鲁南姝:电子纹身,读懂你身体的秘密

微信公众号-创客星球 / 2017.09.14 / Original link

纹身不是每个人都有,但你一定不陌生?有一种纹身能够无痛植入且可随时变换,还能让你拥有超级英雄的超能力,这样的纹身你知道吗?新型电子纹身薄如蝉翼,能实时监控你身体的各项指标,还能变成手势控制器,操控各种智能设备,电子纹身发明人、德克萨斯州立大学奥斯汀校区终身教授鲁南姝为你揭秘电子纹身的神奇之处。

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神奇的电子纹身 升级版穿戴式装置

两千多年前,我们的祖先在身上刺绣各种纹身图案,作为一种辟邪或者显示地位的图腾。两千年后,纹身被赋于了文艺之美和个性化的表达。今天我跟大家分享的纹身不再有针刺的切肤之痛,而是可以随时佩戴和脱去的电子纹身。它轻如薄翼,像皮肤一样柔软,在你佩戴它的时候甚至都感觉不到它的存在,外观是个性化定制还能动态变换,在黑夜中闪亮如星,在白日下透明无形,佩戴在身上,可监测健康指数、运动状态、监控疾病。在你需要的时候,提供各种热疗,电疗或者通过皮肤为你输送药物和营养物质。

突破材料的局限 让电子纹身像皮肤一样柔软

最近几年市面上出现了很多可以监测心率、血氧浓度的可穿戴电子产品,这些产品都是坚硬且易碎的。为了把又硬又脆的电子材料做得像皮肤一样又薄又软,科学家们提出了一个非常简单而巧妙的办法。那就是在不改变材料的前提下,通过改变他们的结构来实现整个器件的可延展性。用不锈钢制成的弹簧就是一个很好的例子,卷曲的形状让弹簧也可以变得柔软而且可拉伸,同样的道理,把金属和硅等有机材料制成了S形状,做成纳米薄膜材料可以实现像皮肤一样的柔软和可拉伸。

从原理上讲,我们现在可以得到柔软可拉伸的传感器,但是皮肤在微观下是凹凸不平有山峰也有山谷,传感器只能跟皮肤的山峰接触,有效地接触面积太小导致获取信号的质量将会受到限制。在运动的过程中,传感器跟皮肤滑动摩擦会产生电荷的积累而这些电荷会极大地影响到生物电信号的传感。这样一种动态噪音成为了可穿戴电子的一大难点。目前可穿戴的智能手带或者是心率带达不到医疗级别的应用也是这个原因。

用轻薄的电子纹身就可以解决这个问题。厚度限制在五微米,相当于纸币的二十分之一,只有在这个厚度之内电子纹身才能够嵌入皮肤表面的山谷里面从而达到跟皮肤完全无缝的贴合,把动态噪音减少到最小。

电子纹身应用广泛

通过这样的手段可以得到真正意义上的电子皮肤,再集成力热、光、电、传感器和触发装置,实现很多意想不到的功能。比如贴在胸口可以监测您的心电,贴在头上可以监测您的脑电,贴在你的眼睛的周围可以监测眼电。如果在上面放上应变片和压力传感器,还可以监测呼吸率血压等等生理的机械信号,加上温度传感器和湿度传感器,可时时监测皮肤的温度和湿度等等状态。

电子纹身作为生理信号的传感器它的应用领域是非常广泛的,在健康医疗方面,一块像邮票大小的电子纹身,可以时时监测新生婴儿的呼吸率,心率、温度、和血氧浓度,新手父母可随时随地获取宝宝的健康信息。给上年纪的父母们佩戴上一块类似的电子纹身,在外闯荡的我们就可以无时无刻关心父母的身体状况。

在运动健身领域,集成了机电传感器,应变片和加速度传感器的电子纹身可以完成捕捉到我每一个动作和姿态,甚至是肌肉的爆发力或者是疲劳程度,为专业训练提供数据化和个性化的指导。在人机交互领域方面,把各种纹身组贴在我肌肉或关节上,时时监测动作从而操控机器人。如果把电子纹身戴在眼睛周围,可以用眼球转动的方式来控制无人机飞行。在时尚方面,定制的电子纹身可以随着脉搏和心跳变换,无论走到哪里都能够成为全场的焦点。

除了各种生理检测以外电子纹身还可以各种精准的治疗。比如随时随地给皮肤加热,用来治疗各种肩周炎或者是关节炎,时时监控温度,不会太热,也不会太冷。另外还可以通过电子纹身对皮肤放电,这个放电叫精皮神经电刺激,这样的电刺激可以用来缓解疼痛,甚至可以贴到瘫痪病人的肌肉上,刺激他们的肌肉,让他们重新站立,甚至运动。在这样的电子纹身上装有微针,这些微针阵列可以时时的通过精准的药物输送来控制的血糖。

电子纹身普及三大难点

这项研究成果2011年就在《科学》杂志上发表了,但至今都没有推广普及,电子纹身实现产品化还有三个难点:第一是供电;第二个是数据的无线传输,如果用蓝牙来给数据进行无线传输会非常耗电,需要给蓝牙加上一块可充电电池,集成在一个小盒子里面,然后把这个小盒子通微型USB接口和纹身进行佩戴。另外一种无线通讯技术就是NFC,目前手机充电和触碰式刷卡都是采用的NFC技术,能够同时进行无线充电和无线的数据传输;第三点大批量、高量率、低成本生产,一片电子纹身的成本从几百块钱降到几块钱。

从现在电子纹身的发展趋势来看,今年可以完成产品化测试,打造集成蓝牙和可充电电池现的连续监测心电医疗级别心电图的医疗纹身,与科研机构和专业的运动团队进行合作,对选定的研究对象和运动员进行连续不断地监测。电子纹身可以在身上佩戴长达一周的时间。最终的目的是希望把数据时时上载到云端,然后通过大数据的分析,来实现病症预警或者是训练指导。

电子纹身可实现慢性闭环诊疗

未来的五年,我们还会推进电子纹身在临床医疗和治疗上面的应用,比如糖尿病的监测,糖尿病患者每天都需要在指尖多次测血,血糖偏高的时候注射胰岛素,这样的过程既痛苦又不方便。葡萄糖的浓度在各种生理液体里面的同比性是很高的。目前可以实现用电子纹身来监测汗里面的葡萄糖浓度,这个浓度去推算血液里面的葡萄糖浓度,作为一种无创,连续监测血糖的手段,当监测到糖浓度过高的时候,电子纹身上还会集成一些微针阵列可以把胰岛素,通过皮肤输送到组织液,并扩散到流动血液里面去。

闭环诊疗是慢性病控制的终极目标,因为它不需要任何人工的干预,甚至病人自己都感觉不到所有的诊断和治疗的过程。将来的某一天我们再也不用担心这些慢性病会对生活造成的各种不便了。现在电子纹身的技术,正在飞速地发展,我们已经通过各种方法各种实验去证明了电子纹身在很多领域方面的广阔用途。

在不久的将来,小小的电子纹身能够颠覆我们的生活。人类从人类的进步,始于创造和改变,我们一直在不停地改变生活的环境、生活方式以及改进我们自己,开启属于电子纹身的时代,让我们自己变得更健康、更强大。你如果再也不知道电子纹身,你就OUT,谢谢大家!