想象一下2040年的一個(gè)場(chǎng)票：一名思有糖尿病的早期階段而不自知。7的 12 歲男孩在咀嚼口香糖時(shí)，前臂上的臨時(shí)文身記錄了他血糖上升的情況，并將這一信息發(fā)送到他的手機(jī)上。同時(shí)，這個(gè)健康藍(lán)測(cè)文身的數(shù)據(jù)也會(huì)上傳至云端，這樣他的媽媽就能隨時(shí)關(guān)注他的狀況。

目前，這樣的電子文身還不存在，但世界各地的實(shí)驗(yàn)室（包括我在馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的實(shí)驗(yàn)室）都在致力于開(kāi)發(fā)這一關(guān)鍵技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)潛力巨大：它可以幫助人們追蹤復(fù)雜的健康狀況，包括心血管疾病、代謝紊亂、免疫系統(tǒng)疾病和神經(jīng)退行性疾病。近半數(shù)的美國(guó)成年人可能正處于其中一種或多種疾病的早期階段而不自知。

如果能在嚴(yán)重問(wèn)題出現(xiàn)之前利用好早期篩查和健康監(jiān)測(cè)技術(shù)，相關(guān)患者的治療結(jié)果將大幅提升。我們可以分析疾病的相關(guān)因素，如飲食、運(yùn)動(dòng)、環(huán)境暴露和心理狀況等，并對(duì)健康人群的生命體征和其所處環(huán)境的參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤和研究，以獲得大量的變革性數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)有助于實(shí)現(xiàn)更好的治療和預(yù)防效果。但要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)達(dá)數(shù)年（而非數(shù)周或數(shù)月）的個(gè)體監(jiān)測(cè)，唯一的途徑就是依靠工程方面的突破：開(kāi)發(fā)出普通人愿意在日常生活中使用的平價(jià)傳感器。

這也是我的二維生物電子實(shí)驗(yàn)室努力的方向。實(shí)驗(yàn)室專注于研究石墨烯等原子級(jí)薄材料 一這些材料的特性使其成為先進(jìn)、無(wú)創(chuàng)生物監(jiān)測(cè)設(shè)備的理想選擇。目前，實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)可以輕松貼膚使用的GETs，用于化學(xué)或生理傳感。

表皮電子學(xué)的興起

這種即用即貼式傳感器的想法源于美國(guó)西北大學(xué)約翰·羅杰斯（JohnRogers）團(tuán)隊(duì)的開(kāi)創(chuàng)性工作。他們將尖端硅芯片、傳感器、發(fā)光二極管（LED）、天線和換能器嵌入薄薄的表皮貼片中，旨在監(jiān)測(cè)多種健康指標(biāo)。羅杰斯最著名的發(fā)明之一就是專為重癥監(jiān)護(hù)室的新生兒設(shè)計(jì)的一套無(wú)線粘貼式傳感器，這些傳感器讓護(hù)士和父母都能更方便地照顧那些嬰兒。

羅杰斯的可穿戴設(shè)備通常不到 毫米厚，對(duì)于許多醫(yī)療需求來(lái)說(shuō)已經(jīng)足夠薄了。但要制作一款人們?cè)敢馀宕鞫嗄甑馁N片，還需要更薄、更不顯眼的設(shè)計(jì)。

2017年，得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的德吉·阿金萬(wàn)德（DejiAkinwande）教授和魯南姝教授發(fā)明了厚度僅為500納米的GETs。其使用方法就像孩子們玩的臨時(shí)文身貼一樣：只需將一張紙弄濕，就能將基于聚合物的石墨烯電子文身轉(zhuǎn)移到皮膚上。

石墨烯是一種由單層碳原子構(gòu)成的神奇材料。它具有導(dǎo)電性極佳、透明、輕質(zhì)、高強(qiáng)度、韌性好的特點(diǎn)。當(dāng)用于電子文身時(shí)，使用者甚至感覺(jué)不到它在皮膚上。這種文身大約只有人類頭發(fā)直徑的 1% 。它們?nèi)彳浨矣袕椥?，能夠完美貼合人體皮膚紋理。

