可穿戴生物傳感器能夠附在皮膚表面，實時監(jiān)測佩戴者的健康狀況和周圍環(huán)境。傳感器芯片配有數(shù)據(jù)讀出和信號調(diào)理電路，以及無線通信模塊，用于向計算機設備傳輸數(shù)據(jù)。

相關研究報告，該報告重點介紹了可穿戴傳感器的最新進展，包括先進的納米材料、制造工藝、基板、傳感器類型、傳感機理、讀出電路和無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋约翱纱┐骷夹g的未來應用和可能會面臨的挑戰(zhàn)。

在本文中，傳感器分為生物流體傳感器（可直接與人體接觸）和生理傳感器（需要集成在可穿戴設備或基板上），用于監(jiān)測身體各項指標以及外部刺激。可穿戴傳感器主要用于識別人體表皮組織液中的各種生物標志物，如葡萄糖、乳酸、酸堿度、膽固醇等，還可用于監(jiān)測脈率、呼吸、丙酮、乙醇、水分、溫度、運動/活動、壓力/應變、氣體等。

可穿戴電子產(chǎn)品的升級：3D打印、納米材料、柔性基板

通過設計經(jīng)濟高效的制造流程，以及選擇合適的非平面基板，來開發(fā)傳感器和電子設備，會讓其應用領域更加多元化。與體相材料相比，各種納米材料的靈敏度和加工性能都有了提高，這在很大程度上促進了傳感器的開發(fā)和使用。

近年來，可穿戴傳感器和電子設備開始用于實時監(jiān)測人的健康狀況。圖1顯示了近年來有關可穿戴電子產(chǎn)品應用的論文數(shù)量。

圖1：每年發(fā)表的論文數(shù)量，論文標題包括可穿戴電子產(chǎn)品

各種各樣的化學、物理和光學傳感器可以分別嵌入或者組合集成到具有數(shù)據(jù)讀出和信號調(diào)理電路的柔性基板上。

此外，數(shù)據(jù)可以被無線傳輸?shù)礁浇挠嬎銠C設備中或上傳至云端，并由醫(yī)學專家進行分析，他們會根據(jù)數(shù)據(jù)反映出的健康狀況給出相應指令。聚合物基板重量輕、成本低、柔韌性好，具有可彎曲性、可折疊性、可拉伸性，能夠適應不平整的表面，同時其造成的數(shù)據(jù)損失可忽略不計，由于這些特性，它非常適合用于傳感裝置和電路的制造。

根據(jù)目前的發(fā)展情況，可穿戴電子設備的應用趨勢在于：利用生物傳感器，監(jiān)測人體體液、生理活動和直接影響人類健康的周圍環(huán)境中氣態(tài)分析物。圖2是一些具有代表性的例子。

在醫(yī)療保健領域，可穿戴傳感器的開發(fā)面臨著許多挑戰(zhàn)，包括需要選擇合適的基板、制造技術和具有生物相容性的材料，以及如何確保同時監(jiān)測不同分析物、材料的耐洗性、讀出電路的不間斷信號等。最近，基于可穿戴基板的全有機生物相容性或混合傳感器的發(fā)展，使用于體內(nèi)監(jiān)測的可穿戴傳感系統(tǒng)成為可能。

圖2：具有代表性的可穿戴醫(yī)療傳感設備

如果在聚合物基板上開發(fā)可穿戴傳感器，就需要相應的制造工藝。該技術應該考慮到基板的化學特性和熱性能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)成本效益高的大規(guī)模制造。

打印技術是最具潛力的制造方法，它可以用最少的工序，就將液相合成的功能材料沉積在所需位置。由于在開發(fā)過程中，材料得到了有效利用，以及其按需打印的特性，都使這項技術更具競爭力。與傳統(tǒng)的硅基板相比，各種材料沉積在不同的基板上，能覆蓋更大的區(qū)域。

