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        可穿戴式納米生物傳感器的研發(fā)及在運動中應(yīng)用

        2016-11-28 11:22:09董廣新弗雷德里克·澤浩森古健
        體育師友 2016年5期
        關(guān)鍵詞:汗液納米技術(shù)納米

        董廣新+弗雷德里克·澤浩森+古健

        當(dāng)前,國內(nèi)外普遍掀起運動熱潮,智能手表、運動手環(huán)及智能手機(jī)運動軟件發(fā)展迅速。但其功能上還比較單一,僅能檢測人體的運動時間、運動距離、步長、步頻、步數(shù),以及運動時心率等常規(guī)指標(biāo)。這些指標(biāo)對高水平運動員的訓(xùn)練幫助不大。隨著納米技術(shù)和智能設(shè)備的發(fā)展,對運動員在訓(xùn)練中的心臟實時狀況檢測、呼吸狀況檢測、運動中各階段的心理反應(yīng),以及反映運動員運動量與強(qiáng)度的汗液的生理、生化指標(biāo)實時監(jiān)控已經(jīng)成為可能。在運動過程中,可穿戴式生物傳感器可以評估運動員在訓(xùn)練過程中的生理信號和身體運動學(xué)的性能指標(biāo)。這種傳感器可以完全地嵌入集成在運動員的智能手環(huán)、頭箍導(dǎo)汗帶、運動服裝及襪子里。使得這種生理監(jiān)測進(jìn)入一個完全自然的境界。

        1 生物傳感器研發(fā)及應(yīng)用于體育領(lǐng)域的背景

        美國的納米技術(shù)和生物傳感器技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位。美國應(yīng)用納米生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中心是納米技術(shù)和生物傳感器技術(shù)研發(fā)較好的機(jī)構(gòu),隸屬于亞利桑那大學(xué)。該中心致力于在納米科學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)、分子生物學(xué)和基因組學(xué)等領(lǐng)域研發(fā)新一代生物傳感器,在納米技術(shù)方面有獨特的研究和進(jìn)展。該中心具有多學(xué)科背景的研究人員,在分子生物學(xué)、物理學(xué)、材料科學(xué)、電氣和機(jī)械工程、化學(xué)和納米技術(shù)等方面都有一定的造詣。

        納米生物傳感器最早運用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。由于全世界癌癥病人患者的不斷增多,生物傳感器在早期癌癥診斷中起了重要的作用。近年來,科學(xué)家探索了納米材料的很多優(yōu)良的物理和化學(xué)性質(zhì),納米材料在疾病標(biāo)記物檢測方面的應(yīng)用催生了一系列超靈敏檢測方法。納米技術(shù)的產(chǎn)生為超靈敏生物傳感器打開了新的途徑。納米金,石墨烯,碳納米管和DNA納米結(jié)構(gòu)在生物傳感器的設(shè)計與發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。由此,一些研發(fā)機(jī)構(gòu)開發(fā)了一些針對醫(yī)生診斷和針對病人疾病監(jiān)控的生物傳感器。這些傳感器的研發(fā)問世也引起了體育界注意,認(rèn)為通過這些設(shè)備,教練們能夠得到運動員訓(xùn)練中的實時運動數(shù)據(jù),并進(jìn)行記錄和分析。由此產(chǎn)生這些智能設(shè)備能否運用于體育領(lǐng)域的思考。

        2 納米生物傳感器的研發(fā)對運動員的重要意義

        科技成果最終要轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)力。生物電傳感器可以捕捉到人軀體、大腦和心臟發(fā)出的電信號,經(jīng)過數(shù)字化信號處理后,輸出準(zhǔn)確、詳細(xì)的人體相關(guān)信息。教練員和運動員可以使用這些產(chǎn)品監(jiān)測運動中的身心狀況,從而能夠更加科學(xué)地了解運動員運動中身體情況及對運動強(qiáng)度的適應(yīng)情況,監(jiān)控運動過程,提高運動訓(xùn)練效果。

        智能手環(huán)、智能手表、健身腕帶等穿戴設(shè)備不斷涌入市場,消費者們已不再為這些小巧精致的設(shè)備和看似神奇的功能而感嘆,進(jìn)而追求功能更多樣、更專業(yè)、使用更方便的智能設(shè)備。隨著納米技術(shù)運用于生物傳感器,未來傳感器將可以嵌入可穿戴設(shè)備。智能傳感器可以追蹤心率、呼吸、汗液成分和其它人體生理數(shù)據(jù),使用起來將更加方便。

