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  以后可以遠離醫院那些龐大繁重的監測設備了，這款無線皮膚傳感器與特制衣服搭配即可實現心跳、呼吸和運動等諸多指標的監測。

  這其實是一套可貼在皮膚上監測健康狀況的傳感器系統，其中包括如創可貼一般的傳感器貼片，以及可縫制在衣服內的柔性閱讀器。研究人員用金屬墨水將天線和傳感器打印到貼片上，后者可以像創可貼一樣貼在皮膚上，并能夠無線發送數據至夾在衣服里的閱讀器。

圖 | 手腕上的無線傳感器，以及夾在衣服里的閱讀器。（來源：牛思淼）

  該研究通訊作者是斯坦福大學化學工程系鮑哲南教授和新加坡南洋理工大學陳曉東教授。8 月 15 日，這個研究發表在了《自然·電子學》（Nature Electronics）。這項研究得到三星電子、新加坡科技研究局、日本科學促進會和斯坦福精密健康與綜合診斷中心的支持。

核心突破：改良版的射頻識別

  人類的皮膚不僅有保護功能，它還可以發送微弱信號，比如緊張時的心跳或者尷尬時的紅暈。這成了科學家發明傳感器監測人體信號的靈感來源。

  如果要實現生理信號采集完整，且要佩戴舒適，這就需要傳感器柔軟且輕質，能夠貼合皮膚并可拉伸。這正是一款利用非傳統射頻識別的柔性皮膚傳感器集成裝置，這個設備可將無線信號傳輸至衣服中的閱讀器，如此即可實現連續采集人體脈搏、呼吸和身體運動數據。

  與藍牙和 NFC 設備相比，該系統更具柔性、魯棒性（即穩定性）和舒適性，并且使用不限時間地點，無需用戶動手操作。此外，該系統通過用無線方式取代了傳統的物理互連，解決了可拉伸傳感器和高性能硅電子設備之間的機械不兼容問題。

  研究論文第一作者、斯坦福大學博士后牛思淼告訴記者，此研究的關鍵挑戰在于將軟傳感器與剛性硅基集成電路無縫集成，因為在過去的研究中軟傳感器與剛性材料對接的機械強度效果較差，這就像手機充電線的接口處容易斷裂一樣，軟/硬交界處會有應變集中效應。

  所以研究人員摒棄了有線連接，而采用無線的方式，這就避免了軟/硬接口帶來的麻煩。他們的解決思路是利用無線射頻識別技術（RFID），如此一來，皮膚上的傳感器貼片就不再有剛性電池和芯片。

  無線射頻識別技術適用于短距離識別通訊，即通過無線電信號識別特定目標并讀寫相關數據，該技術可以自動識別目標，無需人工干預。識別過程中應答器并不需要電池，其從閱讀器發出的電磁場中就可以得到能量。

  同樣，這款皮膚傳感器的天線吸收衣服里閱讀器發射的少許RFID能量來實現供電。

  麻煩在于，因為柔性的緣故，傳統的RFID技術并不能滿足這款皮膚傳感器要求。傳統的剛性 RFID 技術需要傳感器的天線保持在特定的共振頻率（即 13.56 MHz）才能實現信號有效傳輸，而柔性皮膚貼片變形時，其天線幾何形狀發生變化，共振頻率發生漂移，這就會導致無線通訊失敗。那么如何在柔性設備變形的條件下，也能保證信號傳輸效果呢？

  研究人員發現，在耦合系數大且皮膚貼片的天線共振頻率遠高于工作頻率時，即使皮膚貼片天線共振頻率和品質因子發生漂移，也不會有影響。其唯一的“缺點”是，無線通訊的距離需要在 2 厘米范圍內。可巧的是，皮膚貼片與衣服里的閱讀器距離一般不會超過 2 厘米，這就保證了無線通訊效果。

  此外，研究人員利用可打印的金屬墨水實現了傳感器網絡的可拉伸性能，即使在受到 50% 應變情況下，傳感器網絡也能保證功能維持。
一件延伸空間巨大的作品

  為了演示這項可穿戴技術，研究人員將傳感器貼在測試對象的手腕和腹部，通過檢測每次心跳或者呼吸過程中的皮膚拉伸與收縮，來監測其脈搏與呼吸。同樣，通過測量每次相應的肌肉活動時皮膚微小的收緊或者放松，個人手肘與膝蓋上的貼片可以追蹤手臂和腿部的運動。

  研究人員認為，這項被稱為“身體網”（BodyNet）的可穿戴技術將首先應用在醫療環境中，例如監測睡眠障礙或心臟病病人。鮑哲南實驗室已經開發了一個智能手機 APP 的雛形，可以顯示出 5 個參數的指標，包括脈搏、呼吸和身體運動。他們希望最終能夠追蹤多種生理指標，包括體溫、血壓和電化學生理信號在內，并整合到一個集成傳感器中，實現微型化、便捷化。

  鮑哲南教授的最終目標是創造一個貼在皮膚上并與智能服裝一起工作的無線傳感器陣列，她認為：“我們可能會創造出全身的皮膚傳感器陣列，在不影響人們正常行為的情況下采集生理數據。”

