辛辛那提大学教授解析可穿戴传感器的进展及未开发潜力

加州大学工程系学生Adam Hauke在UC的Novel Devices Lab举办了最新一代的可穿戴式传感器发布。

当谈到生物识别传感器时，人类皮肤对它并不友好。

美国辛辛那提大学（University of Cincinnati）正在开发尖端的方法来克服这个障碍，而不会影响皮肤及其防止感染和脱水的能力。通过做出更好的无创检测，研究人员可以在医学和健身行业中开拓巨大的机遇。

 

加州大学工程与应用科学学院助理副总裁Jason Heikenfeld说：“你认为皮肤是传感器的机会，因为你可以通过光学、化学、电学和机械方法测量它们。实际上，这是相反的——身体已经发展到保存所有这些化学分析物，所以皮肤实际上不是很善于放弃。

 

Heikenfeld本月与他的伙伴在纳米技术杂志《实验室芯片》上合作撰写了一篇关于传感器研究的批判性评论，概述了迄今为止的科学成就和未来的挑战。

 

“我们希望将所有当前的进展和未来的方向及需求整合到一篇文章中，”合作者兼统一通信工程学生Andrew Jajack说。Jajack设计了杂志封面上的图像和图形，描绘了传感器可以在轨道运动员中读取生物特征的四种方式。

 

UC工程学生Andrew Jajack演示了可穿戴式生物传感器的工作原理。 UC开发的传感器即使在凉爽和休息的情况下也可以刺激小面积的皮肤出汗。

---

这篇由国际生物传感器领导人共同撰写的文章，讨论了Fitbit等可穿戴设备的日益普及，并探讨了当前技术的局限性。

 

皮肤可以提供误导性的数据生物传感器，因为它包含细菌，倾向于从干汗中收集盐和其他矿物质。一个有效的传感器必须像人体皮肤一样弯曲和伸展，即使受检者移动时它仍然粘附在表面上。追踪心跳的电气传感器必须考虑来自身体或环境的噪音，例如来自电力线路或附近的电子设备。

 

Heikenfeld说，大多数可穿戴设备中的生物传感器都使用了多年的技术。

 

他说：“最新的趋势并没有被技术突破所驱动。当你想到Fitbit时，这些功能已经存在了很长一段时间，其驱动因素是智能手机的普及和电子产品的小型化以及对健康意识的日益增长的需求。”

 

UC与生物传感器有着悠久的历史。已故的利兰克拉克被称为“生物传感器之父”，在加州大学医学院和辛辛那提儿童医院研究基金会进行了研究。在他的许多壮举中，他开发了糖尿病患者今天仍在使用的现代血糖监测仪和首个用来测量患者血氧水平的传感器。

 

Heikenfeld说：“在这里，传感器是一个大问题。”

 

加州大学对传感器的研究仍然是工业发展的一个渠道。Heikenfeld是的联合创始人兼首席科学官，那是辛辛那提大学下的一家公司，专门从事汗水生物传感器。

 

Eccrine系统公司本月宣布，它与美国空军签署了一项750,000美元的合同，用于实时研究人类汗水中的生物标志物。这标志着与军方的初步研究合同的第二阶段。

 

他说：“除非你愿意比竞争对手研究得更深入，否则你无法创新。”

Jajack表示，Eccrine系统公司正在研究新的方法来持续跟踪生物识别信息。

 

他说：“我们很多诊断疾病的方法都是基于单时刻标记，但可穿戴式传感器的前景是实时健康监测。因此，你可以看到一个更复杂的图像，这将带来更多的疾病诊断技术。”

 

位于工程与应用科学学院的加州大学新设备实验室的学生正在研究创新的方法来收集人类汗水中的信息。这些设备只有创可贴一样的大小，像皮肤一样，可以穿在皮肤上。

 

学生Adam Hauke和Phillip Simmers正在研究UC的下一代刺激感应传感器。这些设备即使在对象休息和舒适的情况下，也会在一小块皮肤上产生汗水，并将其吸收到测量葡萄糖等物质的传感器上。生物传感器将最微量的汗液收集并集中到传感器可以读取的样本中。

 

Hauke说：“我们将在这个区域刺激出汗，然后开始吸收皮肤上的汗水，将它从毛孔中拉出，并在这些电极上移动。那是我们做传感的地方。”

 

他说，在其他功能中，该设备测量皮肤电流反应，表明有多少人出汗。

 

他说：“你越汗，你的皮肤越湿润，电阻就越低。

 

化学和微纳米系统协会去年认可了Hauke和Simmers的青年研究者奖，他们在连续的汗液采样和感测方面进行了合作研究。

 

在新设备实验室的另一部分，工程系学生Laura Stegner与一台铣床一起工作，以定制流量传感器。而她的同学Amy Drexelius在设备的一部分工作，可以分离和浓缩他们想测试的汗液或血液中的分析物。

 

她说：“我们想要集中样品，所以你可以把它放在传感器的前端，它能为你做很多以前很难在化学实验室完成的工作。

 

UC工程系学生Andrew Jajack在新设备实验室举办了一个制造生物传感器的模具。 

---

Jajack说，这种技术可能适用于科学家想要测量的其他微量化学物质。

 

Jajack说：“如今的一大问题是我们饮用水中的药物量，因为他们稀释之后很难被衡量。”

Heikenfeld说，他的实验室的成功源于其才华横溢的学生，他们将不同的兴趣和经验应用于他们的实验室工作。 开发新的传感器和应用程序需要解决许多学科的问题。

 

加州大学担任UC生物传感器和化学传感器中心的主任的化学系教授William Connick表示，将传感器应用从实验台移动到商店货架仍然是一个巨大的挑战。

 

Connick说：“像Heikenfeld博士这样的团队在开发技术方面取得了令人瞩目的进展，这些技术能够从极少量的流体如汗水中提供极低水平的生物标记信息。”

 

他说：“从实验室到实际设备的过程是一个挑战，当你处理真实的样品时，每个人的情况都不同。制造出足够强大、能在各种条件下准确表现的东西是具有挑战性的。”

 

Connick表示，随着UC等实验室开发更好的信息收集方式，对生物传感器的需求也将不断增长。他说，随着时间的推移，家庭测试和药物持续监测可能会导致更好的健康结果。 “现在，市场是开放的，潜力是巨大的。目前，只是为了节约成本，不得不将样品送到实验室，提供快速筛查而不需要抽血。”

 

Heikenfeld的期刊文章指出，未来的生物传感器将衡量一个人生理的多个方面。新的可穿戴式传感器将需要一次性和可重复使用的部件的组合，以解决日常生活中的磨损问题。

 

现在，UC的Novel Devices实验室正在开发一种新的无创技术，使汗腺更具透气性，因此传感器可以记录更详细的数据。Heikenfeld和Jajack并未准备好研究它是如何运作的，但他们对这种可能性感到非常兴奋。

 

“有很多伟大的事情将会出现。”

内容 / Michael Miller, University of Cincinnati

Ringier编译

转载请注明出处