伯克利高伟专访：可穿戴健康传感器件！

近日，加州大学伯克利分校的Ali Javey和Wei Gao, Sam Emaminejad等人在Nature杂志报道了一种基于塑料材质和硅集成电路的全集成柔性可穿戴汗液传感器。这种传感器不需要依靠外部分析检测设备，可直接检测皮肤温度和汗液中的皮肤代谢物和电解质，实现一次性原位检测汗液中的多种复杂成分。（Wei Gao, Sam Emaminejad, Ali Javey et al. Fully integrated wearable sensor arrays for multiplexed in situ perspiration analysis. Nature. 2016, 509. DOI:10.1038/nature16521）

最近，纳米人工作室对这项工作的第一作者，加州大学伯克利分校的高伟博士，进行了专门访问，以下是访谈实录：

 

1. 高博士，您好！我们知道可穿戴器件目前越来越多地得到研究和关注，每年都有许多可穿戴器件的成果被报道。您觉得这项Nature工作主要特色在哪里，可在哪些领域得到应用？

 

高伟：  在过去的数年里，来自不同科研组的科学家们在基于汗液的无创健康监测上面做出了杰出的贡献。虽然有很多基于电化学的和光学的汗液传感器最近被报道，大部分的检测需要非常庞大的检测设备或者需要物理的导线连接。同时汗液的产生与组成是非常复杂的，为了能够获取更多有用的关于人体生理健康状态的信息，设计一种全集成的可穿戴的设备同时检测汗液里的各种成分非常的有吸引力。在此基础上我们提出了FISA (Flexible Integrated Sensor Array)：它可以同时而且精准的检测人们运动中的表皮温度和产生的汗液里的详细的汗液代谢物和电解质信息；检测到的温度信息还能用来校准其他传感器的读数。FISA在人们日常的生理健康监测和临床医学上都能得到广泛的应用。

 

2. 高博士，刚才您提到，这是一种“全集成的可穿戴的设备”，能不能和大家讲解一下“全集成”的整体流程和核心检测原理？

 

高伟：  FISA可以同时检测人们的各种室内室外运动中的表皮温度和产生的汗液里的详细的汗液代谢物和电解质信息。当皮肤的汗液接触到柔软的传感器之后， 传感器会产生不同的化学电信号：基于催化酶的葡萄糖和乳酸传感器的电流输出和对应的代谢物的浓度成正比；基于离子选择电极的钠离子和钾离子传感器的电压输出和对应的电解质浓度的对数成正比。皮肤温度传感器是基于电阻式的，温度越高电阻越大。 传感器的电信号经过电路放大过滤之后传输到微控制器。在微控制器处理，校准，补偿之后，数据会通过蓝牙传送到手机并保存在云端。

 

3. 可穿戴器件的一个亟待解决的问题就是续航的问题，请问FISA需要电能驱动吗，续航时间有多长？

 

高伟：  FISA的传感器本身并不需要电能驱动：葡萄糖，乳酸，钠离子和钾离子传感器都是自驱动的。整个系统的能耗（包括信号处理和无线传输）大约是50 mAh， 目前的续航时间大约是4-5小时。

 

4. 另外，FISA的尺寸大小如何，是否方便穿戴？

 

高伟：  FISA整个器件的尺寸是10 cm × 3 cm, 可以很方便的穿戴在人体的手腕，胳膊或者头部。

 

5. 现在都讲大数据，讲智能化，可穿戴器件的许多工作也都是基于人体数据来进行分析判断，请问您的团队是否关注过私人数据的隐私保护问题？

 

高伟：  整个人体实验是按照在加州大学伯克利分校人体试验委员会批准的计划案进行的。我们非常关注数据的隐私问题：在项目的开始，每个受试者都会被编码；而且我们只记录与实验必要的个人信息，这些信息将被加密并且被安全的存储在密码保护的电脑上。

 

5. 实验室产品走向市场，并不是一件容易的事情。当某个产品或者技术有很优异的性能时，往往也会伴随一些其他的问题。那么， 高博士，请问FISA在技术上亟待解决的问题有哪些？是否容易实现大批量生产？

 

高伟：  FISA的制造流程与目前工业界的微纳制造技术相兼容，非常容易实现大规模生产。技术上，长时间使用时，传感器的稳定性有待继续提高。另外各种分析物的水平与人体生理状态或者临床信息的关联也需要进一步的研究。

 

6. 可穿戴器件的研究成果很多时候仅仅是为了发一篇好文章，停留在概念而已，您觉得FISA多久有望真正商业化？哪个行业最有可能首先实现大规模应用？估计价格多少？

 

高伟：  我们申请了相关专利，也希望能真正把技术商业化。我们希望数年内FISA能在可穿戴健康监测行业首先实现大规模应用。我们估计商业化后的产品价格将为数十美元，与目前的市场上的健康追踪设备类似。

 

7. 非常感谢高博士的耐心解答，对可穿戴器件感兴趣的读者肯定会有所收获。最后，请您给大家讲一下可穿戴传感器件今后发展趋势，谢谢！

 

高伟：  目前的可穿戴设备绝大部分只能监测人们的物理活动，然而为了能得到更多的生理和临床信息，能实现分子级别检测的可穿戴生物传感器将会是今后发展的重要趋势。

 

 

       高伟

现为美国加州大学伯克利分校博士后，师从professor Ali Javey。

2004年和2007年分别在华中科技大学和清华大学获得学士和硕士学位；2014年于美国加州大学圣地亚哥分校获得化工博士学位, 师从professor Joseph Wang。

研究领域主要包括可穿戴设备，柔性电子，微米纳米马达，生物纳米技术，生物医学和生化传感器。2010年至今在Nature, Nature Communications, Journal of the American Chemical Society, Nano Letters, ACS Nano, Advanced Materials, Advanced Functional Materials 等期刊发表论文54篇(一作21篇)，总引用超过2300次，H-index 27。

近年来的主要荣誉包括：美国化学协会无机化学 青年研究员奖 （ACS Young Investigator Award），两次“美国材料学会研究生奖”（MRS Graduate Student Award, 2013年和2014年）；美国化工协会生物纳米技术研究生奖第一名 (1st place in AICHE Bionanotechnology Graduate Student Award, 2013), 霍华德休斯医学院国际学生研究生奖（2012 HHMI International Student Research Fellowship），“中国政府优秀自费留学生奖学金”（2013年），UCSD雅各布奖学金（Jacobs Fellowship， UCSD）等。