打印技術的主要優(yōu)勢在于：較低的材料成本、更少的工業(yè)廢物以及低成本的制造技術等。用于打印的墨水材料通常是溶解在合適溶劑里的納米分散劑，根據(jù)不同印刷技術的處理要求，技術人員會調(diào)整其流變特性。

由于納米材料具有更高的比表面積，因此非常適合用于制作傳感器。在柔性基板上打印電子元件擴大了傳感系統(tǒng)的應用領域，特別是可穿戴生物傳感器，它可用于實時監(jiān)測生物液體和生理活動。

在這一基礎上，打印可穿戴電子產(chǎn)品成了主要的發(fā)展趨勢。采用新技術將傳感器直接植入人體，或者以可穿戴設備的形式，來監(jiān)測各種與人類健康相關的生物標志物。

可穿戴傳感器：持續(xù)監(jiān)測健康狀況，改善醫(yī)療保健系統(tǒng)

可穿戴傳感器和電子產(chǎn)品發(fā)展迅速，特別是在健康監(jiān)測、娛樂、時尚等領域，引起了人們的極大關注。其中，研究的重點在于開發(fā)生物傳感器，它可以很容易地集成到可穿戴設備或基板上，用于持續(xù)監(jiān)測健康狀況。

研究人員預計，可穿戴傳感器可改善醫(yī)療保健系統(tǒng)。特別是對于老年人和慢性病患者來說，因為他們需要持續(xù)的監(jiān)測。圖3介紹了傳感機制，通過無線傳輸設備將可穿戴系統(tǒng)連接起來，然后將連接到人體的傳感器生成的原始數(shù)據(jù)進行處理并遠程傳輸給醫(yī)學專家。

這些傳感器大多用于監(jiān)測生物體液，特別是汗液，也可以選擇性地監(jiān)測葡萄糖、乳酸、膽固醇和酸堿度等。汗液傳感器還可用于檢測各種生物分子和鹽濃度。對于人類生理活動的監(jiān)測，如脈搏、水合/脫水、溫度、運動、壓力等，也值得關注。

通過分析呼吸狀況，也可以監(jiān)測生物標志物，因為它與呼吸速率、深部體溫、酒精含量以及呼出的揮發(fā)性有機化合物有關。大多數(shù)可穿戴生物傳感器有一個單獨的檢測部件，它能夠同時監(jiān)測這些不同的生物標志物，而無需醫(yī)生進行診斷。

利用具有生物相容性的材料和基板，可直接將傳感器=植入到人的表層皮膚，或者將傳感器整合到織入紡織纖維或作為可穿戴設備一部分的基板中。傳感和互連設備主要由液相合成的功能材料制成，這些材料在打印過程中很容易成型，這是一種非常經(jīng)濟有效的制造方法。傳感器與數(shù)據(jù)讀出和信號調(diào)理電路相連接，使數(shù)據(jù)最終能夠通過無線通信工具傳輸給計算中心或數(shù)據(jù)分析專家。

在大多數(shù)情況下，研究人員會選擇手持移動設備，作為監(jiān)控單個對象的計算工具。當需要分析多位用戶的數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)會被上傳到云端，生成專家意見后再傳回給用戶。

目前，在聚合物基板上打印傳感器的異構集成技術，引起了研究人員的關注，而現(xiàn)有的電子設備可以讓數(shù)據(jù)處理和通信過程更快，納米材料的最新發(fā)展使打印有相似基板的多功能傳感器成為可能。

圖3：通過可穿戴傳感器和數(shù)據(jù)傳輸監(jiān)測人體健康狀況的信號流程圖。

打印技術：制造過程更簡單、經(jīng)濟、高效

打印技術可用于在非平面基板上制造傳感器和電子設備。其中涉及使膠體或化學溶液中的功能材料沉積到特定位置。整個過程所需工序遠少于標準的微細加工技術。

打印是一種“自底向上”的制造方法，即在生產(chǎn)過程中逐層添加材料。與傳統(tǒng)的微細加工技術相比，這一特點使打印成為一種簡單且經(jīng)濟高效的方法。根據(jù)打印介質(zhì)與目標基板是否接觸，打印技術可大致分為兩類（圖4）。

