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新的可穿戴传感器可以从汗水中揭示什么

通过加州大学伯克利分校|2016年2月1日

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加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的工程师们说他们要让你流汗,这都是以科学的名义。

具体来说,它是一个柔性传感器系统,可以测量汗液中的代谢物和电解质,根据皮肤温度校准数据,并将结果实时同步到智能手机上。

在过去的十年中,健康监测仪已经在消费电子领域迅速发展,研究人员说这种设备,在1月28日的杂志上报道自然,是第一个完全集成的电子系统,可以提供连续,无创监测多种生物化学物质的汗水。

这一进展为可穿戴设备打开了大门,这些设备可以提醒用户注意疲劳、脱水和危险的高温等健康问题。

加州大学伯克利分校电子工程和计算机科学教授、该研究的首席研究员阿里·贾维说:“人体汗液包含丰富的生理信息,因此对于非侵入式可穿戴传感器来说,它是一种很有吸引力的体液。”“然而,出汗是复杂的,有必要测量多个目标,以提取有关你的健康状况的有意义的信息。在这方面,我们开发了一个完全集成的系统,可以同时和选择性地测量多种汗水分析物,并将处理后的数据无线传输到智能手机。我们的工作为基于汗液的健康监测提供了一个技术平台。”

哈维与该研究的共同作者Wei Gao和Sam Emaminejad一起工作,两人都是他实验室的博士后研究员。Emaminejad还在斯坦福大学医学院(Stanford School of Medicine)担任联合职务,这三家机构都隶属于伯克利传感器和驱动器中心(Berkeley Sensor and Actuator Center)和劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory)的材料科学部门。

通过化学物质来判断一个人的身体状况

为了帮助设计出汗传感器系统,哈维和他的团队咨询了运动生理学家乔治·布鲁克斯,他是加州大学伯克利分校的综合生物学教授。布鲁克斯说,当哈维和他的团队第一次向他询问传感器时,他印象深刻。

布鲁克斯是这项研究的合著者,他说:“拥有一个可穿戴式汗液传感器真是令人难以置信,因为Javey设备测量的代谢物和电解质对个人的健康和幸福至关重要。”“在研究运动对人体生理的影响时,我们通常会采集血液样本。有了这种非侵入性技术,也许有一天我们就可以知道生理上发生了什么,而不需要用针头或在你身上安装一次性小杯子。”

Javey和他的研究小组开发的原型将五个传感器封装在一个柔性电路板上。传感器测量代谢物葡萄糖和乳酸,电解质钠和钾,以及皮肤温度。

高说:“这个集成系统允许我们使用测量到的皮肤温度来实时校准和调整其他传感器的读数。”“这很重要,因为葡萄糖和乳酸传感器的反应会受到温度的很大影响。”

开发智能腕带和发带

与传感器阵列相邻的是带有现成硅元件的无线印刷电路板。研究人员使用了10多个集成电路芯片,负责从传感器采集测量数据,放大信号,根据温度变化进行调整,并无线传输数据。研究人员开发了一款应用程序,将传感器的数据同步到手机上,并将该设备安装在“智能”腕带和发带上。

他们让该设备和数十名志愿者进行各种室内和室外锻炼。研究对象在固定的自行车上骑行或在户外的轨道和小径上跑步,时间从几分钟到一个多小时不等。

“通过将所有电路功能集成到一个芯片中,我们可以很容易地缩小这个设备,”Emaminejad说。“我们的目标生物化学物质的数量也可以增加,这样我们就可以一次性测量很多东西。这使得大规模的临床研究成为可能,这将帮助我们更好地了解运动员的表现和对运动的生理反应。”

Javey指出,长期目标是将这种设备用于医学应用的人群水平研究。

布鲁克斯还指出,该设备不仅可以用来测量汗水,还可以用来测量其他东西。

布鲁克斯说:“虽然哈维教授的可穿戴、非侵入性技术在流汗的运动员身上效果很好,但该技术在测量健康人日常生活中重要的代谢物和电解质水平方面可能还会有许多其他应用。”“它还可以用来监测那些生病和受伤的人的其他体液。”

伯克利传感器和致动器中心和美国国立卫生研究院帮助支持了这项工作。


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