  該設備有更高的準確性和非侵入性，這正是個體化精準治療的發展方向。這款可穿戴設備的開發初衷也正是為了個體化醫療保健需求，如今人們更希望能夠實現連續、準確的人體生理數據便捷采集方式，而不是依賴醫院龐大復雜的監測系統。

  加州大學圣地亞哥分校納米工程徐升教授曾開發過能監測血壓的可穿戴超聲波貼片，他在同期《自然·電子學》上對此研究發表評論稱，鮑哲南教授團隊這個研究是未來互聯網醫療用品中可穿戴設備的重要一步。

  徐升教授評論認為，這項研究還可以有更多的延展空間，比如在傳感器節點增加分布式計算能力，這有助于未來在個性化醫療保健的迅速發展。此外，無線傳感器還可以考慮光學、化學或生物傳感器，這會讓該技術應用范圍大大增加。

專訪第一作者、斯坦福大學博士后牛思淼

  記者：你們是基于哪些考慮來做無線皮膚傳感器的，也就是說，這個研究的出發點是什么？

  牛思淼：最基本的出發點是，我們希望設計一款無線皮膚能夠集成軟的皮膚傳感器。但是傳統集成方法只能采用彈簧形電線連接的“島橋”結構，這種設計最大的問題是會造成軟/硬接口上的應力集中效應，因此系統的魯棒性是有一定問題的。所以在設計這個系統的時候，我們的想法是用無線通訊取代物理導線連接，這樣就可以增加系統魯棒性。所以最終我們的設計中，在皮膚上的部分全部是軟性貼片，沒有任何電池和基于硅的芯片。

  記者：這項研究的突破體現在哪些地方，以及此研究的挑戰主要在哪里？

  牛思淼：最大的突破在兩個方面：

  第一是在設計概念上，使用了無線傳輸代替有線連接，這樣整個系統中軟的部分和硬的部分被物理上隔開，通過無線傳輸的方法實現兩部分的通訊。

  第二是工程實現上，傳統的 RFID 設計不能夠滿足皮膚上柔軟天線的魯棒通訊要求。我們發現，因為自身的柔軟性，皮膚上柔軟天線的共振頻率和品質因子會隨著天線的變形有巨大的漂移。傳統的 RFID 設計要求應答器的天線頻率穩定在 13.56 MHz，并且品質因子一般來說需要大于10 - 20。在這種使用柔軟天線的情況下，使用傳統 RFID 設計，整個 RFID 的無線傳輸在天線變形后無法正常進行。所以我們的工作很重要的一個方面是開發了一個非傳統的 RFID 系統，解決了這個軟天線  RFID 的獨特問題。

  此外，這篇文章中，我們報道了第一個固態的可拉伸的能夠應用于13.56 MHz RFID 通訊的柔軟天線，之前這種天線只能使用液態金屬來實現。

  記者：與智能手機的傳感器相比，這款傳感器為什么會精準度更高？

  牛思淼：我們使用的傳感器是柔軟可拉伸的，因此傳感器可以和皮膚充分貼合，這就可以提供更高的傳感精準度和更好的采集信號信噪比。

  記者：除了脈搏、呼吸等參數，這款傳感器還能有哪些應用上的延伸嗎？

  牛思淼：我們現在正在開發第二代的皮膚傳感器系統，目前進展非常順利。我們的目標是整合可以測量皮膚溫度、濕度、皮膚阻抗以及汗液的柔性傳感器，這樣可以大幅度擴展應用范圍。

  記者：這個傳感器的用戶穿戴體驗如何？如果用于商業，還需要做哪些改良？

  牛思淼：穿戴體驗還是非常好的，就像在皮膚上貼了一個創可貼一樣，但我們用的基底材料比創可貼更軟更薄。首先基底的厚度只有 400 微米，其次我們的材料是可拉伸的，會比創可貼更軟。因此其舒適度比創可貼要好。

  需要做的改良我們認為是以下幾個方面：

  首先是皮膚傳感器方面。目前我們正在開發第二代皮膚傳感器系統，主要目標是整合更多種類的傳感器；還有就是希望能做到更小更薄，能夠給用戶更好的體驗。

  在 RFID 閱讀器方面，我認為的改良更多是集成，現在的閱讀器是用柔性打印電路板做的，如果能有公司感興趣，我希望能夠把全部的讀取電路集成到一顆定制半導體芯片上，這樣閱讀器的體型和功耗都可以大幅降低。

  此外目前的閱讀器和傳感器是一一對應，我們希望將來可以用一個衣服上的可打印的天線陣列來對應多個皮膚傳感器，這樣可以節省硬件的開銷。

牛思淼簡介

  牛思淼，2011 年獲得清華大學微電子專業學士學位，2016 年 5 月于佐治亞理工學院材料工程系獲得博士學位，導師為王中林院士。現于斯坦福大學從事博士后研究，導師為鮑哲南院士。主要涉獵的研究方向包括能量收集器件以及柔性有機電子器件，在電子電路設計、柔性可拉伸導體和半導體器件以及系統集成方面有比較深厚的研究功底。

參考：
https://news.stanford.edu/2019/08/16/wireless-sensors-stick-skin-track-health/
https://www.nature.com/articles/s41928-019-0286-2
https://devicematerialscommunity.nature.com/users/276291-simiao-niu/posts/52372-building-wireless-body-area-sensor-network-with-stretchable-passive-tags
https://www.nature.com/articles/s41928-019-0291-5