Göran Gustafsson看着川流不息的车流，思考着这样一个问题——汽车生产装配生产线还没出生，汽车老化模型已经早早的建立了。现代的汽车装备了尖端的传感器，计算机和先进的通信系统，这些先进装备传感器在汽车还未发生严重故障的时候就开始发出警报，提醒人们需要前往修理厂对汽车进行保养修理。所以现在的汽车行业非常的成熟，没有可以让汽车工程师惊讶的灾难性故障。
想到Göran Gustafsson产生了这样一个联想“为什么我们不用这样一种看问题的眼光来看待我们的身体呢？”Göran Gustafsson是瑞典电子公司Acreo工程师，位于Kista（世界上规模仅次于美国硅谷的高科技园区）。世界各地许多科学家尝试把这样的设想成为可能，他的团队就是其中的一个。
与其等到健康问题严重到要去医院才能被发现得到治疗，可能已经错过了最佳的治疗时期，汽车在行驶过程中，如果轮胎气压不足，油箱储油不足都会给驾驶员发送提醒，那么Göran Gustafsson就想到人的身体是否也可以像汽车一样，在身体中装备传感器，产生预警系统，防病于未发。
Göran Gustafsson目前已经研发出皮肤表面和植入式传感器，这些传感器可以连接设备，也可以独立运作。世界上的其他团队研发出皮肤补丁式传感器用于检测动脉硬化，预知心脏病发作。此外还有检测癫痫发作的装置，并自动提供药物直接影响大脑的区域。
这些新一代的设备将人体组织和功能相结合，而不是孤立作用的设备：如起搏器和一些已经在人体使用的其他电子设备。但这种整合的工作是非常的不容易的，尤其对材料科学家，他们必须从根本上缩小电路，使柔性电子产品，不易被组织觉察，并找到创新的方法来与身体链接在一起。实现Göran Gustafsson的愿景：每天通过设备监控和治疗身体，需要新的能量来源和新的信息传递方式。
柔性可穿戴设备可以防病于未发，及时预防和得到治疗，降低医疗成本，吸引了众多科学家的目光，John Rogers说。柔性可穿戴设备目前有三条途径，科学家可以开展合作。
来自美国伊利诺伊大学的材料学家John Rogers表示：“目前研究学者们仍旧致力于改善医疗保健与降低成本并驾齐驱。由手持智能手机和可穿戴设备的发展可自然而然衍生到研发植入身体里的传感器，并且他们最终将与我们的身体紧密结合”。
深层表皮
制备可穿戴性设备首先是要将无线传感器直接安装在皮肤上，用于获得一系列生命体征数据。Rogers研究组已经开发了多种“表皮电子产品”。这种布满传感器的柔性可生物降解贴片在使用过程中，消费者几乎难以察觉其存在。该贴片同样采用常规硅电子设备，但是更薄、更柔软。其采用可伸缩、扭转和弯曲的S型天线从周围磁场或无线电波中汲取能量。这种波浪形几何材料可随人们身体变化而产生相应形变，类似于手风琴风箱。
位于马萨诸塞州莱克星顿的MC10是Rogers等合资创办的一家分公司，其将于明年推出一款BioStamps产品。该产品可用于检测心脏电活性，水合作用，体温以及曝露于紫外光下的情况。目前他们面临的实际指标是医疗方面，其临床实验结果即将揭晓。
与Rogers等研发的小型贴片相比，日本东京大学TakaoSomeya工程师制备了一种尺寸规模更大的传感器负载式电子皮肤。其厚度仅约1μm，轻如羽毛但又很坚固，足以应对人体手肘或膝盖运动状况。该电子皮肤可提供有关温度数据—加热伤口用于检测感染情况—水分，脉搏和血液中氧气浓度。他所采用的制备方法如下：在硅片上构造沟槽，使用本身就很柔软的有机碳基聚合物组分及其它材料。将有机电路印制于塑料膜上可以降低其成本，使其更易于大规模生产。该产品用途广泛，适用于高温和水性环境。