        3 納米技術(shù)與生物傳感器的現(xiàn)狀

        納米技術(shù)和生物技術(shù)是21世紀(jì)的兩大領(lǐng)先技術(shù),在這兩者之間存在著許多技術(shù)交叉。近20多年以來,生物傳感技術(shù)發(fā)展十分迅猛,它是一個由生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、物理、電子技術(shù)等多種學(xué)科相互滲透形成的研究領(lǐng)域。美國應(yīng)用納米生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中心的科研人員研發(fā)的新一代納米技術(shù)生物傳感器,可以看到在特定的微生物組成人體細(xì)胞的反應(yīng)和不同的微生物成分,看到這些細(xì)胞對某些藥物的反應(yīng),制定個性化的藥物治療方案。后期研究中他們將會把這項技術(shù)擴(kuò)展到運動領(lǐng)域,改善納米生物傳感器對健康人體一些生理、生化指標(biāo)檢測的靈敏性和特異性。

        4 納米生物傳感器在體育中應(yīng)用前景

        4.1 汗液成分分析

        目前正在研發(fā)的納米生物汗液傳感器,通過汗液分析身體狀況。汗液傳感器可測量汗水中特定分子水平,從而獲得個人生理和健康的實時信息。主要通過測量汗液中的電解質(zhì)和各種代謝物、以及皮膚表面溫度,來分析運動員當(dāng)前的身體狀況。該傳感器可為在戶內(nèi)外長時間運動的人提供詳細(xì)的汗液分析。該傳感器可同時進(jìn)行多個汗液代謝物的測量,包括葡萄糖、乳酸和電解質(zhì)(如鉀和鈉離子),同時還可監(jiān)測皮膚溫度。從功能上來看,現(xiàn)階段研發(fā)的汗液傳感器僅局限于測量汗液數(shù)據(jù)。研發(fā)團(tuán)隊計劃未來這款傳感器不僅僅可分析汗液數(shù)據(jù),甚至還可以追蹤任何體液的數(shù)據(jù)。比如,當(dāng)你生病或者受傷的時候,能夠立刻發(fā)現(xiàn)自己相應(yīng)的體液分析數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常。

        這項技術(shù)的工作原理是:將生物傳感器技術(shù)集成在一塊小的貼片中,然后緊貼皮膚上,就能夠檢測汗液中表明你身體狀況的生物標(biāo)記,例如電解質(zhì)、乳酸、蛋白質(zhì)等。人體排出的汗液當(dāng)中具有豐富的生理信息,是人體健康狀況最直觀的反應(yīng)方式之一。汗液當(dāng)中,這種信息是非常復(fù)雜的。他們正在攻克這一技術(shù)難題,提取汗液當(dāng)中的有用信息進(jìn)行分析,將這些數(shù)據(jù)分析處理后傳送到智能手機(jī)或電腦中。實驗中可檢測存在于離子與質(zhì)子等超小濃度中的基本帶電粒子,不僅能反映出汗水的pH平衡,還能顯示疲勞狀態(tài)時更復(fù)雜的水合狀況。能夠為個人的水合、壓力或疲勞程度提供即時且準(zhǔn)確的檢測。實時分析這些生物標(biāo)記數(shù)據(jù),為運動訓(xùn)練提供有針對性專業(yè)建議。

        汗液成分和排汗量的信息是補(bǔ)液成分的重要依據(jù)。在運動過程中,補(bǔ)液是一個重要的環(huán)節(jié)。它不僅能補(bǔ)充流失的汗液而且還能補(bǔ)充體內(nèi)流失的電解質(zhì)。分布在織物通道里嵌入了PH敏感的著色指示劑,一旦有汗水附著就會有色差反映。它可以很好、實時、直接地收集和分析汗液。實時分析出來的信號可以直接反饋到教練員或運動員那里。通過這塊集成了汗液傳感器的貼片,就可以知道,何時需要補(bǔ)充水分,需要喝多少水,需要喝純凈水還是運動飲料。通過檢測皮膚溫度,可以在有潛在中暑和運動過度的危險之前及時提醒你。未來在電解質(zhì)平衡檢測和水分檢測之外,該傳感器技術(shù)還能監(jiān)測肌肉疲勞度、體力消耗水平、呼吸和皮膚的PH值,這樣能有效降低運動中抽筋等情況發(fā)生。

        4.2 呼吸監(jiān)控

        呼吸是一種評估身體功能運動狀態(tài)的指標(biāo)。當(dāng)運動員提高運動強(qiáng)度時,則伴隨著快速率的呼吸和高頻率的心跳。目前,醫(yī)學(xué)臨床上已經(jīng)有胸腹部呼吸波形傳感器,用于檢測呼吸氣流波形。產(chǎn)品具有靈敏度高,低頻響應(yīng)好,與人體無直接接觸,適合于佩戴的扁平帶式,能真實地反應(yīng)呼吸波形。經(jīng)標(biāo)定和信號處理還可以獲得呼吸率、呼吸氣流持續(xù)時間、潮氣量、通氣量及流速等參數(shù),適合多種儀器配套使用。但其明顯缺點是由于體積大,佩戴不方便,不適合于運動員室外運動佩戴。