在接觸式打印中，操作人員將已經(jīng)設計好表面結構的打印介質(zhì)進行上墨，并與目標基板進行物理接觸。這種技術可用于絲網(wǎng)印刷、凹版印刷、柔版印刷、移印、轉(zhuǎn)印等。

在非接觸式打印中，打印頭會將材料以微滴或連續(xù)噴射的形式噴出。這是數(shù)字化制造的一種技術，因為液滴會根據(jù)各自的驅(qū)動機制按需噴射出來。這種技術主要用于壓電噴墨印刷、電流體噴墨印刷、氣溶膠噴印等。非接觸式打印更具優(yōu)勢，因為它利用了計算機軟件，能快速更改設計結構，因此用途更加廣泛。

此外，這一技術有望改善卷對卷(R2R)印刷工藝。通過安裝不同的印刷和固化/燒結系統(tǒng)，作為通用平臺的R2R，可用于快速、大批量生產(chǎn)電子元件。但是，對于全打印或半打印傳感設備和系統(tǒng)來說，以上提到的每一項技術或工藝都至關重要。

圖4：具有代表性的接觸式和非接觸式印刷技術

可穿戴傳感器的基板：選用具有生物相容性的惰性材料

基板會影響傳感器的物理、機械和電氣特性。可彎曲性、可折疊性和可拉伸性的程度決定了基板是否能與非平面表面相結合，這是可穿戴電子系統(tǒng)的核心要求。厚度最小的聚合物薄板可作為理想選擇。

聚酰亞胺、聚氨酯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯萘、聚二甲基硅氧烷等，都是常見的聚合物基板材料。它們的化學惰性、熱絕緣性和電氣絕緣性，使這些聚合物基板成為制造傳感器和電子設備的理想材料。

用于制造皮膚傳感器和基板的材料必須具有生物相容性，最近，相關人員正在利用聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、聚乳酸和纖維素來研制聚合物基板。此外，一些紡織材料做的非傳統(tǒng)型基板也開始應用于可穿戴電子設備。

傳感器用于生物標志物識別：葡萄糖、乳酸、酸堿度……

可穿戴傳感器分為兩大類：第一種是直接貼在皮膚上的傳感器，用于檢測體液（如汗液）中的生物標志物。第二種是監(jiān)測生理活動的可穿戴傳感器。圖5顯示了報告中所涵蓋的具有代表性的可穿戴傳感器類型。每一小節(jié)都對不同傳感器的幾何結構、材料、制造技術和傳感機制作了簡要介紹。

生物液體傳感器可用于識別人體表皮組織液中的各種生物標志物，如葡萄糖、乳酸、酸堿度、膽固醇等，以及監(jiān)測脈搏、溫度、呼吸速率、血液酒精濃度等生理指標，在醫(yī)學診斷和健康監(jiān)測方面具有潛在的應用前景。

圖5：本報告中所涵蓋的具有代表性的可穿戴傳感器類型

在可穿戴電子產(chǎn)品中，汗液傳感器可用于檢測與人類健康風險相關的不同分析物的濃度。汗液是在特定情況下排出的體液，含有幾種與人體健康狀況有關的分析物，如鈉、氯化物、鉀、碳酸鹽、氨、鈣、葡萄糖、乳酸等。這些分析物在血液、唾液、淚液和汗液中的含量，可作為主要的生物識別物質(zhì)，用于評估人體健康狀況。

