未来的可穿戴设备可能就是你的「纹身」

　　尽管存在争议，如今纹身确实逐渐成了一种时尚，甚至是一种艺术。但如果告诉你，你的纹身未来除了好看之外，还能监测血糖、心脏、肾脏等多项身体数据，你相信吗？

　　或许你和我一样，会联想到想到「女版乔布斯」伊丽莎白·霍姆斯那个靠指尖采血就能完成 300 多项血液检测项目的硅谷惊天骗局。

　　但纹身形态的健康监测设备已经不再是一个科幻的概念，而是一个可以实现的事情。用电子皮肤取代现有的可穿戴设备，甚至是智能手机，也是很多科学家正在努力的方向，并且已经有了一些令人兴奋的突破。

　　从纹身颜色变化监测健康，是怎么做到的？

　　最近德国科学家开发出一种特殊的「纹身墨水」，能够随着人体内的葡萄糖、白蛋白和 PH 值的变化而改变颜色，而这些颜色的变化可以让患者和医生实时监测糖尿病和肾脏疾病等慢性疾病的情况。

　　这项研究由德国慕尼黑工业大学的化学工程师 Ali Yetisen 主导，根据其在权威期刊《应用化学》（Angewandte Chemie）上发表的论文，这种墨水刺入皮肤的方式和一般纹身墨水十分相似，但配方成分却有很大不同。

　　研究人员表示这是一种将纹身艺术和生物比色传感器结合的技术。一般的纹身是将墨水直接注入真皮层，让色素永久附着在皮肤。而科学家是将三种配方不同的的比色传感器注入皮肤，这部分皮肤会在 PH 值等生物指标改变时改变颜色。

　　每一种传感器负责监测一个生物指标，由于配方不同，颜色的改变也有所不同。

　　当身体的 PH 值由酸性变为碱性时，纹身会由黄色变成蓝色。监测白蛋白的的传感器本身是一种黄色染料，一旦和白蛋白结合就会变绿。而血糖升高纹身就从从黄色变为深绿色。

　　为什么要选取这三个指标进行监测？研究人员表示这是因为这是人体中很多问题往往都会通过这几个指标反馈出来。高血糖会导致糖尿病，而白蛋白水平下降则可能意味着肝肾功能衰竭，酸碱度过高也会引发酸中毒和碱中毒。

　　为了方便患者和医生第一时间读懂这些纹身颜色变化的含义，研究人员专门开发了一个 app。只要用手机拍下纹身，app 就能分析对应的健康指标情况。

　　目前研究人员已经将「变色纹身」在猪皮上测试成功，不过还没在人体测试。研究人员下一步计划是测试活体动物的效果，看看是否会引起一些不良反应。

　　比起现有的健康监测方式，这种技术的优势在于可以将传感器直接放入身体的特定位置，实时记录代谢物质的变化，不受空间和时间的限制。

　　Ali Yetisen 认为这种「变色纹身」能以一种简单、低成本的技术对患者进行永久监测，随着比色生物传感器的发展，监测的指标未来还可以扩展到记录电解质、病原体浓度，或病人的脱水程度等。

图片来自：MIT Media Lab

　　其实早在两年前，麻省理工学院就曾发表过「变色纹身」研究，同样是用三种纳米级的生物传感器代替纹身墨水注入皮下，能监测 PH 值。血糖浓度和钠浓度，还发布了将「变色纹身」纹在手上的视频，但这只是个概念视频。

　　尽管这种技术还需要经过更多的测试才有望真正进入市场，但这几年基于生物传感器的纹身式电子皮肤，已经取得了不少突破，甚至有望实现大规模量产。

　　电子纹身的发展，可能比你想象的要快

　　除了「变色纹身」，还有更多采用类皮肤柔性传感器的电子纹身（Electronic Tattoo）。这些电子纹身的吸引力不止是可以不间断监测，还有不需要扎针，实现无创监测。

　　2017 年清华大学团队在《科学进展》（Science Advances）期刊上发表的一项研究，展示了一种新的无创血糖监测方式，用一个类似纹身贴纸的设备完成血糖监测，无需扎破手指。

无创血糖测量方法示意图和实验图

　　它通过反离子电渗透技术，对皮肤表面施加微小的电场，利用产生的离子流让皮下组织液的血糖定向渗透到皮肤表面，最后通过 3.8 微米厚的超薄柔性生物传感器件进行高精度测量。

　　这项技术的突破在于，将复杂的监测系统集成都一个只有 3.8 微米厚的类皮肤柔性生物传感器上，这涉及力学、材料、化学、生物化学、电子等多个学科的交叉应用。

类皮肤生物传感器及结构示意图.

