文數量。

       各種各樣的化學(xué)、物理和光學(xué)傳感器可以分別嵌入或者組合集成到具有數據讀出和信號調理電路的柔性基板上。

       此外，數據可以被無(wú)線(xiàn)傳輸到附近的計算機設備中或上傳至云端，并由醫學(xué)專(zhuān)家進(jìn)行分析，他們會(huì )根據數據反映出的健康狀況給出相應指令。聚合物基板重量輕、成本低、柔韌性好，具有可彎曲性、可折疊性、可拉伸性，能夠適應不平整的表面，同時(shí)其造成的數據損失可忽略不計，由于這些特性，它非常適合用于傳感裝置和電路的制造。

       根據目前的發(fā)展情況，可穿戴電子設備的應用趨勢在于：利用生物傳感器，監測人體體液、生理活動(dòng)和直接影響人類(lèi)健康的周?chē)h(huán)境中氣態(tài)分析物。圖2是一些具有代表性的例子。

       在醫療保健領(lǐng)域，可穿戴傳感器的開(kāi)發(fā)面臨著(zhù)許多挑戰，包括需要選擇合適的基板、制造技術(shù)和具有生物相容性的材料，以及如何確保同時(shí)監測不同分析物、材料的耐洗性、讀出電路的不間斷信號等。最近，基于可穿戴基板的全有機生物相容性或混合傳感器的發(fā)展，使用于體內監測的可穿戴傳感系統成為可能。

       如果在聚合物基板上開(kāi)發(fā)可穿戴傳感器，就需要相應的制造工藝。該技術(shù)應該考慮到基板的化學(xué)特性和熱性能，并且能夠實(shí)現成本效益高的大規模制造。

       打印技術(shù)是潛力的制造方法，它可以用最少的工序，就將液相合成的功能材料沉積在所需位置。由于在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，材料得到了有效利用，以及其按需打印的特性，都使這項技術(shù)更具競爭力。與傳統的硅基板相比，各種材料沉積在不同的基板上，能覆蓋更大的區域。

       打印技術(shù)的主要優(yōu)勢在于：較低的材料成本、更少的工業(yè)廢物以及低成本的制造技術(shù)等。用于打印的墨水材料通常是溶解在合適溶劑里的納米分散劑，根據不同印刷技術(shù)的處理要求，技術(shù)人員會(huì )調整其流變特性。

       由于納米材料具有更高的比表面積，因此非常適合用于制作傳感器。在柔性基板上打印電子元件擴大了傳感系統的應用領(lǐng)域，特別是可穿戴生物傳感器，它可用于實(shí)時(shí)監測生物液體和生理活動(dòng)。

       在這一基礎上，打印可穿戴電子產(chǎn)品成了主要的發(fā)展趨勢。采用新技術(shù)將傳感器直接植入人體，或者以可穿戴設備的形式，來(lái)監測各種與人類(lèi)健康相關(guān)的生物標志物。

       可穿戴傳感器：持續監測健康狀況，改善醫療保健系統

       可穿戴傳感器和電子產(chǎn)品發(fā)展迅速，特別是在健康監測、娛樂(lè )、時(shí)尚等領(lǐng)域，引起了人們的極大關(guān)注。其中，研究的重點(diǎn)在于開(kāi)發(fā)生物傳感器，它可以很容易地集成到可穿戴設備或基板上，用于持續監測健康狀況。

       研究人員預計，可穿戴傳感器可改善醫療保健系統。特別是對于老年人和慢性病患者來(lái)說(shuō)，因為他們需要持續的監測。圖3介紹了傳感機制，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸設備將可穿戴系統連接起來(lái)，然后將連接到人體的傳感器生成的原始數據進(jìn)行處理并遠程傳輸給醫學(xué)專(zhuān)家。

       這些傳感器大多用于監測生物體液，特別是汗液，也可以選擇性地監測葡萄糖、乳酸、膽固醇和酸堿度等。汗液傳感器還可用于檢測各種生物分子和鹽濃度。對于人類(lèi)生理活動(dòng)的監測，如脈搏、水合/脫水、溫度、運動(dòng)、壓力等，也值得關(guān)注。

       通過(guò)分析呼吸狀況，也可以監測生物標志物，因為它與呼吸速率、深部體溫、酒精含量以及呼出的揮發(fā)性有機化合物有關(guān)。大多數可穿戴生物傳感器有一個(gè)單獨的檢測部件，它能夠同時(shí)監測這些不同的生物標志物，而無(wú)需醫生進(jìn)行診斷。

       利用具有生物相容性的材料和基板，可直接將傳感器=植入到人的表層皮膚，或者將傳感器整合到織入紡織纖維或作為可穿戴設備一部分的基板中。傳感和互連設備主要由液相合成的功能材料制成，這些材料在打印過(guò)程中很容易成型，這是一種非常經(jīng)濟有效的制造方法。傳感器與數據讀出和信號調理電路相連接，使數據最終能夠通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信工具傳輸給計算中心或數據分析專(zhuān)家。

