MIT青年榜评高伟：监测汗液传感器入围“发明者”榜单

   之前，美国加州大学伯克利分校博士后高伟心里藏着一个想法：如果有一个可以检测人体日常健康的传感器就好了，这样人们可以及时了解自己的健康问题。30岁出头的高伟在徐州农村长大，他经历过姥姥的遽然离世，是脑血栓，当天晚上就不认识任何人了，几个月后去世。

　　现在，他在见证这个想法变成现实，由他领衔研发的全柔性汗液传感器问世。这款可穿戴的传感器外形如同运动防汗带，集结了配有蓝牙的印刷电路板、直径3毫米的5枚传感器、可以支撑10个小时使用时间的锂电池，通过检测汗液，来获取身体信息，并把数据无线传输至手机上的APP。

　　8月，《麻省理工科技评论》年度青年英雄榜揭晓，高伟凭借这款汗液传感器，入围“发明者”榜单，成为上榜的6位中国人之一。

　　

　　高伟

　　每年，全球会有35位35岁以上的“世界杰出青年创新家”入选这个榜单，高伟的博士后导师Ali Javey在7年前是入围者之一。今年，Ali Javey向《麻省理工科技评论》提名高伟。高伟说，他在学术界和科技界的很多偶像都曾榜上有名，如今他的履历里也添加了这个奖项。

　　相继在华中科技大学和清华大学完成学业后，高伟赴美国加州大学圣迭戈分校攻读博士学位，2014年又至加州伯克利分校开始博士后研究，也就是从这个时候开始把汗液传感器作为研究方向。

　　

　　可穿戴的汗液传感器 高伟 图

　　可穿戴传感器正成为潮流，高伟也认为它会在未来个性化医疗中扮演举足轻重的角色。但和市面上已经有的检测心率、体温等物理活动和生命特征的传感器不同，高伟向笔者介绍，这款汗液传感器的最大亮点在于从分子层面来检测健康，也就是说，利用人体体液中化学成分的含量来反映生命特征。

　　几微升汗液，无创检测疾病

　　用体液来检测身体情况很常见，医院的化验大多依靠各类体液。但高伟的想法是日常的，无需去医院进行的检测，这意味着优先选择无创的检测。这样一来，带有身体信息的血液被排除在外，获取血液意味着会有创口，对日常的实时检测来说并不实际。除此之外，还有什么体液，既携带大量生命信息，又可以轻松获取？

　　高伟在汗液上看到了可能，汗液的化学成分多样，且容易获得。在初阶版本的汗液传感器中，高伟设定了5种检测维度：葡萄糖、乳酸、钠离子、钾离子还有体表温度，也在后续不断加入重金属、氯离子等检测对象。这些具体的检测对象可以窥视身体的秘密，高伟介绍说，已经在医学上比较确信的是，血液中的钠离子可以检测身体的脱水情况，氯离子可以用来诊断囊肿型纤维化，再比如人体中的葡萄糖和血液中的葡萄糖相关，可以来检测糖尿病。

　　但高伟坦言，汗液并不是一个已经被大规模研究过的体液，还有很多未知的东西，虽然趋势乐观，但需要更多时间。一方面，汗液和血液在各个成分上的联系需要通过大量的临床试验来确认，另一方面，汗液可能是生命信息的富矿，有待开发更多的检测维度。

  “我们所研究出来的是一个平台，可以用来不同的产品，不管是更多还是更少的传感器，或者不一样的传感器，我们期待，最终都可以在这个平台上实现。”高伟说。

　　用来检测多项生命数据，传感器需要多少含量的汗液来保持稳定的读数？高伟说传感器只需要几微升的汗液，也就相当于普通滴管中一滴水的十分之一，就可以让5个传感器各司其职，协同工作。

　　几微升的汗液对运动状态的人体来说没有难度，目前，高伟和同事也主要把汗液传感器定位于人们运动时的场景。但若处于静态又不易出汗的环境中，高伟也想好了解决方案，一方面将传感器的尺度进一步缩小至微米级别，这样所需的汗量也会相应降低，另一方面，可以通过人工的方法让人体出汗。高伟告诉澎湃新闻，人工发汗就是通过美国一种对人体无害的药物，借用电流将该药物注入到皮肤表面，从而让皮肤表面出汗。

　　全柔性系统，每秒钟采集5000个数据

　　传感器监测到的信息最终要以数据的方式呈现。具体而言，不同的检测对象，传感器的工作原理也有所不同。葡萄糖和乳酸是基于催化酶的电流传感器，当汗液中葡萄糖和乳酸的浓度上升时，电流大小也会相应提高。而钠离子和钾离子不同，是电压传感器，电压输出的大小和汗液中两种离子浓度的对数成正比。

　　

　　汗液传感器构造。 美国加州大学伯克利分校 图

　　所产生的电流、电压等经过电路的放大和滤波处理后，会抵达汗液传感器的微控制器，相当于是“大脑”部分，进行数据处理。处理完的数据借由蓝牙装置，被发送到手机APP，实时地在屏幕显示各个电解质、代谢物的含量和浓度读数。

　　

　　通过蓝牙，无线传输数据到手机。 美国加州大学伯克利分校 图

　　“做出这一个系统，它能够真正非常舒适地被穿戴在人体上，而且能提供非常稳定的读数，这一点是非常重要的。”高伟承认这同时也是设计可穿戴传感器最大的难点。

   为此，高伟在一遍遍优化的过程中，逐渐清晰了两个关键词：柔性和校准。

   最开始，高伟把传感器做成了柔性材料，这相对容易点，后来也攻克了柔性电路板的难题，实现全系统柔性。如此一来，这条集成的腕带可以真正像防汗带一样，形成弯度，和皮肤更贴合。柔性材料带来的好处不仅是佩戴更舒适，因为和皮肤接触更好，也为提供可靠数据助力。

　　校准则为数据的精准度“保驾护航”。所谓校准，是指不同的传感器之间“互帮互助”，提供不同的信息，以保证最后显示在手机屏幕的数据符合实际情况。温度传感器在校准中扮演着重要的角色，比如同样100微摩尔的葡萄糖，随着体表温度的上升，葡萄糖传感器的电流大小会改变。没有相应的体表温度，便无法根据电流大小换算出实际的葡萄糖含量。

　　“你的体表温度是可以变很大的，是吧？如果你在热带还是在北极，这肯定是不一样的。”高伟说，除了校准，温度传感器还可用于某些皮肤病表征的检测。

　　尽管体型不太，汗液传感器采集数据海量而迅速。高伟告诉澎湃新闻，每秒钟每个传感器会产生1000个数据，5个传感器协同工作的汗液传感器也就是5000个数据，但在实际的手机屏幕显示中，是按照每秒一次的数据更新速度。

　　值得一提的是，微控制器产生的每个数据都为固定单位时间内所有值的平均，比如1.1秒时产生的数据是0.1秒到1.1秒之间1000个数据的平均值。除了平均值法，高伟还对电流进行低峰滤波的处理，只取直流电部分，排除人体自身噪音（交流电）的干扰。这么做的目的，高伟说，是让最终呈现在用户面前的数据曲线更加平滑，也更加准确，减少环境噪音对数据的波动。

   今年1月，以高伟为第一作者、关于这款全柔性汗液传感器的论文在国际期刊《自然》发表，是领域内的先行者。之后，不少公司和风投找来谈合作，但是高伟和导师Ali Javey选择先做优化，再谈商业化的问题。“我们希望先进一步地完善设备，让它能够在各种条件下提供更可靠的读数，另一方面我们在做大量的人体试验，希望我们的传感器能够有更多真正有用的用途 。”