我们的可穿戴设备的未来，第二部分：新技术将如何运作？

作者：Jerilyn Covert

这是关于可穿戴技术的未来的两部分系列中的第二部分。第一部分（在此阅读）探讨了未来的可穿戴设备将是什么样子，以及它们将完成什么。

2022年8月23日 - 拿起你的智能手机。是的，你已经握过它一千次了，它就像你的手的延伸。但让我们做一个实验。抓住它的两端，把它伸到最远的地方。现在扭动它。把它缠绕在你的前臂上。很酷，对吗？现在让它缩回去。

等等，你说你的手机不会弯曲和伸展是什么意思？

这个小小的想象力练习说明了可穿戴设备领域的可能性--我们贴身或戴在皮肤上的电子设备。今天，智能手表和手机仍然是坚硬、不灵活的塑料和金属块。明天，这一切都将改变。

"北卡罗来纳州立大学电气工程教授兼ASSIST中心主任Veena Misra博士说："在可穿戴设备中，灵活性、可拉伸性和可清洗性都是关键要求。

"米斯拉说："我们正看到这些类型的全面发展，"你可以从可穿戴设备的[研究]论文数量中追踪到这一点。这个数字正在以指数形式增长。"

我们倾向于认为可穿戴设备是有趣的消费小工具，但越来越多的学派认为它们将极大地改善医疗保健--为预测不良事件和密切跟踪疾病提供持续、长期的监测工具，改善全世界的治疗和健康结果。

为了实现这一目标，可穿戴设备必须与我们的身体无缝连接。这意味着使传统的坚硬的设备和系统更像人类的皮肤--柔软、可弯曲和可拉伸。

如何做到这一点呢？通过在分子水平上重新设计电子器件，使传感器小型化，并创造前所未闻的电源，以支持工程师所说的类似皮肤的 "外形因素"。

用一句话来说，这不是科幻小说。就在我们说话的时候，它正在发生，这些进步将创造的新产品--可能从医疗保健开始，并跨越到消费者健康市场--可能变得像你无法放下的那个笨重、不灵活的手机一样正常。这就是原因。

为什么外形因素很重要？

一个符合你身体的可穿戴设备在两个关键方面是更好的。它对用户来说不那么碍事，而且它可以进行更可靠的测量。

"北卡罗来纳州立大学和ASSIST的电子工程师Alper Bozkurt博士和Misra的同事说："传感器和传感器系统很多时候都受到机械不匹配的影响。"如果你有四处移动的软组织，但有一个不四处移动的刚性传感设备，你的测量可能不可靠。"

这是因为所有这些在设备和你的身体之间的额外撞击都显示为 "噪音"--无意义的信息，可能会扭曲测量结果，并可能导致错误的结论。

然后还有 "人的因素"，Bozkurt指出--合规性问题。

"挑战之一是，我们在实验室里设计东西，测试一切，并把它带给我们的医疗操作员，他们扬起眉毛说，'不，我的病人不会穿这个'，"Bozkurt说。"如果不解决合规性问题，你就无法想象可穿戴设备的未来"。

Bozkurt说，人们希望有一个舒适的设备，不显眼，而且不需要什么互动。"我们称其为穿上就忘"。你可以把这比作穿戴创可贴--当然，你偶尔会注意到它，但大多数情况下它会淡出背景，不会干扰你的日常工作，别人甚至不会注意到它的存在。

北卡罗来纳州/ASSIST团队的成员Michael Daniele博士指出，一块手表可能看起来足够舒适，但其应用却超出了手表所能实现的范围，他研究软纳米材料以设计监测、模仿或补充身体功能的设备。

他说，正在开发的可穿戴设备是为了帮助病人，甚至以 "病人的舒适度为优先 "的方式来治疗他们。

他说，以在下肢假体插座中使用电极和电子设备为例。"想象一下，几颗金属螺丝钉压在你的肢体上，你用它来支撑你所有的重量，或者想象一下，你的鞋子里装满了一系列的石头。这就是这样一个用户的可穿戴设备的状态。"

好吧，那么你如何使电子产品变得柔软和有弹性？

一种方法是将用于监测健康的硬物--如硅芯片--做得很薄，使其变得灵活。2011年，约翰-罗杰斯博士在一篇题为 "表皮电子 "的标志性科学论文中，率先在类似皮肤的可穿戴设备中展示了这种材料技术。

罗杰斯说："我们在这个领域已经相当活跃了好几年，"他当时在伊利诺伊大学，后来转到西北大学。"但后来我们意识到，即使是硅--大多数人认为它是一种非常坚硬、易碎的岩石状材料--也可以被制成各种形式和形状，而且其厚度允许它被弯曲和......甚至被拉长。"

罗杰斯，他的团队有几个正在开发的应用，使用蚀刻技术来刮掉半导体晶片的表面。

"他说："事实证明，这些集成电路的所有动作都发生在那个非常接近表面的层上。"下面的所有硅只是作为一个机械支撑。

罗杰斯解释说，那个关键层然后被嵌入到一个弹性聚合物矩阵中，使他们能够设计出能够弯曲、扭曲和拉伸的全功能系统。

还有一些人使用不同的方法，用固有的柔软和弹性的材料--聚合物，从头开始建造电子部件。这就是斯坦福大学化学工程师Zhenan Bao博士所做的工作，他使用一系列具有导电特性的聚合物。

"鲍说："在我们的工作中，我们对如何设计塑料分子，使其具有我们想要的功能和特性获得了基本的理解。对于类似皮肤的电子产品，塑料被设计为--在分子水平上--具有导电性、弹性和柔软性。