       在大多數情況下，研究人員會(huì )選擇手持移動(dòng)設備，作為監控單個(gè)對象的計算工具。當需要分析多位用戶(hù)的數據時(shí)，數據會(huì )被上傳到云端，生成專(zhuān)家意見(jiàn)后再傳回給用戶(hù)。

       目前，在聚合物基板上打印傳感器的異構集成技術(shù)，引起了研究人員的關(guān)注，而現有的電子設備可以讓數據處理和通信過(guò)程更快，納米材料的最新發(fā)展使打印有相似基板的多功能傳感器成為可能。

       打印技術(shù)：制造過(guò)程更簡(jiǎn)單、經(jīng)濟、高效

       打印技術(shù)可用于在非平面基板上制造傳感器和電子設備。其中涉及使膠體或化學(xué)溶液中的功能材料沉積到特定位置。整個(gè)過(guò)程所需工序遠少于標準的微細加工技術(shù)。

       打印是一種“自底向上”的制造方法，即在生產(chǎn)過(guò)程中逐層添加材料。與傳統的微細加工技術(shù)相比，這一特點(diǎn)使打印成為一種簡(jiǎn)單且經(jīng)濟高效的方法。根據打印介質(zhì)與目標基板是否接觸，打印技術(shù)可大致分為兩類(lèi)（圖4）。

       在接觸式打印中，操作人員將已經(jīng)設計好表面結構的打印介質(zhì)進(jìn)行上墨，并與目標基板進(jìn)行物理接觸。這種技術(shù)可用于絲網(wǎng)印刷、凹版印刷、柔版印刷、移印、轉印等。

       在非接觸式打印中，打印頭會(huì )將材料以微滴或連續噴射的形式噴出。這是數字化制造的一種技術(shù)，因為液滴會(huì )根據各自的驅動(dòng)機制按需噴射出來(lái)。這種技術(shù)主要用于壓電噴墨印刷、電流體噴墨印刷、氣溶膠噴印等。非接觸式打印更具優(yōu)勢，因為它利用了計算機軟件，能快速更改設計結構，因此用途更加廣泛。

       此外，這一技術(shù)有望改善卷對卷(R2R)印刷工藝。通過(guò)安裝不同的印刷和固化/燒結系統，作為通用平臺的R2R，可用于快速、大批量生產(chǎn)電子元件。但是，對于全打印或半打印傳感設備和系統來(lái)說(shuō)，以上提到的每一項技術(shù)或工藝都至關(guān)重要。

       可穿戴傳感器的基板：選用具有生物相容性的惰性材料

       基板會(huì )影響傳感器的物理、機械和電氣特性。可彎曲性、可折疊性和可拉伸性的程度決定了基板是否能與非平面表面相結合，這是可穿戴電子系統的核心要求。厚度最小的聚合物薄板可作為理想選擇。

       聚酰亞胺、聚氨酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯萘、聚二甲基硅氧烷等，都是常見(jiàn)的聚合物基板材料。它們的化學(xué)惰性、熱絕緣性和電氣絕緣性，使這些聚合物基板成為制造傳感器和電子設備的理想材料。

       用于制造皮膚傳感器和基板的材料必須具有生物相容性，最近，相關(guān)人員正在利用聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、聚乳酸和纖維素來(lái)研制聚合物基板。此外，一些紡織材料做的非傳統型基板也開(kāi)始應用于可穿戴電子設備。

       傳感器用于生物標志物識別：葡萄糖、乳酸、酸堿度……

       可穿戴傳感器分為兩大類(lèi)：第一種是直接貼在皮膚上的傳感器，用于檢測體液（如汗液）中的生物標志物。第二種是監測生理活動(dòng)的可穿戴傳感器。圖5顯示了報告中所涵蓋的具有代表性的可穿戴傳感器類(lèi)型。每一小節都對不同傳感器的幾何結構、材料、制造技術(shù)和傳感機制作了簡(jiǎn)要介紹。

       生物液體傳感器可用于識別人體表皮組織液中的各種生物標志物，如葡萄糖、乳酸、酸堿度、膽固醇等，以及監測脈搏、溫度、呼吸速率、血液酒精濃度等生理指標，在醫學(xué)診斷和健康監測方面具有潛在的應用前景。

       在可穿戴電子產(chǎn)品中，汗液傳感器可用于檢測與人類(lèi)健康風(fēng)險相關(guān)的不同分析物的濃度。汗液是在特定情況下排出的體液，含有幾種與人體健康狀況有關(guān)的分析物，如鈉、氯化物、鉀、碳酸鹽、氨、鈣、葡萄糖、乳酸等。這些分析物在血液、唾液、淚液和汗液中的含量，可作為主要的生物識別物質(zhì)，用于評估人體健康狀況。