来自加利福尼亚斯坦福大学的ZhenanBao工程师受此启发，在膜层之间夹杂了一层微米级金字塔状橡胶，从而制备了一种超薄压力传感器。即便是轻微触碰，也会使得金字塔尖端受压，改变薄膜之间的电流。该传感器可作为心脏监测器，追踪压力波穿过动脉的速率，反映血管硬度，预测心脏病发作。去年，美国食品和药物管理局已经批准：晚期心脏疾病患者可植入无线压力传感器，而Bao制备的传感器可在皮肤表面完成相似工作。
研究越深入，所面临的问题越多。来自英国剑桥麻省理工学院（MIT）的化学工程师MichaelStrano表示：我们所希望的理想型皮下传感器不仅应该无毒，而且需要足够稳定性，以保证其能在体内工作数年，此外如果有需要的话，还应当具备生物相容性，这就意味着它们不会引起人体的免疫反应。然而目前最新的产品都还不能满足这些要求，从而严重限制了一些用于检测糖尿病患者体内葡萄糖含量的先进、实时传感器的应用。
为了脱离这一瓶颈，Strano实验室合成了多种长效检测器材料。这些材料可与水基凝胶共混，然后像纹身一样注入皮肤。该材料由包覆有聚合物支链的碳纳米管构成，其化学结构类似于锁-钥匙形态，因此可以通过限定与之对接的分子来实现生物标记识别。当生物标记物与聚合物结合时，它们会轻微改变纳米管的光学性质：当用一束光照射材料时，出现的辉光就意味着生物标记物的存在。
Strano课题组将此碳纳米管传感器应用于检测血液中的一氧化氮—一种可以检测感染甚至癌症的炎性标记物。目前他们也正在研究葡萄糖和皮质醇，这是一种应力型生物标记物，可用于检测创伤后应激障碍症和焦虑症。就Strano所知，这种一氧化氮传感器可在小鼠体内工作400天，是目前持久性最强的植入式化学传感器，并且不会引起任何免疫反应。这是其它类型传感器所无法比拟的。Bao表示：对于电子材料，尤其是塑料材料和有机物，其长效性未知。
现在，Strano携手MIT另一位工程师DanielAnderson正在研究可将传感器与药物输送体系结合在一起的设备。他们希望采用由同事RobertLanger开发的芯片来响应外在一系列刺激，从而使得包裹在聚合物微胶囊里面的药物相应地释放出来。芯片药物输送体系的第一例人体实验（无传感器）于2012年开展，参与者为8名患有骨质疏松症的女性。
要想让这类设备能够准确可靠地检测疾病以及自动治疗，仍需假以时日。不过这并不包括糖尿病，因为该病已经得到了广泛研究。虽然Strano等研发的设备可针对性地与其目标分子结合，但它们存在的最大问题仍然是：就健康而言，生物标记物检测信号的波动性实际上意味着什么。该团队现在也在为生物体内的生物标记物建模，以期确定传感器的安装点以及它们获取有用信息的最佳反应速率。来自Linköping大学的电子工程师MagnusBerggren表示：通常你需要依赖多种不同传感器参数来进行决策，而这远不是一种化学组分过度表达所能完成的。
运动对象
一些研究学者们对人体的研究更为深入，因此对于他们来说，柔软性和生物相容性至关重要。如果一个硬的传感器与运动着的器官（心脏，脑等）发生摩擦，当该生物体呼吸时，细胞会发生轻微偏移，体内的瘢痕组织壁就会迅速包围该细胞。若传感器与体内器官相对而行，在任何情况下，其所得出的结果都是不可靠的。
法国École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne生物电子学工程师George Malliaras及其同事也是众多研究柔软型传感器的团队之一。该类传感器目前常用于跟踪癫痫病或帕金森氏患者脑中的独特脑电波模式。其主要成分为有机、导电聚合物，可对化学信号—离子流动产生电流模式做出响应，因此不仅提高了设备灵敏度，而且还可以让研究人员“以一种全新的方式了解生物学”。
