侵入人体的电子设备,你准备好了吗?

发布于:2016-06-06 10:50:42
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 呼吸、运动产生的能量可以给体内医疗设备充电。

 

侵入人体的电子设备,你准备好了吗?

-小虫

 

研究者们想要将人的身体与感应器联结一体,收集信息,改变医疗的未来。

 

望着人群,约兰·古斯塔夫松想到的却是汽车——现在的人就像是在流水线上淘汰了好几十年的老款车。而今天,古斯塔夫松说,汽车都配备了顶尖的感应器、计算机和复杂的信息交流系统。现代交通工具之所以不会突然出现灾难性的崩溃,就是因为这些系统在尚能轻松解决问题时就发出了警告。

 

“为什么在我们自己的身体上却看不到这样的景象呢?” 古斯塔夫松思索道。他所在的团队位于瑞典西斯塔,这家名为 Acreo 的电子公司和全球许许多多的团队一样,同样致力于将人的身体和感应器联结起来。如果这一景象能够实现,我们就不会因为检测不到一些健康问题,最后去了医院——就像一辆车在路边抛锚。这些团队描绘了这样一个未来:人类的身体和预警装置连接起来,就像汽车一样。

 

古斯塔夫松团队和瑞典林雪平大学的研究者们已经开发出了基于皮肤表层的和植入式的两种感应器,以及一个体内的内联网。内联网能够在保证隐私的同时,将身体和不同的设备联系起来。其他一些团队正在研发其他的技术,比如能够感应动脉硬化的皮肤贴片,以及可以探测癫痫痉挛并自动释放药剂直达大脑损害部位的装置。

 

与多数已经在体内使用的起搏器和其他电子设备不同,新一代的设备在设计上试图做到与身体组织共同运行,而不是相互分离。但是要使它们成为一体并不是件容易的事,特别是对材料科学家们来说。他们必须将电路急剧地缩小,做出柔软的、可拉伸的、不被身体感应到的电子装置,还要想到创新的方法,在身体内做出与外界系统联结的端口。要想使这些设备夜以继日地监测并治疗身体,还要求新的供电方式和新的信息传送方式。如此,古斯塔夫松的愿景才有可能实现。

 

不过,这个项目改善当前医疗卫生状况并降低医疗成本的潜力,依然吸引了研究者和医生们前来接受这个挑战。伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校材料科学家约翰·罗杰斯说:“我还没见到任何一个临床学的人说,‘这跟天上掉馅饼一样没着落,二十年以后再来找我吧!’相反,他们都说,‘天啊,那听起来真炫酷。我们现在有三种方式可以利用它,所以我们什么时候开始合作?’”

 

罗杰斯还说,和身体交织在一起的感应器可以说是智能手机和可穿戴设备的自然延伸。“我认为电子设备正在朝我们走来,距离我们越来越近。我认为这让我们很自然地想象到它们最终将会和我们的身体紧密地成为一体。”

 

要超越可穿戴设备,第一步是在皮肤上直接安装无线感应器。这些感应器可以从皮肤上获取一系列的体征信息,包括温度、脉搏和呼吸频率等。“不幸的是,作为生物,我们的身体会弯曲拉伸,还会膨胀,”罗杰斯说,“这意味着用僵硬的硅晶片电子元件来做的传统感应器是一个糟糕的选择。”

 

罗杰斯的团队开发了一种“表皮电子元件”。这种装满感应器的粘贴式膜片非常灵活,可以生物降解,使用者几乎感觉不到它的存在,像贴着一次性纹身一样。

 

这些膜片使用普通的硅电子组件,使用一个橡皮印章就可以印成柔软的薄薄一层 。这些补丁膜片从附近的磁场或者无线电波中获得电源,并使用可以拉伸、扭动或弯曲的“S”状电线与天线。“它们采用了波浪式的几何形态,所以当你拉伸的时候,这个波浪形状电线就会像手风琴风箱一样变化。”罗杰斯介绍说。

 

罗杰斯同时是一家叫MC10的子公司的共同创始人。这个公司位于麻省列克星敦,将推广一种临时性的贴片,可以测量心电活动、水合活动、身体温度和对紫外线的暴露程度。这一贴片首先会出现在消费市场,罗杰斯说,他最终的目标是医疗系统。

 

这种贴片正在厄巴纳的卡尔基金会医院进行临床试验,用来对新生儿重症监护病房里新生儿的生命体征进行监测,摆脱让人不胜其烦的电线和扫描器,结果很快就会出来。MC10 也在和布鲁塞尔的一家制药公司 UCB 合作,测试另一种贴片。这种贴片能够监测帕金森综合症患者的震颤情况,并跟踪他们的病情与服药情况。

 

在东京大学,工程师染谷隆夫也已经研制出一种承载感应元件的电子皮肤,还可以做成更大的尺寸 。他最近做出的的膜片只有1微米厚,轻到能够像羽毛一样飘浮,却又非常强韧,能够从容应对身体拉伸和膝部与肘部运动所产生的皱褶。它能提供温度(伤口部位的温度可表示着感染的可能性)、湿度、脉搏与血液氧浓度的数据。

 

染谷隆夫能做到这点是因为他直接扔掉了硅电子的那一套,使用十分柔软的有机碳基聚合物和其他材料。这些有机电路能直接被打印在一张塑料胶片上,这让大量生产变得便宜又简单。不仅如此,它在高温和潮湿的环境下也能正常工作。

 

这种皮肤模式也激发了斯坦福大学工程师鲍哲楠的灵感。她的团队制作出一种非常薄的压力传感器,用两张电子胶片将微米级的橡胶金字塔像三明治一样夹住 。即使是一丝轻触也会挤压这些金字塔的顶端,带来两张胶片之间电流的改变。

 

这些传感器能够用于监测动脉的压力波的速率。这样就能暴露出血管硬度是否增加,预测可能的心脏病突发。去年,美国食品药品监督管理局批准了一个能内置于高危心脏病患者心脏内的无线压力感应装置。要知道,鲍式装置在皮肤表面就能完成类似的工作。

 

一些研究者的目标仍然是更深入身体,对他们来说,灵活性和生物相容性变得更为重要。一般情况下,一个感应器和心脏或大脑等活动器官产生摩擦,身体就会迅速形成一道疤痕组织墙包围这些器官。而且,如果感应器随器官产生相对运动,其结果无论如何也不会可靠。

 

另一个难点是,任何电子设备都会因为电源问题而受到限制。处在皮肤上或皮肤附近的设备能够通过天线进行无线充电,只要周围有电源。但处在身体深部的设备就只能依靠电池了,而电池通常又是一大坨,还得不时更换。

 

亚特兰大佐治亚理工学院的纳米科学家王中林在过去十年曾试图想办法收集人在走路,甚至在呼吸时产生的微量机械能。

 

王中林最新的设计利用静电将我们呼吸的动能转化成电能,以驱动起搏器。这个发电机使用了两个不同的复合面,这两个面被夹在电极之间并与电路相连。

 

当使用者呼吸的时候,两个复合面不断接触分离,交换电子——就像用羊毛布摩擦气球所产生的效果一样。这样,积聚的电荷创造了线路里的电流。“呼气吸气,往前往后,蹲下站起,你都在发电”,王中林说。

 

2014 年起,王中林开始在大鼠身上测试该系统,并通过这个几张纸厚的设备得到了毫瓦的电力。

 

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