　　而且跟只在猪皮上测试的「变色纹身」不一样，这种无创血糖测量设备已经在人体上进行过临床实验，和使用血糖仪或静脉血测量的结果相关性超过 90％，同时也没出现任何不良反应，已经达到了医疗级监测和诊断的标准。

　　此外石墨烯材料的电子皮肤也是一个备受关注的方向，去年清华大学的另一个科研团队实现了可定制的石墨烯电子纹身，可以像纹身贴纸一样贴覆在皮肤，监测呼吸、心率、发声等人体信号。

　　在实用性之外，为了让石墨烯纹身看起来更美观，研究人员使用了一种新工艺让纹身更薄，同时可通过激光直写技术对图案进行个性化定制，这显然已经考虑到了电子皮肤的实际应用场景。

　　无独有偶，在 2017 年的旧金山国际电子元件会议（IEDM）上，也展出了号称「世界上最薄电子皮肤」的石墨烯纹身，通过一种新型传感器用于测量来自心脏、肌肉和大脑的电信号，以及皮肤的温度和湿度。

　　这种传感器由德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员开发，他们希望这种超薄传感器可以用于美妆市场，甚至代替现有的医疗检测设备，

　　为什么这么多科学家会考虑石墨烯材料做电子纹身？

　　因为这种纹身式的电子皮肤，要求生物传感器有比较好的柔韧性、可伸缩性和高灵敏度，以及佩戴的舒适性，而石墨烯的柔韧性能与皮肤高度贴合，这也大大增加了测量的精度。

　　比如德克萨斯大学的石墨烯纹身传感器中的石墨烯电极厚度仅有 0.3 纳米，可以更好读取下皮组织中电活动变化引起的变化，而一般的医疗监测设备体积较大的电极在皮肤拉伸和收缩过程中容易出现空隙从而降低信号精度。

　　目前为止我们已经看到了很多电子纹身的 Demo，但市场还没有正式推出的产品，这难免让人怀疑是否又是一个实验室里的概念产品。

　　正如前面所提到的，既要超薄以贴合皮肤，又要在这么小的空间里塞入可采集各种生物信号的集成电路，这对电子元件提出了非常高的要求。

图片来自：LA Cicero

　　值得注意的是，斯坦福大学的鲍哲南团队去年在《自然》（Nature）杂志上发表了一项新的技术，能让元件在被拉伸两倍的情况下不损失导电能力和灵敏度，这让大规模生产这种新型柔性、可伸缩电子元件成为可能。正如鲍哲南所说：

这证明用电子皮肤一样的电子材料来做电子器件，是一个可以实现的事情，而不再是一个科幻的梦想。

　　这意味着，电子皮肤的商业化应用或许不远了。

　　未来的可穿戴设备可能会像「皮肤」一样

　　在更多人熟知的消费电子领域，已经在很多折叠屏手机上见到过柔性屏幕。事实上，柔性电子领域的发展对于消费电子设备产生的重大变革，很可能会通过电子皮肤，而非折叠屏手机体现。

　　上文提到的鲍哲南教授就是柔性电子领域的大神级人物，她也是斯坦福大学可穿戴电子中心创始人和主任，鲍哲南认为电子皮肤是未来电子工业发展的一个不可避免的趋势。

我觉得电子皮肤是电子工业的变革性的方向，基本的理念就是把传感和信号处理，和信号传输结合在一起，但是这些电子器件并不是像现在已有的比如说可穿戴的手表，而是说就像皮肤一样，可以贴在我们的皮肤表面或者种植在皮肤下面，或者在身体里面，这样的话整个这些传感系统就会像我们人的皮肤一样。

　　正如我们现在看到的电子皮肤，这种技术最早可以实现的应用会在健康监测领域。但这不意味着电子皮肤只是现有智能手环、智能手表等可穿戴设备更轻薄的替代品。

MIT 实验室与微软研究院合作研发的电子纹身 DuoSkin.

　　鲍哲南提出了一个有意思的观点，当可穿戴设备变得像人体的「皮肤」一样，我们或许不用再带着各种智能设备出门，而电子皮肤与周边环境的互动甚至能创造一种新的交互形式。

　　智能手机是现在，但将来会是由人造电子皮肤实现的 BodyNet 人体网络。

　　目前电子皮肤的技术也正在朝着这个方向发展，德克萨斯大学的研究人员就打算为石墨烯纹身添加信号传输系统，以实现设备和手机或计算机之间的数据传输。

　　而鲍哲南的研究团队的电子皮肤，已经可以像真正的皮肤一样处理和传导感觉信号数据，和人类的神经系统有效的结合起来，将感觉传导给神经系统。

　　这样的技术能让义肢获得更真实的触觉，随着集成的功能越来越多，普通人也能通过电子皮肤实现人体感知能力的进一步补充和延伸，每一个人可能都是「生物黑客」。

　　这便是凯文·凯利在《失控》描述的未来，机器正在生物化，而生物正在工程化。但这并不意味着未来的世界一定会是坚硬冰冷的赛博朋克世界。相反，这些技术所引导的未来，或许会诞生一种的新生物文明。