       汗液傳感器可以貼在皮膚上，而且一次性傳感器貼片可以進(jìn)行更換，這種操作簡(jiǎn)單的無(wú)創(chuàng )式傳感器很適合作為可穿戴產(chǎn)品。現有的大多數可穿戴傳感器都用特定的酶進(jìn)行了功能化處理，以提高對特定分析物的選擇性和敏感性。在可穿戴領(lǐng)域，各種生物液體傳感器的應用廣泛，其中最主要的包括葡萄糖傳感器、酸堿度傳感器、乳酸傳感器、膽固醇傳感器等。生理活動(dòng)傳感器則分別用來(lái)監測脈率、呼吸、丙酮、乙醇、水分、溫度、運動(dòng)/活動(dòng)、壓力/應變、氣體等。

       前景展望：應用廣泛，但仍面臨多方挑戰

       目前，可穿戴傳感器領(lǐng)域發(fā)展迅速，已經(jīng)取得了顯著(zhù)成果。這種非侵入式的方法可以用來(lái)持續監測人類(lèi)的健康狀況，而且不僅僅局限于慢性病患者，此外，它在健身、娛樂(lè )、時(shí)尚等領(lǐng)域也有廣泛的應用。

       通過(guò)利用打印技術(shù)處理液相合成的納米材料，能制成各種帶有柔性基板的生物傳感器，使制造過(guò)程更具成本效益。越來(lái)越多的可穿戴傳感器用于識別皮膚分泌的體液中的生物標志物，以及持續監測生理活動(dòng)，這表明了它在生物醫學(xué)領(lǐng)域的應用前景。

       可穿戴傳感器和系統有望顛覆醫學(xué)診斷領(lǐng)域。然而，它的發(fā)展仍面臨著(zhù)多種多樣的挑戰，從制作工藝、材料、基板、信號讀出電路到選擇性、多功能性、同時(shí)監測性以及人類(lèi)對這些傳感器的適應性，這些都是未來(lái)需要解決的問(wèn)題。將高級納米材料與聚合物基板相結合，是研發(fā)適形電子設備的關(guān)鍵。

       聚合物基板的玻璃化轉變溫度較低，阻礙了密集型集成器件的開(kāi)發(fā)，這種器件擁有無(wú)機半導體材料做成的傳感薄膜。因此，液相合成法被用于傳感器的開(kāi)發(fā)，從而在轉變溫度較低的情況下，制造較大型的設備。此外，由于不同材料的集成需要不同的制造工藝，如何將不同材料集成到多層設備結構中，也是需要考慮的問(wèn)題。

       材料和基板的生物相容性對于可穿戴電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)十分重要，尤其是植入皮膚/表皮的傳感器。材料的物理、機械和化學(xué)特性需要和基板的特性匹配，以避免在熱學(xué)、電學(xué)和多層集成上出現問(wèn)題。可吸收生物材料和基板有望用于開(kāi)發(fā)植入式電子產(chǎn)品。

       可穿戴電子產(chǎn)品的實(shí)際操作也面臨一些挑戰，即需要特殊條件和傳感器的預處理，來(lái)提高靈敏度、選擇性、穩定性和檢測極限等。其中一些處理方法，例如在氣體傳感器中使用微型加熱器進(jìn)行局部加熱，或利用化學(xué)處理來(lái)恢復初始狀態(tài)，在傳感器整合到可穿戴設備上的情況下，都是沒(méi)有效果的。

       同時(shí)監測多個(gè)分析物也具有挑戰性，因為不同傳感器之間的串擾會(huì )影響其選擇性檢測。此外，在長(cháng)時(shí)間保持相同的操作水平時(shí)，增加傳感器、數據處理單元和無(wú)線(xiàn)信道的密度將需要更多的電力支持。在這種情況下，選擇持久耐用的可穿戴電池、超級電容器、高效太陽(yáng)能電池和燃料電池等，能保證整個(gè)系統順利運行。此外，還需要開(kāi)發(fā)方便高效的通信工具/信道和制定相關(guān)的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，保證傳感器節點(diǎn)和計算設備之間數據的流暢傳輸。

       研究人員還需考慮到數據安全的問(wèn)題，因為整個(gè)過(guò)程涉及穿戴者的大量個(gè)人信息。網(wǎng)絡(luò )攻擊或操作不當導致的安全漏洞，可能導致對個(gè)人健康狀況的錯誤分析，從而產(chǎn)生嚴重后果。因此，需要制定一種包容性研究策略，來(lái)應對這一跨學(xué)科領(lǐng)域的挑戰，積極的合作研究將在這些新型傳感器的商業(yè)應用中發(fā)揮重要作用。

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