當(dāng)阿金萬(wàn)德和魯于2017年創(chuàng)造出第一批GETs時(shí)，我剛在德國(guó)研究機(jī)構(gòu)一于利希研究中心一完成生物電子學(xué)博士學(xué)位的學(xué)習(xí)。隨后，我加入了阿金萬(wàn)德的實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展GETs相關(guān)研究，最近，又在自己位于馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校的實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)這項(xiàng)工作。我和合作者們?cè)谔岢∈┪纳砣彳浨矣袕椥裕芡昝蕾N合人體皮膚紋理

高GETs性能方面取得了重大進(jìn)展，也一直在推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)繼續(xù)向前發(fā)展。

用于心臟疾病監(jiān)測(cè)的GETs

世界衛(wèi)生組織（WHO）數(shù)據(jù)顯示，心血管疾病是全球頭號(hào)死因，其誘因包括飲食、生活方式和環(huán)境污染等。長(zhǎng)期追蹤人們的心臟活動(dòng)（尤其是心率和血壓）是監(jiān)測(cè)高危人群的直接手段。GETs在這方面可謂理想選擇。

測(cè)量心率較為簡(jiǎn)單，因?yàn)楫?dāng)心肌去極化和復(fù)極化以產(chǎn)生每次心跳時(shí)，心臟組織會(huì)產(chǎn)生明顯的電信號(hào)。為了檢測(cè)這種電信號(hào)，我們?cè)谌说钠つw上貼了兩個(gè)GETs，要么貼在靠近心臟的胸部，要么貼在兩條手臂上。第三個(gè)文身貼在身體的其他部位，用作參考點(diǎn)。在所謂的“差分放大”過(guò)程中，放大器接收來(lái)自以上三個(gè)電極的信號(hào)，但忽略出現(xiàn)在參考電極和測(cè)量電極中的信號(hào)，只放大代表兩個(gè)測(cè)量電極之間差異的信號(hào)。這樣，我們就能將相關(guān)的心臟電活動(dòng)從周圍的人體電生理噪聲中分離出來(lái)。

通過(guò)文身持續(xù)監(jiān)測(cè)血壓要困難得多。我們與阿金萬(wàn)德以及魯茲貝·賈法里（RoozbehJafari，現(xiàn)就職于麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室）合作開(kāi)展了這項(xiàng)工作。令人驚訝的是，如今醫(yī)生使用的血壓監(jiān)測(cè)儀與一百年前醫(yī)生使用的設(shè)備并無(wú)顯著不同。雖然這種設(shè)備在醫(yī)生辦公室用起來(lái)效果很好，但它無(wú)法提供連續(xù)讀數(shù)，也無(wú)法在人活動(dòng)時(shí)進(jìn)行測(cè)量。在醫(yī)院，護(hù)士會(huì)在夜間叫醒病人測(cè)量血壓，而家用設(shè)備則要求使用者主動(dòng)測(cè)量血壓水平。

我們開(kāi)發(fā)出借助粘貼式GETs就可以持續(xù)、無(wú)感監(jiān)測(cè)血壓的新系統(tǒng)。正如我們?cè)?022年的一篇論文中所描述的，GETs并不直接測(cè)量壓力，而是測(cè)量“生物阻抗”。我們借助幾個(gè)GETs注入微電流（目前為50微安），電流穿過(guò)皮膚到達(dá)下方的動(dòng)脈，位于動(dòng)脈另一側(cè)的GETs則測(cè)量組織的阻抗。動(dòng)脈內(nèi)富含離子的血液導(dǎo)電性比周圍的脂肪和肌肉更好，因此動(dòng)脈是注入電流的最低電阻路徑。當(dāng)血液流經(jīng)動(dòng)脈時(shí)，其容量會(huì)隨著每

GETs可用于持續(xù)監(jiān)測(cè)血壓。如上圖所示，貼在皮膚上的兩個(gè)GETs（黑色）作為注入電極，通過(guò)手臂傳送微弱電流。由于血液比組織的導(dǎo)電性好，電流會(huì)通過(guò)下方的動(dòng)脈。另有四個(gè)充當(dāng)傳感電極（灰色）的GETs測(cè)量“生物阻抗”，即身體對(duì)電流的阻力，它會(huì)隨著每次心跳時(shí)的動(dòng)脈血流量變化而變化