        而新型納米可穿戴式生物傳感器,通過織物應(yīng)力或壓力,可以檢測呼吸頻率來測量胸腔擴(kuò)大和收縮狀態(tài)。該傳感器設(shè)計在靠近胸部的有彈性運動服裝中。當(dāng)吸氣時,胸腔擴(kuò)大,傳感器被壓縮,電導(dǎo)率增加。當(dāng)呼氣時,胸腔收縮,傳感器釋放而析出的電導(dǎo)率返回到基線。衣物材料可用彈性針織面料來實現(xiàn)。通過測量運動中呼吸狀況,可以評估運動或恢復(fù)效率以及提供及時的生化反饋。

        4.3 心電監(jiān)控

        用于運動中心臟監(jiān)控的納米可穿戴式生物傳感器置于衣物靠近心臟部位,可以獲取運動中心臟的實時數(shù)據(jù),能追蹤心率、心臟收縮和舒張波形、心輸出量相關(guān)數(shù)據(jù)。在運動中可以實時觀測運動員的心電圖,發(fā)現(xiàn)異常,及時中斷訓(xùn)練或比賽,防止意外發(fā)生。

        即將問世的心電傳感器,可以精確地檢測到運動中運動員心臟的各種指標(biāo),經(jīng)過量化處理后,將人身體的健康狀況及潛在的風(fēng)險通過相關(guān)的應(yīng)用程序展現(xiàn)給教練員。

        4.4 腦電監(jiān)控

        運動中對運動員的心理狀態(tài)了解和調(diào)控一直是體育領(lǐng)域沒有解決好的問題。納米生物傳感器的研發(fā),為運動中實時監(jiān)控運動員的心理狀態(tài)提供可能。其原理是借由電感應(yīng)進(jìn)行腦電波監(jiān)測。傳感器內(nèi)置了大量的感應(yīng)器,可經(jīng)藍(lán)牙連接到外圍的 App 進(jìn)行操控,能夠反饋實時數(shù)據(jù),幫助運動員進(jìn)入到一種深層的沉思狀態(tài),遠(yuǎn)離外界的干擾。目前對冥想、內(nèi)省和沉思等的醫(yī)學(xué)研究成果不斷的涌現(xiàn)出來。不少研究發(fā)現(xiàn),冥想能夠降低血壓,緩解焦慮、抑郁甚至疼痛,提高個體的平衡能力、壓力釋放技巧,以及改善睡眠狀況等等。

        即將問世的腦電傳感器可以監(jiān)測人的大腦活動狀態(tài),可以感知人的情緒和狀態(tài),不僅可用于大腦健康訓(xùn)練,還能給人在運動中帶來不一樣的娛樂體驗。

        4.5 足底傳感

        動態(tài)姿勢的調(diào)整是運動技能訓(xùn)練的基礎(chǔ)。體育運動并不依賴于靜態(tài)姿勢而取決于動姿。如今有多種方法用來檢測優(yōu)秀運動員的表現(xiàn),最常見的是在實驗室里采用生理學(xué)和生物力學(xué)進(jìn)行測試和分析。而在室外自然環(huán)境的訓(xùn)練或比賽過程中看運動員的技術(shù)動作是否完美,最常見的方法是通過肉眼觀察或調(diào)用視頻播放,但這也只是直觀的判斷。除了通過教練肉眼觀察和昂貴的視頻設(shè)備以外,即將問世的嵌入納米生物傳感器的智能襪成了解決這個問題的捷徑。智能襪是把納米生物傳感器植入襪子中,能夠監(jiān)測到運動員的跑步姿勢、運動量、步數(shù)以及跑步距離等。從而幫助運動員提升運動水平,同時避免受傷。

        5 前景展望

        可穿戴式納米生物傳感器可以評估運動員在訓(xùn)練過程中的生理、生化信號及身體運動學(xué)的性能指標(biāo)。這種傳感器完全地嵌入集成在運動員的服裝里,可以監(jiān)測運動全過程。在運動中,無需連接任何外部設(shè)備,使得這種生理監(jiān)測進(jìn)入一個完全自然的狀態(tài)。發(fā)展在紡織品中植入智能傳感器,織物鏈路使服裝上所有的傳感器成為一體,使每一個傳感器類型都有各自的典型反映方式,不僅可以檢測汗液成分,控制運動強(qiáng)度,還可以實時反饋身體運動的信息,監(jiān)控運動員的心理狀態(tài),為科學(xué)化訓(xùn)練提供依據(jù)。同時,其潛在的其他功能也將呼之欲出。

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