随着智能终端的逐渐普及，可穿戴传感器也成为了未来的发展趋势。人们可以通过可穿戴的智能设备，随时随地监测自己的健康信息及疾病早期检测。以智能手表为代表的可穿戴设备已经完美的证明，它们能够通过生物物理信号早期检测和监测各种疾病的进展和治疗，例如COVID-19和帕金森病。2022年7月22日，医疗设备展Medtec China了解到来自哈佛大学James J. Collins教授和弗赖堡大学Can Dincer教授等人联合发表了综述性论文，详细介绍了可穿戴传感器领域在材料、工程和数据科学方面的最新发展，研究了可穿戴传感器的基底材料、传感机制、决策单元和电源单元。相关文章以“End-to-end design of wearable sensors”为题发表在《Nature Reviews Materials》上。

图1 可穿戴传感器开发的主要里程碑时间表及其构建模块
用于医疗保健监测的可穿戴设备是阶段的里程碑。电信技术、材料科学、生物工程、电子和数据分析的进步，以及对监测健康重要性的增加，一直是现代可穿戴传感器创新的主要驱动力。目前，可穿戴设备的构建模块，包括基板和电极材料以及传感、决策和电源单元的组件。

1. 基底材料 可穿戴传感器独特的操作限制要求仔细选择具有关键特性的基板材料。设备中的整体材料不仅必须具有设备组件功能所需的性能，而且还必须具有任何可穿戴服装或配件所需的机械性能范围：柔韧性、弹性和韧性。可穿戴设备开发中使用最广泛的四个类别：天然材料、合成聚合物、水凝胶和无机材料（表 1）。

表1 基底材料

2. 传感单元 第二代可穿戴设备的传感单元的核心是对包含分析物的生物流体进行采样。然后将目标和生物识别元件之间的分子相互作用转换为传感器输出，并通过信号转导和放大单元进行放大。这部分内容作者主要回顾了第二代可穿戴设备所针对的不同类型的生物流体，重点关注使用可穿戴传感器进行生物采样的注意事项和挑战，具体取决于目标分析物、目标应用和其他设备组件（表 2）。

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表2 生物体液的比较和特征

3. 决策单元通过可穿戴设备可以通过分布式传感单元阵列访问生理信息，从而创建一个从个人到更大人群的多样化数据库。在这个高维多层“数据景观”中，决策单元的作用是将原始数据转换为人类可读的格式。这些数据通过体域网络（即佩戴或植入体内的多个互连传感单元的网络）进行交换，并借助数据驱动的方法进行分析，以通过使用感官输入之间的相关性来减少环境伪影和身体的生理状态（表3）。

表3 将数据驱动方法与可穿戴设备相结合，以医疗保健应用为示例

图2展示了数据管道的概念化。多种可穿戴设备与多种传感策略的组合和处理提供了对生理相关参数和生物标志物的访问，以更好地解释人类生理学中的非线性。其中，黑线和红线分别表示数据处理和模型训练路径（图2a）。机器学习算法可以对大数据进行后处理，以探索测量信号与个体生理状态之间的复杂联系（图2b）。

图2 决策单元及其工作原理
4. 电源单元可穿戴传感器的功率要求取决于应用和使用的构建块。大多数可穿戴设备都需要一个电源单元，用于提供电源电压（电池供电或基于特定的收集源），并且在能量收集的情况下，从环境或身体中提取能量。由于可穿戴传感器旨在监测身体活动，因此其动力装置中使用的材料也有望满足可穿戴设备的基本特性。理想情况下，这种动力装置应该是无毒的、微型的、可回收的，并且可以收集能量或提供高能量密度以实现较长的使用寿命。

能量收集可以通过不同的现象来完成：压电、摩擦电、热电、光电子、电磁辐射、催化反应或它们的组合（图3）。每种方法都利用了人体或外部环境中的特定能源。这些来源可用于实现由生物力学（运动或热）、电磁（光或射频）、生化（体液中的代谢物）或过程组合（例如结合摩擦发电机的混合系统）驱动的自供电可穿戴设备生物燃料电池）。

图3 能量收集方法
随着不断创新和发展，以及可穿戴设备的广泛使用，我们现在距离通过监测身体生理状态的时间分辨变化来满足主动医疗保健的先决条件又近了一步。然而，要充分发挥可穿戴传感设备的潜力，仍然存在许多挑战和需要开发的领域。

从材料的角度来看，透气、柔韧和可拉伸的材料的开发仍然是满足可穿戴应用（如适应电子皮肤、智能贴片或纺织品）的严格要求的重要挑战。此外，可穿戴传感器的可持续和低成本大规模生产需要瞬时和可回收基板材料。另一个挑战是开发自供电可穿戴设备，包括“绿色”动力装置（如一次性太阳能电池板或生物燃料电池）或通过近场通信的无动力选项。医疗设备展Medtec China自2016年起布局医疗电子，从最初的电子部件、电机&传动控制展区到2021年首开的高端医疗设备设计与制造专区，目前已经有包括日立金属投资（中国）有限公司 、砷泰中国 、东莞市雨菲电子科技有限公司、上海孚蕊哲静电科技有限公司 、深圳市格兰拓普电子有限公司和杭州通鉴科技有限公司等多家企业入驻参展。点击快速预登记。

为了以可穿戴形式实现稳健的长期（数天到数周）连续测量，传感和采样技术应进一步成熟。在这方面，先进传感装置的未来趋势包括使用微针、纳米针或非常规的样本采集方法（如面罩）进行简单、连续或按需采样，以及进一步整合微材料或纳米材料和稳定的合成材料。用于信号放大的生物学反应。此外，新的生物识别元件或分析技术（如适体、分子印迹聚合物、纳米酶、DNA核酶或 CRISPR-Cas 驱动的分析）可用于提高灵敏度并促进长期使用。

总之，在可预见的未来，通过集成反馈回路将可穿戴设备的功能扩展到诊断传感之外，将为治疗诊断应用的（第三代）可穿戴设备铺平道路。

来源：EngineeringForLife