次心跳而略有變化。這些變化會(huì)改變阻抗水平，由此我們才將其與血壓關(guān)聯(lián)起來(lái)。

為精確且微妙，電極位置偏移幾毫米（如腕帶輕微移動(dòng)）就會(huì)使數(shù)據(jù)失效。GETs卻能確保電極在整個(gè)記錄過(guò)程中始終處于同一位置，這為數(shù)據(jù)的有效性提供了保障。

雖然生物阻抗與血壓之間存在明顯的相關(guān)性，但并非線性關(guān)系，這讓機(jī)器學(xué)習(xí)有了用武之地。為了訓(xùn)練模型以理解這種相關(guān)性，我們進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)，用GETs實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象的生物阻抗，并用指套式設(shè)備監(jiān)測(cè)他們的血壓。當(dāng)實(shí)驗(yàn)對(duì)象通過(guò)握力練習(xí)、冰水刺激等方式改變血壓時(shí)，我們也記錄了相關(guān)數(shù)據(jù)。

有了訓(xùn)練有素的模型后，我們?cè)俅斡肎ETs記錄了這些實(shí)驗(yàn)對(duì)象的生物阻抗數(shù)據(jù)，然后基于數(shù)據(jù)計(jì)算出他們的收縮壓、舒張壓和平均血壓。我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了超過(guò)5小時(shí)（時(shí)長(zhǎng)是過(guò)往研究的10倍）的持續(xù)血壓監(jiān)測(cè)測(cè)試，結(jié)果非常鼓舞人心：與傳統(tǒng)的血壓監(jiān)測(cè)腕帶相比，GETs讀數(shù)更精準(zhǔn)，也達(dá)到了電氣電子工程師學(xué)會(huì)（IEEE）無(wú)袖帶可穿戴血壓監(jiān)測(cè)設(shè)備的最高精度標(biāo)準(zhǔn)。

在這些模型訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)中，GETs發(fā)揮了不可替代的作用。雖然生物阻抗可以通過(guò)任何類型的電極進(jìn)行記錄—帶有鋁電極陣列的腕帶就能完成這一任務(wù)—但（測(cè)量后我們發(fā)現(xiàn)）生物阻抗與血壓之間的相關(guān)性極個(gè)人的生物特征模式都是獨(dú)一無(wú)二的，生物阻抗與血壓之間的關(guān)系也因人而異。因此，目前我們必須為每個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象重新校準(zhǔn)系統(tǒng)。我們需要開(kāi)發(fā)更好的數(shù)學(xué)分析方法，使機(jī)器學(xué)習(xí)模型能夠描述這些信號(hào)之間的一般關(guān)系。

心臟疾病層面的其他潛在應(yīng)用

在美國(guó)心臟協(xié)會(huì)的支持下，我的實(shí)驗(yàn)室目前正在探索石墨烯電子文身的另一種潛在應(yīng)用：測(cè)量動(dòng)脈僵硬度和動(dòng)脈內(nèi)的斑塊堆積情況。這兩者都是心血管疾病的風(fēng)險(xiǎn)因素。目前，醫(yī)生通常使用超聲波和磁共振成像（MRI）等診斷工具來(lái)檢查動(dòng)脈僵硬度和斑塊，這些方法需要患者前往醫(yī)療機(jī)構(gòu)，使用昂貴的設(shè)備，并依賴訓(xùn)練有素的專業(yè)人員進(jìn)行操作和解讀結(jié)果。

有了GETs，醫(yī)生可以輕松且快速地測(cè)量人體多個(gè)部位的指標(biāo)，從而了解局部和整體的情況。由于GETs可以貼附于任何位置，因此我們可以借助其獲得現(xiàn)有工具難以觸及的主要?jiǎng)用}（如頸動(dòng)脈）的測(cè)量數(shù)據(jù)。GETs還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電信號(hào)。我們相信，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)，可以將生物阻抗測(cè)量與動(dòng)脈僵硬度、斑塊堆積情況聯(lián)系起來(lái)一只需進(jìn)行一系列定制化實(shí)驗(yàn)并收集必要數(shù)據(jù)即可。

