汗液发电！中国青年学者发明可穿戴汗液传感器，肥胖三高有望被缓解
《中華流行病學(xué)雜志》數(shù)據(jù)顯示，2010 年全球 340 萬人因超重/肥胖死亡。
超重/肥胖會(huì)引起高血壓、高血脂、高血糖，而“三高”也是世界衛(wèi)生組織列出的全球性醫(yī)學(xué)難題。
中國疾控中心 2013 年數(shù)據(jù)顯示，每 5 個(gè)中國成人中，至少有 1 人患高血壓病。與此同時(shí)，肥胖、高血壓、高血脂、高血糖，也是代謝綜合征的主要表現(xiàn)。
來自加州理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程系的助理教授高偉，其研究的可穿戴汗液傳感器，將對(duì)代謝綜合征有所改善。
圖高偉（來源：受訪者）
2016 年，高偉團(tuán)隊(duì)提出全集成可穿戴汗液傳感器平臺(tái)，其可以分析各種代謝物和電解質(zhì)，從而幫助改善代謝綜合征。
圖測試可穿戴傳感器，右一為高偉
十億代謝綜合征患者不再“遭大罪”
代謝綜合征，是心腦血管病變和糖尿病的病理基礎(chǔ)，全球目前有十億多人正在遭受其“折磨”。其主要表現(xiàn)為高血壓、高血糖、高尿酸和血脂異常等。
營養(yǎng)膳食，是代謝綜合征的重要影響因素。高偉的可穿戴傳感器，則可讓用戶實(shí)時(shí)監(jiān)測體內(nèi)營養(yǎng)指標(biāo)。
當(dāng)營養(yǎng)指標(biāo)不良時(shí)，用戶就能得到反饋，進(jìn)而通過改變飲食方式，來降低患上代謝綜合征的風(fēng)險(xiǎn)。
2017 年，高偉通過離子導(dǎo)入的方法實(shí)現(xiàn)局部刺激出汗，病人無需做運(yùn)動(dòng)、就能讓身體局部分泌汗液。
同時(shí)，高偉團(tuán)隊(duì)還跟斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院合作，借助汗液傳感器分析汗液成分，實(shí)現(xiàn)了囊腫性纖維化的早期診斷，并進(jìn)行了無創(chuàng)檢測血糖的早期研究。
圖刺激汗液分泌、并實(shí)時(shí)檢測汗液中的目標(biāo)分析物（來源：PNAS）
過去三年，高偉的大部分工作，集中在繼續(xù)改進(jìn)汗液傳感器，如開發(fā)一些更高靈敏度、更高選擇性的傳感器，其可用于檢測超低濃度的生物標(biāo)記物。
最近，他提出一種基于全激光加工的皮膚上的實(shí)驗(yàn)室，該平臺(tái)能檢測微量代謝物和營養(yǎng)物、如尿酸和絡(luò)氨酸等，并能實(shí)現(xiàn)代謝綜合征的長期監(jiān)測與管理。
同時(shí)，他還和加州大學(xué)洛杉磯分校醫(yī)學(xué)院，開展患者人體實(shí)驗(yàn)的合作。其中一則典型案例，正是利用上述可穿戴設(shè)備，對(duì)痛風(fēng)病癥進(jìn)行非侵入式的健康管理。
心理檢測不再失真
目前，全世界至少有 2.5 億人患有抑郁癥，而高偉的另一研究方向，是用汗液傳感器，進(jìn)行心理健康管理。
當(dāng)前，很多醫(yī)院心理科通過醫(yī)生對(duì)患者提問、或者讓患者做一些問卷回答，來判斷患者的心理壓力狀況、以及是否患有抑郁癥。
這類診斷方式，受患者自身情緒和判斷影響較大，很難保證其準(zhǔn)確性。而通過汗液傳感器，就可以實(shí)現(xiàn)無創(chuàng)的、且更加客觀的心理檢測。
據(jù)高偉介紹，一般通過測量患者身上的化學(xué)信號(hào)和物理信號(hào)如皮質(zhì)醇等，就可以獲知其心理壓力的大小。
但是，皮質(zhì)醇的檢測需要采血，這一過程會(huì)讓患者感到壓力，反而更加影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。
而汗液傳感器是無創(chuàng)的，它不僅能對(duì)皮質(zhì)醇做出更準(zhǔn)確的測量，也不會(huì)給患者帶來壓力。
