可直接压印在人体皮肤上且能溶于温水的无线传感器系统

大学研究人员开发了一种可穿戴传感器设备，可以直接应用到人体皮肤上，以测量个人的状况，包括温度、心率和血氧水平。该设备被设计成可以像临时纹身一样直接贴在人体上，并带有一个小型无线模块，利用NFC RFID技术或感应耦合技术，将数据传输到用户的智能手机上。

宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系在该学院助理教授Huanyu "Larry" Cheng的领导下开发了这个系统。这种可穿戴设备由基于纳米银的传感器和可粘在皮肤上的柔性印刷电路板组成，可以使用电池来捕获测量数据，还可以存储数据并将这些信息传输到智能手机上。或者，系统可以通过询问支持NFC的设备来充电，在这种情况下不需要电池。

当用户完成了可穿戴设备的使用，例如在监测完成或疾病治愈好后，他只需移除无线模块和相关电路即可;而附着在皮肤上的传感器阵列可以溶解在温水中，然后被洗掉。

如果这套解决方案获得商业化，那么对患者和医疗行业来说，好处是可以建立起一个负担得起的系统，来临时跟踪个人生命体征，而不需要担负有线电子设备。这可用于诊断测试、恢复监测或工作场所安全目的。

新兴技术研究和咨询公司Lux Research的研究分析师li sheng Gao表示，传统的可穿戴传感器如果使用了电线，会让人感到不舒服，也不方便。一般来说，医护人员必须将此类设备连接到人体上，这样佩戴和维护起来会很麻烦。

Gao解释说：“新开发的这种传感器设备非常重要的一点是能减少佩戴有线传感器的不适和挫败感。”

市面上有一些可穿戴传感器是无线的，使用了柔性印刷电路板进行状态监测;然而，这些传感器需要制造工艺，如平版印刷或在基板上直接印刷，然后才能连接到主体上。因此，宾夕法尼亚州立大学工程系学生和Cheng一起，在2019年开始开发一种可以戴在皮肤上的系统。他们的目标是“用可穿戴传感器来收集有关个人健康的重要信息，使医生能够及时提供病人所需的治疗”。

这个新系统的独特之处在于它在低温下的制造方式，这使得它可以直接应用于人体皮肤。该制造系统由作为传感器的金属纳米颗粒组成，在低温下烧结到纸或织物上，形成柔性印刷电路板，然后使用可在温水中分解的聚乙烯醇糊状物直接烧结到皮肤上。

一旦系统商业化了，就可以将传感器以工具包的形式提供给用户，该工具包可能包括多个传感器贴纸和一个可附着在人体上的无线模块。Cheng说：“我们可以封装电路，内置可回收电路、芯片和天线，可以与另一个可穿戴式传感器重复使用。”

这种传感器设计得很简单，可以放在皮肤上像贴纸或临时纹身一样“压印”。通过使其易于使用和移除，研究人员开发了一个可让患者或消费者自助服务的系统，而不需要医生的帮助。用户佩戴传感器的时间通常是有限的。佩戴好传感器设备后，他们可以把智能手机带到距离传感器几厘米的地方，这样NFC就可以为无线模块供电。

如果系统还附带了一个应用程序，用户就可以确定传感器数据存储在哪里，以及通过手机将数据发送给谁。该应用程序可能会安排自动询问，在这种情况下，手机的NFC阅读器就会定期向传感器的NFC标签发送信号。然后，标签会捕获传感器数据，连同它自己的唯一ID号一起传输回手机。感应耦合的使用方式也类似，不过用户需要将手持设备置于传感器电路的接触范围内。

此外，NFC天线或嵌入NFC的纺织品可以设计成将读取范围从几厘米扩展到10厘米甚至更大，这样如果手机在传感器佩戴者的口袋中，就可以进行询问。Cheng说，蓝牙模块也可以连接到传感器上，将蓝牙芯片焊接到传感器上。这些可穿戴设备可以包含一个用于监测温度水平的传感器，也可以在销售时内置多个传感器。Cheng预测，这套解决方案还可以检测到健康问题，例如，在患者意识到心脏病发之前，就已预测到了心脏病。

此外，这种技术可能会使COVID-19患者受益，这类患者可以在家中康复，而无需医生的直接护理。如果一个人的病情恶化，传感器可以识别出温度突然升高或血氧水平下降。“在照顾冠状病毒患者时，这类信息至关重要。”Cheng表示。

到目前为止，研究人员已经在实验室中测试了原型，他们现在正在寻找技术合作伙伴来帮助推广这一解决方案。该团队计划继续进行动物和人类临床研究，然后进行商业化。

Cheng表示，他们已经与几家此类公司进行了讨论。这套系统也已经在学生手上进行了试验，且可以放在人体皮肤的任何地方。该可穿戴设备的大小会有所不同，这取决于是使用单个传感器还是以不同的方式使用传感器阵列。据Gao称，Lux Research发现该技术在商业和医疗方面有价值，“我们认为这对医学应用技术来说很有前景”。

这套解决方案不仅适用于患者，也适用于工作场所的人，比如处在危险环境中的员工。Gao补充说，这可以直接连接到他们的皮肤上，而不是将传感器连接到他们的衣服上，尽管皮肤附着的不持久性在某些环境中可能会带来问题。其中一个挑战可能是传感器在高温环境中要能保持附着在皮肤上。在高温环境中，热量和汗水可能会使设备松动。

Gao指出，将这项技术推向市场还需要时间，可能至少需要五年的时间。“我们的看法是，我们肯定看到了技术的价值，它可能会重塑用于医疗目的的生物传感器网络。”