汗液傳感器可以貼在皮膚上，而且一次性傳感器貼片可以進行更換，這種操作簡單的無創(chuàng)式傳感器很適合作為可穿戴產(chǎn)品。現(xiàn)有的大多數(shù)可穿戴傳感器都用特定的酶進行了功能化處理，以提高對特定分析物的選擇性和敏感性。在可穿戴領域，各種生物液體傳感器的應用廣泛，其中最主要的包括葡萄糖傳感器、酸堿度傳感器、乳酸傳感器、膽固醇傳感器等。生理活動傳感器則分別用來監(jiān)測脈率、呼吸、丙酮、乙醇、水分、溫度、運動/活動、壓力/應變、氣體等。

前景展望：應用廣泛，但仍面臨多方挑戰(zhàn)

目前，可穿戴傳感器領域發(fā)展迅速，已經(jīng)取得了顯著成果。這種非侵入式的方法可以用來持續(xù)監(jiān)測人類的健康狀況，而且不僅僅局限于慢性病患者，此外，它在健身、娛樂、時尚等領域也有廣泛的應用。

通過利用打印技術處理液相合成的納米材料，能制成各種帶有柔性基板的生物傳感器，使制造過程更具成本效益。越來越多的可穿戴傳感器用于識別皮膚分泌的體液中的生物標志物，以及持續(xù)監(jiān)測生理活動，這表明了它在生物醫(yī)學領域的應用前景。

可穿戴傳感器和系統(tǒng)有望顛覆醫(yī)學診斷領域。然而，它的發(fā)展仍面臨著多種多樣的挑戰(zhàn)，從制作工藝、材料、基板、信號讀出電路到選擇性、多功能性、同時監(jiān)測性以及人類對這些傳感器的適應性，這些都是未來需要解決的問題。將高級納米材料與聚合物基板相結合，是研發(fā)適形電子設備的關鍵。

聚合物基板的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度較低，阻礙了密集型集成器件的開發(fā)，這種器件擁有無機半導體材料做成的傳感薄膜。因此，液相合成法被用于傳感器的開發(fā)，從而在轉(zhuǎn)變溫度較低的情況下，制造較大型的設備。此外，由于不同材料的集成需要不同的制造工藝，如何將不同材料集成到多層設備結構中，也是需要考慮的問題。

材料和基板的生物相容性對于可穿戴電子產(chǎn)品來說十分重要，尤其是植入皮膚/表皮的傳感器。材料的物理、機械和化學特性需要和基板的特性匹配，以避免在熱學、電學和多層集成上出現(xiàn)問題。可吸收生物材料和基板有望用于開發(fā)植入式電子產(chǎn)品。

可穿戴電子產(chǎn)品的實際操作也面臨一些挑戰(zhàn)，即需要特殊條件和傳感器的預處理，來提高靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性和檢測極限等。其中一些處理方法，例如在氣體傳感器中使用微型加熱器進行局部加熱，或利用化學處理來恢復初始狀態(tài)，在傳感器整合到可穿戴設備上的情況下，都是沒有效果的。

同時監(jiān)測多個分析物也具有挑戰(zhàn)性，因為不同傳感器之間的串擾會影響其選擇性檢測。此外，在長時間保持相同的操作水平時，增加傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和無線信道的密度將需要更多的電力支持。在這種情況下，選擇持久耐用的可穿戴電池、超級電容器、高效太陽能電池和燃料電池等，能保證整個系統(tǒng)順利運行。此外，還需要開發(fā)方便高效的通信工具/信道和制定相關的網(wǎng)絡協(xié)議，保證傳感器節(jié)點和計算設備之間數(shù)據(jù)的流暢傳輸。

研究人員還需考慮到數(shù)據(jù)安全的問題，因為整個過程涉及穿戴者的大量個人信息。網(wǎng)絡攻擊或操作不當導致的安全漏洞，可能導致對個人健康狀況的錯誤分析，從而產(chǎn)生嚴重后果。因此，需要制定一種包容性研究策略，來應對這一跨學科領域的挑戰(zhàn)，積極的合作研究將在這些新型傳感器的商業(yè)應用中發(fā)揮重要作用。