未來的可穿戴設備可能就是你的「紋身」

　　盡管存在爭議，如今紋身確實逐漸成了一種時尚，甚至是一種藝術。但如果告訴你，你的紋身未來除了好看之外，還能監測血糖、心臟、腎臟等多項身體數據，你相信嗎？

　　或許你和我一樣，會聯想到想到「女版喬布斯」伊麗莎白·霍姆斯那個靠指尖采血就能完成 300 多項血液檢測項目的硅谷驚天騙局。

　　但紋身形態的健康監測設備已經不再是一個科幻的概念，而是一個可以實現的事情。用電子皮膚取代現有的可穿戴設備，甚至是智能手機，也是很多科學家正在努力的方向，并且已經有了一些令人興奮的突破。

　　從紋身顏色變化監測健康，是怎么做到的？

　　最近德國科學家開發出一種特殊的「紋身墨水」，能夠隨著人體內的葡萄糖、白蛋白和 PH 值的變化而改變顏色，而這些顏色的變化可以讓患者和醫生實時監測糖尿病和腎臟疾病等慢性疾病的情況。

　　這項研究由德國慕尼黑工業大學的化學工程師 Ali Yetisen 主導，根據其在權威期刊《應用化學》（Angewandte Chemie）上發表的論文，這種墨水刺入皮膚的方式和一般紋身墨水十分相似，但配方成分卻有很大不同。

　　研究人員表示這是一種將紋身藝術和生物比色傳感器結合的技術。一般的紋身是將墨水直接注入真皮層，讓色素永久附著在皮膚。而科學家是將三種配方不同的的比色傳感器注入皮膚，這部分皮膚會在 PH 值等生物指標改變時改變顏色。

　　每一種傳感器負責監測一個生物指標，由于配方不同，顏色的改變也有所不同。

　　當身體的 PH 值由酸性變為堿性時，紋身會由黃色變成藍色。監測白蛋白的的傳感器本身是一種黃色染料，一旦和白蛋白結合就會變綠。而血糖升高紋身就從從黃色變為深綠色。

　　為什么要選取這三個指標進行監測？研究人員表示這是因為這是人體中很多問題往往都會通過這幾個指標反饋出來。高血糖會導致糖尿病，而白蛋白水平下降則可能意味著肝腎功能衰竭，酸堿度過高也會引發酸中毒和堿中毒。

　　為了方便患者和醫生第一時間讀懂這些紋身顏色變化的含義，研究人員專門開發了一個 app。只要用手機拍下紋身，app 就能分析對應的健康指標情況。

　　目前研究人員已經將「變色紋身」在豬皮上測試成功，不過還沒在人體測試。研究人員下一步計劃是測試活體動物的效果，看看是否會引起一些不良反應。

　　比起現有的健康監測方式，這種技術的優勢在于可以將傳感器直接放入身體的特定位置，實時記錄代謝物質的變化，不受空間和時間的限制。

　　Ali Yetisen 認為這種「變色紋身」能以一種簡單、低成本的技術對患者進行永久監測，隨著比色生物傳感器的發展，監測的指標未來還可以擴展到記錄電解質、病原體濃度，或病人的脫水程度等。

圖片來自：MIT Media Lab

　　其實早在兩年前，麻省理工學院就曾發表過「變色紋身」研究，同樣是用三種納米級的生物傳感器代替紋身墨水注入皮下，能監測 PH 值。血糖濃度和鈉濃度，還發布了將「變色紋身」紋在手上的視頻，但這只是個概念視頻。

　　盡管這種技術還需要經過更多的測試才有望真正進入市場，但這幾年基于生物傳感器的紋身式電子皮膚，已經取得了不少突破，甚至有望實現大規模量產。

　　電子紋身的發展，可能比你想象的要快

　　除了「變色紋身」，還有更多采用類皮膚柔性傳感器的電子紋身（Electronic Tattoo）。這些電子紋身的吸引力不止是可以不間斷監測，還有不需要扎針，實現無創監測。

　　2017 年清華大學團隊在《科學進展》（Science Advances）期刊上發表的一項研究，展示了一種新的無創血糖監測方式，用一個類似紋身貼紙的設備完成血糖監測，無需扎破手指。

無創血糖測量方法示意圖和實驗圖

　　它通過反離子電滲透技術，對皮膚表面施加微小的電場，利用產生的離子流讓皮下組織液的血糖定向滲透到皮膚表面，最后通過 3.8 微米厚的超薄柔性生物傳感器件進行高精度測量。

　　這項技術的突破在于，將復雜的監測系統集成都一個只有 3.8 微米厚的類皮膚柔性生物傳感器上，這涉及力學、材料、化學、生物化學、電子等多個學科的交叉應用。

類皮膚生物傳感器及結構示意圖.