利用GETs進(jìn)行這些測(cè)量也有助于研究人員更深入地探究動(dòng)脈硬化、斑塊形成與高血壓之間的關(guān)系。通過(guò)在大規(guī)模的人群中長(zhǎng)期追蹤這些數(shù)據(jù)，臨床醫(yī)生可以更好地理解重大心臟疾病的形成機(jī)制，這或許還能幫他們找到預(yù)防這些疾病的方法。

汗液中的健康密碼

與此同時(shí)，我的實(shí)驗(yàn)室也在著手開(kāi)發(fā)用于汗液生物傳感的石墨烯文身。人們出汗時(shí)，汗液會(huì)將鹽分和其他化合物帶到皮膚上，傳感器可以檢測(cè)到這些化合物，以判斷人體健康狀況。

我們用石墨烯作為晶體管，并通過(guò)添加抗體等特定分子來(lái)修飾石墨烯表面。這些分子被設(shè)計(jì)用于結(jié)合特定目標(biāo)。當(dāng)目標(biāo)物質(zhì)與抗體相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生可測(cè)量的電信號(hào)，從而改變石墨烯晶體管的電阻。這種電阻變化被轉(zhuǎn)換為讀數(shù)，提示目標(biāo)分子的存在和濃度。

我們已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出能夠檢測(cè)食物毒素、測(cè)量鐵蛋白以及區(qū)分新冠病毒和流感病毒的獨(dú)立石墨烯生物傳感器。通過(guò)把這些看起來(lái)像芯片的獨(dú)立傳感器放置在桌面上，并將液體滴在上面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，我們?cè)噲D將這種晶體管傳感技術(shù)集成到可穿戴GETs中。這些文身會(huì)與汗液直接接觸。

我們還通過(guò)添加微孔來(lái)改進(jìn)GETs，以便水分傳輸，這樣汗液就不會(huì)在GETs下積聚并干擾其功能?，F(xiàn)在我們正在努力確保有足夠的汗液從汗腺流出并進(jìn)入文身中，從而使目標(biāo)物質(zhì)能夠與石墨烯充分反應(yīng)。

我們最初關(guān)注的是皮質(zhì)醇，這是一種與壓力、中風(fēng)和多種內(nèi)分泌系統(tǒng)疾病有關(guān)的激素。未來(lái)，我們希望利用這種文身檢測(cè)汗液中的其他化合物，如葡萄糖、乳酸、雌激素和炎癥標(biāo)志物等。

GETs的未來(lái)挑戰(zhàn)

要將我們的技術(shù)轉(zhuǎn)化為用戶友好型產(chǎn)品，仍有一些工程方面的挑戰(zhàn)需要克服。最重要的是，我們得弄清楚如何才能將這些智能電子文身集成到現(xiàn)有的電子網(wǎng)絡(luò)中。目前，我們只能將GETs連接到標(biāo)準(zhǔn)電子電路上，以提供電流、記錄信號(hào)并傳輸和處理信息。這意味著“佩戴”文身的人必須與一個(gè)微型計(jì)算芯片相連，然后該芯片再以無(wú)線方式傳輸數(shù)據(jù)。在未來(lái)的五到十年內(nèi)，我們希望將電子文身與智能手表集成在一起。這種集成需要一種混合互連的技術(shù)，以便將柔性的石墨烯文身與智能手表的剛性電子元件連接起來(lái)。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，我認(rèn)為二維石墨烯材料將用于完全集成的電子電路、電源和通信模塊。微電子巨頭，如比利時(shí)微電子研究中心（IMEC）和英特爾，已經(jīng)在研究用二維材料替代硅來(lái)制作電子電路和節(jié)點(diǎn)。

也許20年后，我們就會(huì)擁有可以與人體軟組織融為一體的二維電子電路。屆時(shí)，嵌入皮膚中的電子設(shè)備能夠持續(xù)監(jiān)測(cè)與健康相關(guān)的生物標(biāo)志物，并通過(guò)靈敏且友好的顯示界面提供實(shí)時(shí)反饋。這一進(jìn)展將為所有人提供一種便捷且無(wú)創(chuàng)的健康管理方式，有助于開(kāi)啟人類自我認(rèn)知的新時(shí)代。 0 資料來(lái)源IEEESpectrum本文作者德米特里·基列耶夫（DmitryKireev）是馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校助理教授，專注于可穿戴與植入式生物電子設(shè)備、生物傳感器等領(lǐng)域的研究