綜合皮質(zhì)醇的含量、以及周期性變化，汗液傳感器就能獲悉患者的心理壓力、和抑郁程度。
目前，高偉已經(jīng)與美國西達(dá)賽奈醫(yī)療中心合作，進(jìn)行抑郁癥方面的檢測。和美國宇航局的合作也正在進(jìn)行中，未來或?qū)⒗煤挂簜鞲衅鳎z測太空中宇航員的心理壓力。
“服藥災(zāi)難”不再發(fā)生
可穿戴傳感器，還可對(duì)患者藥物劑量進(jìn)行檢測，從而告知病人準(zhǔn)確的服藥量。
據(jù)高偉描述，相同劑量的藥物，對(duì)每個(gè)患者的影響不一樣，同時(shí)每個(gè)人吸收能力也有所差異。
病人的服藥劑量，通常是以粒為單位，比如一粒、兩粒，其并非定制化治療。而一些藥物的治療窗口很小，攝入藥劑量過大，就會(huì)導(dǎo)致副作用；攝入藥劑量過少，則很難達(dá)到治療效果。
現(xiàn)階段的藥物監(jiān)控，多通過提取血樣，之后送往實(shí)驗(yàn)室研究，得到對(duì)應(yīng)的藥物攝入效果，這種方式的缺點(diǎn)在于，無法進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤與動(dòng)態(tài)更新。
而可穿戴汗液傳感器在進(jìn)行藥物監(jiān)控時(shí)，可通過改變藥物攝入量，去動(dòng)態(tài)檢測汗液中的藥物含量，從而給病人 “量身定做” 服藥方案，最終實(shí)現(xiàn)更有效的治療效果。
最新工作：用汗液發(fā)電
高偉發(fā)現(xiàn)，可穿戴設(shè)備的主要挑戰(zhàn)之一，是如何給設(shè)備供電。
一般做法是用充電電池，但很多國家和地區(qū)，目前無法進(jìn)行便捷充電。如果檢測汗液時(shí)，汗液本身就可以為汗液傳感器供電，豈不是一舉兩得？
基于上述設(shè)想，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)出利用汗液來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的全集成電子皮膚，該電子皮膚不僅完全不需要電池，還可以通過汗液來給傳感器、信號(hào)處理和藍(lán)牙無線傳輸?shù)忍峁┠芰俊?/strong>
據(jù)悉，這項(xiàng)工作已于 2020 年 4 月，以論文形式發(fā)表在Science Robotics雜志上。
具體來說，使用生物燃料電池，可以直接從汗液中采集能量。其中的原理是，生物燃料電池可以用乳酸酶、不停地催化汗液中的乳酸并進(jìn)行氧化反應(yīng)，此過程中會(huì)不斷產(chǎn)生電能。
基于該原理，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了能量采集系統(tǒng)，并利用采集的電能來對(duì)傳感器、電路、和藍(lán)牙進(jìn)行供電，通過無線方式將采集到的生理健康信息，發(fā)送到手機(jī)界面。
圖用于多路無線傳感的汗液供電的電子皮膚（來源：Science Robotics）
高偉告訴 DeepTech，目前他們是全球首家實(shí)現(xiàn)完全用汗液供能、無需任何電池、僅靠電子皮膚就能進(jìn)行多通路汗液化學(xué)信號(hào)監(jiān)測、并能同時(shí)進(jìn)行無線藍(lán)牙傳輸?shù)难芯繄F(tuán)隊(duì)。同時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)是柔性的，還可用于輔助式假肢操控。
圖對(duì)汗液驅(qū)動(dòng)的電子皮膚的人體實(shí)驗(yàn)評(píng)估 （來源：Science Robotics）
和眾多科研院所合作，每周都會(huì)收到風(fēng)投郵件
高偉目前的研究，主要涉及柔性電子、可穿戴設(shè)備、生物檢測和納米機(jī)器人四個(gè)領(lǐng)域。如果用一句話來總結(jié)高偉實(shí)驗(yàn)室的話，即把生物電子器件用于個(gè)性化精準(zhǔn)醫(yī)療。
