独立的汗液传感器提供即时读数

加利福尼亚大学圣地亚哥分校的工程师开发了一种薄、灵活且有弹性的汗液传感器，只需按一下手指，即可显示您汗液中葡萄糖、乳酸、钠或 pH 值的水平。它是第一款允许传感器独立运行的独立可穿戴设备——无需任何有线或无线连接到外部设备——直接可视化测量结果。

10 月 6 日在Nature Electronics上发表的一篇论文中报道了这种完全集成的软皮肤贴片，反映了可穿戴传感器的最新技术水平。

这个小圆盘形贴片的独特设计包括可穿戴传感器所需的所有基本组件：两个集成电池、一个微控制器、传感器、电路和一个可拉伸的显示器。这涵盖了操作可穿戴传感器所必需的所有功能，从通电到向用户显示结果。

“我们正在努力解决可穿戴技术的实用性问题，”共同第一作者、加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院纳米工程博士后研究员 Lu Yin 说。“我们已经看到了很多可穿戴传感器的发明，它们非常新颖，但实用性有限。”

工程努力的集合

除微控制器外，所有组件和互连都是使用定制的弹性体墨水制造的，可以使用低成本和高通量的丝网印刷将其印刷到可拉伸的聚合物片材上。

“这需要每一个工程行业走到一起，”尹说。“你需要传感器、显示器、电池、电路设计、固件工程方面的专家，让这个小补丁中的每个模块都能正常工作。它们的集成还需要电化学、电子工程和材料科学方面的知识，以确保所有部件保持可拉伸、可靠和兼容，以作为一个系统无缝协同工作。”

该设备的制造涉及九种不同的可拉伸墨水的配方，用于打印电池、电路、显示面板和传感器。该设备被逐层打印在可拉伸的聚合物片材上，然后与水凝胶和微控制器芯片组装成完整的设备。每种墨水都经过优化，以确保其与其他层的兼容性，同时平衡其电气、化学和机械性能。

在这项研究中，研究人员对系统的每个组件进行了压力测试，确保显示器、传感器和电池可以在 1500 次循环中拉伸高达 20%，而对其性能几乎没有影响。电池还装有足够的电量，以确保贴片可以持续使用一周以上的不间断使用。

为了展示该贴片的广泛应用可能性，研究人员展示了与该贴片一起使用的四种不同类型的传感器：钠传感器、pH 传感器、乳酸传感器和葡萄糖传感器。每种传感器类型在运动期间测量汗液中的不同指标。

“添加柔性显示器和可拉伸电池对实用的表皮微尺度传感平台产生了巨大影响，”加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授 Joseph Wang 说。他是新论文的资深作者，也是加州大学圣地亚哥分校可穿戴传感器中心的联合主任。

研究小组还包括一个由粘合剂制成的流体通道，用于将贴片粘附到皮肤上并引导汗液流过传感器。贴片上包含一个小型开关机制，只要用户按下开关，被测化学物质的浓度就会立即显示在显示屏上。

显示器可以快速改变颜色以显示汗液乳酸浓度。图片来源：加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的 Lu Yin。

可穿戴屏幕上的快速可视化

为了可视化来自传感器的数据，作者设计了一种特殊类型的非发光显示器，称为电致变色显示器。电致变色显示技术使用在施加电脉冲时会改变颜色的材料，具有非常低的功耗。

“这是一种相对较新的技术，你现在可以在建筑物和一些飞机上的变色窗户中看到它。但挑战在于让它与贴片其余部分的柔软、可拉伸的外形尺寸兼容，”尹说。“典型的电致变色显示器需要带有导电但易碎涂层的透明玻璃面板，这不适用于我们的设备。”

相反，研究人员转向了一种名为 PEDOT:PSS 的特殊聚合物，它既具有导电性，又具有电致变色特性。施加负电压时聚合物会从浅天蓝色变为深海军蓝色，施加正电压时会变回。通过使用 PEDOT:PSS 调整墨水配方，我们可以使其既可打印又可拉伸。”

研究人员设计了一个由 10 个独立像素组成的显示面板，该面板被编程为通过打开不同数量的像素来显示化学物质的浓度。在优化了显示器的运行条件后，每个像素可以可逆地开启和关闭超过 10,000 次循环，足以满足其一周的运行时间。

像素只需 500 毫秒即可改变颜色，在此期间它们平均消耗 80 微瓦的功率。由于它不需要电源来维持显示的结果，因此显示器的应用非常节能。

下一步

目前，该贴片不可充电，一次只能与一个传感器配合使用。该团队旨在开发更先进的集成传感器版本，使电池可以充电，甚至可以从体内收集能量，以延长可穿戴贴片的使用寿命。还可以将皮肤佩戴的多路复用传感器(同时测量多个生物标志物)添加到系统中，以提供用户生理状态的全面视图。

“这是在开发实用且用户友好的可穿戴电子产品方面向前迈出的一大步，但这只是一个开始，”尹评论道。

标签：