该团队研发的最新设备已经应用于小鼠和人体癫痫病试验，结果表明其可以检测到单个神经元的放电情况。若反应进程逆向进行，该传感器又可用于输送药物。有机电子离子泵装置可对施加电压产生响应，迫使药物—小的带电粒子—从存储器里释放出来。联合Linköping大学工作小组及法国马赛健康与医学研究所，Malliaras研究组将他们的传感器（用于癫痫病）与离子泵耦合，通过释放药物到脑部发病部位对癫痫发作进行响应。Berggren 和 Linköping工作组也已经采用类似方法开发了一款“疼痛起搏器”，其可将镇痛药直接输送到脊髓部位。
后续发展
所有的电子设备都需要电力供应，也因此限制了其发展。贴近皮肤的传感器设备可以结合接受无线电的天线在外源环境附近一起使用，但植入于体内较深部位的传感器一般需要使用电池，其占用空间大，且需要更换。另外一些传感器设备，例如Berggren研发的疼痛缓解泵则需要电线呈螺纹状分布在组织上面—该排列方法既麻烦又容易导致感染（详见“有线生活”）
为了解决这一难题，亚特兰大佐治亚技术研究所的纳米科学家王中林耗费数十年收集研究人们在行走甚至是呼吸时所产生的微量机械能，旨在利用人体运动发电。其最新的设计是利用长期被人们视为干扰的静电来将吸气和呼气运动产生的动能转换成可以启动起搏器的电能。该发电机具备两种不同聚合物材料表面，分别夹在电极之间，并最终接入电路中。当用户呼吸时，两表面会不断接触与分离，交换电子，这种情况类似于用气球摩擦羊毛，聚集的电荷会在导线中产生电流。王表示：无论是呼吸，还是来回上下运动，都可以发电。
从2014年开始，王就将该体系应用于小鼠实验上。结果显示约几张纸厚度的传感器设备可以产生数十毫瓦的能量。现在他们将其应用在猪身上。
Rogers研究组已经利用镁和其他金属电极制备了一种生物可降解电池，其在低浓度条件下是安全的，并会缓慢溶解于体内。Rogers说：“有些设备你需要它们一直留在病人体内，而另外一些只是暂时性的”。
个人隐私
这项技术可能会带来革命性的变化，但是利用有线设备将数据传递至外部计算机或医疗中心所面临的“黑客”问题已经严重困扰了可穿戴行业。Someya表示：当半导体芯片植入体内后，黑客就会构成严重威胁。
解决方法之一是在设备本身进行数据分析，减少无线电波输送量。或者是完全避免无线电传送。在一项尚未发表的研究工作中，一瑞典研究团队已经开发出了一种人体内联网设备。其利用体内水作为传导线，在低频率下传输信号。为了实现各设备（或设备与智能手机）之间的信息传递，用户必须用手物理接触该物体，从而使得产生的信号耗能低且私密，避免了数据传输频率的拥堵。Berggren表示：信号传输与曝露都仅仅发生在体内。该体系可在电子设备之间交换数据，然后通过人体发送到智能手机上。并且很快将会应用到皮肤传感器上。
Malliaras指出：无论设备有多好，新材料的先驱者都将会面临医疗管制的冲击。一些害怕设备故障的化学供应商担心会摊上法律诉讼，因此减缓了新材料的应用。
Berggren及其Acreo的同事率先尝试通过人体线路连接一系列设备，但是，他们也欣然承认：要使该愿景梦想成真，需要企业、研究团队、保险公司以及卫生保健提供者多方面的参与。他们所面临的挑战是要将所有的一切融合在一起，虽然在汽车行业，这方面的成果很突出，但是能否适用于人体上仍然是个大问题。Berggren坚持该想法绝对值得尝试，同时Malliaras也赞同该想法：通常一辆车使用寿命不超过十年，而人体存活寿命长达八十或九十年，因此更加珍贵。
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高分子材料编辑部
翻译：Spcl and Xiang
来源：Nature 528,26–28
03 December 2015
doi:10.1038/528026a
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