做出器件樣機(jī)后，必然要跟醫(yī)學(xué)院合作，目前該團(tuán)隊(duì)正在跟斯坦福大學(xué)醫(yī)學(xué)院，洛杉磯周邊的大型醫(yī)學(xué)院如加州大學(xué)洛杉磯分校醫(yī)學(xué)院、西達(dá)賽奈醫(yī)療中心、希望之城國家醫(yī)療中心等展開合作。目的是希望把不同的器件，應(yīng)用于不同的病人身上。
同時(shí)，高偉團(tuán)隊(duì)幾乎每周都會(huì)收到來自各大公司、或者風(fēng)險(xiǎn)投資機(jī)構(gòu)的郵件，不過他坦言，要想實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的實(shí)際應(yīng)用，還需要對(duì)樣機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，讓其具備更高的穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)更長期的檢測。
同時(shí)，在具體的健康問題上，還需通過大范圍的人體試驗(yàn)，來評(píng)估傳感器的性能。
身在海外，不忘中國
2019 年，高偉團(tuán)隊(duì)和北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院張海霞教授課題組展開合作。
張海霞組的一名博士研究生宋宇，曾來到高偉團(tuán)隊(duì)訪問學(xué)習(xí)，該生也是高偉和張海霞合作論文的共同第一作者，論文的三位共同第一作者，也都來自中國。
圖左起北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院張海霞教授、宋宇和高偉
這篇論文名為《激光雕刻可穿戴傳感器，用于敏感檢測汗液中的尿酸和酪氨酸》（A laser-engraved wearable sensor for sensitive detection of uric acid and tyrosine in sweat），于 2019 年末發(fā)表在Nature Biotechnology上。
該論文提出了一種新型 “皮膚上的實(shí)驗(yàn)室” 概念，即通過全激光加工的方式，制備出多模態(tài)皮膚傳感貼片，并配合微流道結(jié)構(gòu)與柔性電路板，最終實(shí)現(xiàn)汗液中多項(xiàng)微量生物標(biāo)記物的原位準(zhǔn)確探測、與實(shí)時(shí)新陳代謝管理。
用一句話概括就是：只需要幾滴汗液，就可以檢測疾病。
圖用于代謝和營養(yǎng)管理的汗液傳感器示意圖（來源：Nature Biotechnology）
借助該合作，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了低濃度代謝物和營養(yǎng)物的檢測，如尿酸和酪氨酸。尤其是尿酸，其對(duì)于監(jiān)測痛風(fēng)、糖尿病和心血管疾病非常重要。
在應(yīng)用方面，雙方已經(jīng)合作做出整個(gè)系統(tǒng)，目前已經(jīng)應(yīng)用到健康群體和病人群體上，且非常接近成果轉(zhuǎn)化。
除去和北大的合作，高偉還曾跟現(xiàn)任深圳大學(xué)副校長張學(xué)記，合作開發(fā)過基于繃帶的汗液監(jiān)測。
在美國，高偉跟華人教授的合作也非常多。
2019 年，高偉跟美國國家工程院院士、加州理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程系與電子工程系 Bren 講席教授汪立宏，合作研發(fā)了一種微納機(jī)器人技術(shù)：利用光聲斷層成像技術(shù)實(shí)時(shí)控制微納機(jī)器人，進(jìn)行體內(nèi)的精準(zhǔn)藥物遞送和智能微手術(shù)。這項(xiàng)突破性成果最終，最終發(fā)表在 Science Robotics 上。
圖高偉和汪立宏的合著論文截圖（來源：Science Robotics）