　　而且跟只在豬皮上測試的「變色紋身」不一樣，這種無創血糖測量設備已經在人體上進行過臨床實驗，和使用血糖儀或靜脈血測量的結果相關性超過 90％，同時也沒出現任何不良反應，已經達到了醫療級監測和診斷的標準。

　　此外石墨烯材料的電子皮膚也是一個備受關注的方向，去年清華大學的另一個科研團隊實現了可定制的石墨烯電子紋身，可以像紋身貼紙一樣貼覆在皮膚，監測呼吸、心率、發聲等人體信號。

　　在實用性之外，為了讓石墨烯紋身看起來更美觀，研究人員使用了一種新工藝讓紋身更薄，同時可通過激光直寫技術對圖案進行個性化定制，這顯然已經考慮到了電子皮膚的實際應用場景。

　　無獨有偶，在 2017 年的舊金山國際電子元件會議（IEDM）上，也展出了號稱「世界上最薄電子皮膚」的石墨烯紋身，通過一種新型傳感器用于測量來自心臟、肌肉和大腦的電信號，以及皮膚的溫度和濕度。

　　這種傳感器由德克薩斯大學奧斯汀分校的研究人員開發，他們希望這種超薄傳感器可以用于美妝市場，甚至代替現有的醫療檢測設備，

　　為什么這么多科學家會考慮石墨烯材料做電子紋身？

　　因為這種紋身式的電子皮膚，要求生物傳感器有比較好的柔韌性、可伸縮性和高靈敏度，以及佩戴的舒適性，而石墨烯的柔韌性能與皮膚高度貼合，這也大大增加了測量的精度。

　　比如德克薩斯大學的石墨烯紋身傳感器中的石墨烯電極厚度僅有 0.3 納米，可以更好讀取下皮組織中電活動變化引起的變化，而一般的醫療監測設備體積較大的電極在皮膚拉伸和收縮過程中容易出現空隙從而降低信號精度。

　　目前為止我們已經看到了很多電子紋身的 Demo，但市場還沒有正式推出的產品，這難免讓人懷疑是否又是一個實驗室里的概念產品。

　　正如前面所提到的，既要超薄以貼合皮膚，又要在這么小的空間里塞入可采集各種生物信號的集成電路，這對電子元件提出了非常高的要求。

圖片來自：LA Cicero

　　值得注意的是，斯坦福大學的鮑哲南團隊去年在《自然》（Nature）雜志上發表了一項新的技術，能讓元件在被拉伸兩倍的情況下不損失導電能力和靈敏度，這讓大規模生產這種新型柔性、可伸縮電子元件成為可能。正如鮑哲南所說：

這證明用電子皮膚一樣的電子材料來做電子器件，是一個可以實現的事情，而不再是一個科幻的夢想。

　　這意味著，電子皮膚的商業化應用或許不遠了。

　　未來的可穿戴設備可能會像「皮膚」一樣

　　在更多人熟知的消費電子領域，已經在很多折疊屏手機上見到過柔性屏幕。事實上，柔性電子領域的發展對于消費電子設備產生的重大變革，很可能會通過電子皮膚，而非折疊屏手機體現。

　　上文提到的鮑哲南教授就是柔性電子領域的大神級人物，她也是斯坦福大學可穿戴電子中心創始人和主任，鮑哲南認為電子皮膚是未來電子工業發展的一個不可避免的趨勢。

我覺得電子皮膚是電子工業的變革性的方向，基本的理念就是把傳感和信號處理，和信號傳輸結合在一起，但是這些電子器件并不是像現在已有的比如說可穿戴的手表，而是說就像皮膚一樣，可以貼在我們的皮膚表面或者種植在皮膚下面，或者在身體里面，這樣的話整個這些傳感系統就會像我們人的皮膚一樣。

　　正如我們現在看到的電子皮膚，這種技術最早可以實現的應用會在健康監測領域。但這不意味著電子皮膚只是現有智能手環、智能手表等可穿戴設備更輕薄的替代品。

MIT 實驗室與微軟研究院合作研發的電子紋身 DuoSkin.

　　鮑哲南提出了一個有意思的觀點，當可穿戴設備變得像人體的「皮膚」一樣，我們或許不用再帶著各種智能設備出門，而電子皮膚與周邊環境的互動甚至能創造一種新的交互形式。

　　智能手機是現在，但將來會是由人造電子皮膚實現的 BodyNet 人體網絡。

　　目前電子皮膚的技術也正在朝著這個方向發展，德克薩斯大學的研究人員就打算為石墨烯紋身添加信號傳輸系統，以實現設備和手機或計算機之間的數據傳輸。

　　而鮑哲南的研究團隊的電子皮膚，已經可以像真正的皮膚一樣處理和傳導感覺信號數據，和人類的神經系統有效的結合起來，將感覺傳導給神經系統。

　　這樣的技術能讓義肢獲得更真實的觸覺，隨著集成的功能越來越多，普通人也能通過電子皮膚實現人體感知能力的進一步補充和延伸，每一個人可能都是「生物黑客」。

　　這便是凱文·凱利在《失控》描述的未來，機器正在生物化，而生物正在工程化。但這并不意味著未來的世界一定會是堅硬冰冷的賽博朋克世界。相反，這些技術所引導的未來，或許會誕生一種的新生物文明。