用完就可扔掉的电子皮肤传感器

2019年10月27日 00:16

生活在一个“大数据”时代,我们自身任何的行为都可以转化为数据,并存储到云端。全球77亿人口,每日的衣食住行中的每一个步骤都会产生数据,全人类的数据量该有多么庞大。

用完就可扔掉的电子皮肤传感器,远动员与糖尿病患者的福音

如果你问这些大数据有什么用呢?当数据量大到一定程度就会体现其价值,如同孤零零的一只蚂蚁几乎干不了什么,但由成千上万只蚂蚁构成的蚁群,却能有条不紊地建造庞大的地下洞穴,而且构建等级分明、分工明确的蚂蚁社会。有点像产生了“智能”的感觉,没错,我们的大脑产生“智能”的解释之一就是神经元的数量达到一定程度,“量变产生质变”,就表现出了“智能”。

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大数据也是类似的道理,当采集的数据足够多,人工智能系统也能训练得更好。数据集越大越完善,搜索引擎、自动驾驶系统、自媒体文章的分发系统、街道摄像头监控网络、城市信用网络等智能系统也就能运行得更好,为我们提供更高质量的服务。

可以预见,专门为采集各类数据而生的传感器会得到迅猛发展,以便为人工智能系统提供覆盖面更广的数据。今天就来说一下医疗方面的传感器——柔性皮肤传感器,它并不是真的人工皮肤,这类传感器很柔软,生物相容性好,可以方便地贴在人的皮肤上,就如同人工皮肤一样,从而近距离地采集心率、温度、PH、离子浓度等人体信号。

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其中的一种专门用于采集、分析汗液中的数据,称为汗液传感器。汗液分析可以无创地去检测一系列生物分子,小到电解质、皮肤代谢物和激素,大到蛋白质分子。汗液传感已经被用于医疗上诊断囊性纤维化和自主性神经病变等疾病,还用于评估耐力型运动员的体液与电解质代谢情况。

通常传统的汗液传感器是在不同时间完成身体汗液的收集并进行分析,这意味着不能实时监测汗液成分的变化,例如监测糖尿病患者在身体活动期间的血糖水平。而可穿戴的柔性皮肤传感器解决了这一问题,它平时可以贴在患者皮肤上(传感器很轻巧不会使患者感到异样),可以方便地完成实时原位汗液的测量。不过,之前这类传感器一直没能解决传感器组件(包括微流体芯片与传感电极)大批量生产的问题,性能重现性也不佳。

加州大学伯克利分校的研究团队已经开发出一套方案,改善了这一工艺问题。

卷对卷和激光烧蚀工艺,促进传感器大规模生产

该团队采取卷对卷印刷(Roll to Roll,简称R2R)和激光烧蚀技术,实现快速制造具有良好再现性的汗液传感组件。

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R2R技术可以高产量、低成本地制造柔性电子零件,而激光烧蚀技术可以在小尺度下对薄膜材料进行快速图案化,也可以在柔性基板中雕刻出微流体通道。将R2R的丝网印刷技术与激光蚀刻相结合,该团队就可以高效生产出可穿戴传感器贴片。

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研究人员首先将导电油墨和绝缘油墨印刷到塑料基板上,确定传感电极的位置并完成绝缘保护。然后用激光切割第二层塑料基板,制备螺旋微流体通道。与之合拢的塑料层上也有类似的图案,以便形成闭合通道。还要为汗液流入和流入雕刻出入口和出口。每层有一面涂有粘合剂,最终将它们堆叠在一起,制成完整的传感器装置。

多功能的贴纸

汗液传感器长得就像一张有精细图案的塑料片,可以贴在身体任何地方检测汗液。

传感器中有一个液槽,那里是汗液的入口。液槽中的电极可以检测汗液中含有的钠离子、钾离子、葡萄糖等分析物的含量。汗液沿微流体管道流入,一路上还会遇上其他电极,它们将完成汗液速率的测量。

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当测试完成,不必心疼,将廉价的贴片传感器撕下来丢弃即可。

增强功能电极

为了使传感器实现高性能的电化学测量功能,研究人员在电极上增加了钠离子、钾离子、葡萄糖的传感单元,并且用标准溶液校正每一种传感单元,模拟分析物的生理汗液浓度范围。

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在摩尔浓度为15-120 mM的氯化钠溶液中测试钠离子,测试期间此传感器读数稳定,灵敏度可达56.2 mV/decade,类似于传统半导体光刻工艺制造的传感器的性能,也接近所谓的“能斯特理想情况”。

对于另外的两项,钾离子传感器在5-40 mM氯化钾溶液中的灵敏度为51.3 mV/decade;葡萄糖传感器的灵敏度为1.0 nA/mM,线性响应范围超过了测试范围(50-200 mM)。

对传感器进行考核

研究人员将他们的传感器贴在志愿者身体的不同部位,让他们在健身单车上进行运动,以测量他们的出汗率以及汗液中的钠、钾水平。测试中他们发现某些部位的出汗率可以预示运动者将何时脱水。显然这样的测试对于运动员来说是非常重要的,因为水分和电解质的代谢平衡是保证运动员充沛体力和健康的前提。

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加州大学伯克利分校的团队还使用这些传感器来比较糖尿病患者与健康人员在空腹时的汗液指数与血糖水平。他们发现传感器对单次汗液、葡萄糖的测量结果不够准确,因此不能直接判断某人是否处于糖尿病前期、中期,未能替代指纹血糖测试。不过他们也分析个体的汗液、血糖之间可能存在更复杂的相关性,可以通过综合多种因素(如年龄、体重、饮食和含水量)来判断。

总而言之,这款贴片型传感器,既便于运动员检测水分和电解质流失情况,又可用于医学诊断或检测已知的疾病,为医生提供患者汗液的信息。更重要的是,这款传感器成本低廉,容易大规模生产,可以被推广给更大规模的人群使用。而从运动员或医疗患者身上采集的汗液信息,能为临床或生理学提供重要帮助,同时有益于研究者继续探索汗液与人体健康的联系。