在指導(dǎo)學(xué)生方面，高偉表示，很多在海外的中國教授、或華人教授的課題組里，都有相當(dāng)比例的中國留學(xué)生。
他也帶了很多中國留學(xué)生，目前其實(shí)驗(yàn)室大約有 15 名學(xué)生，一半左右來自中國 。
作為在海外的中國籍教授，高偉認(rèn)為生物醫(yī)學(xué)工程的研究，是為了造福全人類的健康，他的主要研究成果，均會(huì)以論文形式發(fā)表，類似汗液傳感器的研究細(xì)節(jié)，也都會(huì)放在文章里供其他研究人員參考。
他表示，在自己的論文發(fā)表后，國內(nèi)也有很多學(xué)者，相繼開始做汗液傳感器的相關(guān)研究。
蘇北農(nóng)村走出的名校教授
35 歲的高偉，其人生“大事記”也頗為豐富。
31 歲上榜《麻省理工科技評(píng)論》全球 “35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人” （TR35）榜單，32 歲成為加州理工學(xué)院醫(yī)學(xué)工程系助理教授，35 歲上榜世界經(jīng)濟(jì)論壇 2020 青年科學(xué)家榜單，并已在《自然》《自然生物技術(shù)》《科學(xué)機(jī)器人》等期刊累計(jì)發(fā)表 97 篇論文。
如今，距離他上榜 2016 年度《麻省理工科技評(píng)論》全球 “35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人” 榜單，已經(jīng)過去四年。
相隔一千多個(gè)日夜，高偉的成果也更豐富，他最近入選的世界經(jīng)濟(jì)論壇 2020 年青年科學(xué)家榜單，目的在于表彰青年科學(xué)家，對(duì)前沿性研究的貢獻(xiàn)。入選后，他將跟全球政商領(lǐng)袖面對(duì)面，共議科學(xué)政策。
從蘇北農(nóng)村到洛杉磯，一路走來既順利、也不順利。不同于很多 “TR35” 上榜者生于高知家庭，高偉的父母都沒有讀過高中，能從農(nóng)村走到今天，既有中國高考的制度支持，也有自己的努力和父母的支持。
從本科考上華中科技大學(xué)機(jī)械工程，到去清華精密儀器專業(yè)讀研，再到加州大學(xué)圣地亞哥分校化工系讀博。很多學(xué)費(fèi)，都是父母東拼西湊出來的。大學(xué)時(shí)，高偉看到父母很不容易，還曾勤工儉學(xué)掙學(xué)費(fèi)。
如今，高偉是全鎮(zhèn)目前唯一一位在海外工作的中國教授。而他從小學(xué)起，就從不需要外界鞭策，因?yàn)榭吹礁改概ぷ鳎皇菫榱斯┧x書，自然也就非常勤奮。
更難能可貴的是，父母一直很尊重他的想法，從未干涉他的決定，這是一種父母對(duì)比自己更優(yōu)秀的孩子的無條件的信任。
同時(shí)，高偉也是近年來寒門出貴子的少數(shù)案例之一。他表示，很多中國農(nóng)村地區(qū)的孩子，可能根本沒聽過自主招生，也沒錢去上輔導(dǎo)班。
城市和農(nóng)村的教育資源不平衡，也是農(nóng)村學(xué)生成為高校老師的幾率，越來越小的原因之一。
但無論如何，他的案例依然可以激勵(lì)全球不發(fā)達(dá)地區(qū)的青少年，為從事科研而努力。做科研，家庭背景只是錦上添花，畢竟高考對(duì)每個(gè)人都很公平，而更重要的是興趣和努力。高偉可以，更多出生普通家庭、夢想從事科研的孩子們也可以。
-End-
參考：
https://robotics.sciencemag.org/content/5/41/eaaz7946
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的汗液发电！中国青年学者发明可穿戴汗液传感器，肥胖三高有望被缓解的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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