Bao实验室的最新成果之一是一种可以发光的聚合物，可以实现皮肤般的视觉显示。她想象着一个直接带有显示屏的皮肤贴片，或者更进一步，在远程医疗预约中，医生可以通过一个三维的、栩栩如生的显示屏看到和感受到病人的皮肤纹理。例子。Bao说，检查心力衰竭患者的严重水肿的一种检查方法是按压皮肤，看它是否反弹。病人将在他们的腿上缠上一个电子贴纸，然后按压它，为场外的医生生成一个显示屏。她说："医生将能够在显示屏上感受到病人所感受到的皮肤纹理，"她说--从远程位置。

"当然，这仍然很遥远，"Bao指出。"但这就是我认为可以通过类肤显示和传感器实现的可能性。"

更多疯狂的进展。液体金属、等离子体结合、化学传感器

还有其他的发展正在继续。液态金属的进步使得可拉伸的导电线成为可能。基于纺织品的防潮天线可以在贴近皮肤的情况下传输数据。像水蒸气等离子体粘合这样的方法将薄金属附着在柔软的聚合物上，而不会失去灵活性，也不会使用会损坏超薄电子产品的高温和高压。

传感器也在改进--那是与你试图测量的东西互动的部分。大多数商业可穿戴传感器是机械的（用于跟踪身体活动）或光学的（心跳，脉搏血氧仪）。但化学传感器正在开发中，以测量身体的内部标志物。加州大学圣地亚哥分校的科学博士和纳米工程教授Joseph Wang说，这些对于揭示你的健康的全貌至关重要，他发表了关于生物传感器和可穿戴设备的研究。

例如，乳酸的上升和血压的下降可能意味着你有败血症休克。测量钾含量可以提供有关心率变化的信息。而将血压和葡萄糖的测量结合起来，可能比任何一个单独的测量更能显示出代谢健康的情况。"Wang说："如果你把它们结合起来，你会得到更好的证据。

这就是新技术可以变得非常怪异的地方。Daniele说，化学传感器由一些最奇特的纳米材料制成，包括石墨烯、碳纳米管和金纳米粒子。有些（尤其是葡萄糖传感器）使用与目标分子结合的酶。其他的则是使用适配体，即短的DNA或RNA单链。

化学传感器通常使用体液，如汗液、唾液、眼泪，或者--如连续葡萄糖监测仪的情况--间质液（你体内细胞间的液体）。

"辛辛那提大学电子工程教授Jason Heikenfeld博士说："如果你拥有传感器技术，你想在血液中测量的大多数东西都能在间质中进行。试想一下，只需戴上一个皮肤贴片就能完成全面的血液检查，不需要血样。

Heikenfeld还研究了汗液，它似乎对测量荷尔蒙水平（如那些调节压力、性和睡眠的荷尔蒙）和处方药监测很有用--也就是说，监测体内药物的水平并跟踪它的代谢速度，他说。

Heikenfeld说，汗液传感器也可能在家庭测试中找到一席之地。"他说："如果有一个生物液体的人民选择奖，汗液将获胜。"我们不想做血液，不想在杯子里流口水，不想用尿液棒捣乱。泪水，算了吧。测试将是一个简单的补丁，你拍在你的手臂上；收集一些液体，把它放在一个信封里，然后把它寄给实验室。"

可穿戴电源。超越AA电池

如果你想创造一个可伸展的、灵活的电子设备，你将需要一个可伸展的、灵活的、甚至可清洗的方式为其供电。今天的许多可穿戴设备，如智能手表，是由非常小但仍然僵硬的电池供电的，Bao说。因此笨重的形式。

"她说："对高能量密度、真正的柔性电池当然有很大的需求。

这种需求促使全球各地的研究人员开发能够伸展和弯曲的电池。仅举几个最近的例子，加拿大的研究人员开发了一种灵活的、可清洗的电池，可以拉伸到原来长度的两倍，并且仍然可以发挥作用。在新加坡，科学家们创造了一种薄如纸的可生物降解的锌电池，你可以弯曲和扭曲，甚至用剪刀剪开--就像任何一张纸--它仍然可以工作。还有一些人正在将电池设计成长条状，可用于智能服装。

另一个选择是无线供电，Bao说。电池不需要在设备中--它可以在你的衣服或口袋中，仍然为传感器供电。Bao在斯坦福大学的实验室已经开发了一种名为BodyNet的贴纸式可穿戴设备，可以使用射频识别技术进行充电，该技术与控制无钥匙进入上锁房间的技术相同。

还有一些人--如米斯拉和她在ASSIST的同事--正在探索电池的替代方案，如能量采集，或将身体的热量、太阳能或运动转换为电能。

米斯拉正在研究一种能量发生器，它可以将你的皮肤和房间之间的温度差转化为能量，为设备供电。"她说："你的皮肤温度，比如说，98.6度，。"你房间里的温度可能是大约70华氏度。而这28度的温差可以落在一个叫做热电发电机的设备上，它可以将这种能量差转化为电能。"

试想一下。再也不用担心电池坏掉、弄湿或必须充电了。"你的身体就是电池，"米斯拉说。

下一步是什么

Misra说，为了使可穿戴设备真正发挥其全部潜力，所有的部件都必须变得更加省电，并组合成一个灵活、可拉伸的包装。它们还必须被设计成让数百万甚至数十亿人愿意穿戴它们。

同样重要的是。准备用于医疗领域的设备必须提供高质量的数据。如果收集的数据不是黄金标准，那有什么用呢？而所有这些数据都需要转化为有用的信息。这就是数据分析、机器学习和人工智能发挥作用的地方。"这些不是无法解决的问题，"Misra说，"但它们是令人兴奋的问题，很多社区都在努力解决。"

一句话。我们的可穿戴设备的未来已经在路上了。