表皮穿戴式健康监测设备：近期趋势与展望

《Sensors》：On-Skin Wearable Health Monitoring Devices: Recent Trends and Perspectives

　　

：表皮非侵入式可穿戴健康监测设备（WHMDs）已从实验室原型快速演进为能够连续追踪生理与生化信号的可商业化系统。通过集成表皮温度传感器、电生理电极、生化传感平台、低功耗电子器件及无线通信技术，此类系统正成为个性化与去中心化医疗的关键推动力量，其实现途径是直接从皮肤表面连续获取具有临床意义的信息。本展望（Perspective）阐述了研究人员对定义现代表皮WHMDs的关键技术支柱之最新进展的观点，包括非侵入式传感策略、先进材料、处理与无线通信单元、能量存储方案、能量采集技术及电源管理架构，并特别关注已达到较高技术就绪水平（TRLs）的技术。研究人员强调，下一代表皮WHMDs必须在性能与可持续性及长期可靠性之间取得平衡，这包括采用可生物降解与可回收材料、低功耗可重构电子器件、固态电池及混合能量采集系统。通过将技术创新与以人为本及环境友好的设计原则相结合，表皮WHMDs有望发展为可扩展、公平且对环境负责的未来数字医疗工具。

论文解读

一、研究背景与问题

近年来，纳米技术、材料科学、柔性电子、先进传感系统、无线通信及低功耗电路设计的进步，正深刻推动可穿戴健康监测设备（WHMDs）的变革。这些技术使WHMDs从实验室原型迈向工业与商业部署，从简单的消费配件演变为能够连续监测多种物理与生化指标的先进平台。WHMDs有望通过实现泛在的即时检测（POC）诊断来变革医疗模式，提供连续、实时的临床相关信息，从而更早发现健康恶化、加快医疗干预并实现个性化治疗。然而，当前WHMDs的发展面临多重挑战：其一，尽管多项关键技术已具备较高技术就绪水平（TRL 6–7），但完整平台达到大规模部署所需的TRL 8–9仍存在差距；其二，环境暴露、温度波动、湿度、重复机械形变、意外冲击及用户个体差异会显著影响设备性能与可靠性；其三，传统刚性电池存在毒性、机械刚性、频繁充电等问题；其四，传感器与皮肤界面的长期稳定性、透气性、生物相容性及可持续性仍有待提升。因此，研究人员从技术中心视角出发，围绕传感单元、处理与通信单元、天线及电源系统四大核心构件，系统审视了表皮WHMDs的最新进展与未来方向。该论文发表于《Sensors》。

二、关键技术方法

研究人员围绕表皮WHMDs的四大核心构件展开系统综述。在传感层面，涵盖基于电阻温度检测器（RTDs）与负温度系数（NTC）热敏电阻的温度传感器，采用激光还原氧化石墨烯（LrGO）、激光诱导石墨烯（LIG）、银纳米颗粒墨水等材料，结合丝网印刷、喷墨打印、气溶胶喷射打印等工艺；电生理传感器涵盖银/氯化银（Ag/AgCl）湿电极、碳基干电极及导电水凝胶电极；汗液传感器采用计时电流法与电位法，结合离子电渗刺激与微流控汗液管理平台。在通信层面，涉及蓝牙低功耗（BLE）、近场通信（NFC）、窄带物联网（NB-IoT）及LTE-M等协议，采用片上系统（SoC）架构与专用模拟前端（AFE）。在电源层面，涵盖锂离子/锂聚合物电池、固态电池（SSBs）、超级电容器及多种能量采集（EH）技术，包括光伏（PV）、压电、摩擦电、热电及射频（RF）采集，并采用环境能量管理器（AEMs）实现电源管理。

三、研究结果

传感器部分：温度传感器方面，研究发现皮肤温度是疾病的重要初步指标，但商用接触式传感器刚性限制长期使用。电阻式器件分为RTDs与NTC热敏电阻，研究重点转向柔性、可拉伸、生物相容材料，纤维素基底、壳聚糖、丝素蛋白等可生物降解材料成为新兴候选。封装层对保证热传导与防潮防磨损至关重要。电生理传感器方面，Ag/AgCl湿电极为金标准，但存在凝胶脱水、皮肤刺激等问题；碳基纳米材料干电极与导电水凝胶电极成为有前景的替代方案，可改善皮肤接触并减少运动伪影。汗液传感器方面，电化学传感器为优选方案，计时电流法与电位法为两种主要检测技术；离子电渗系统可实现可控汗液刺激，微流控架构与水凝胶流体管理策略可确保可靠采样与样本更新。挑战与未来方向方面，自粘附表皮传感器、透气架构、导电水凝胶界面、机器学习（ML）校准与漂移补偿、多模态传感器融合及核心体温估算模型成为重要发展方向。

处理与通信单元部分：处理单元选择需考虑尺寸、传感器输出接口、数据传输速率及通信场景等因素。NFC/RFID方案适用于偶发测量，可实现无电池运行；BLE为连续监测的黄金标准；NB-IoT与LTE-M适用于远程医疗监测。SoC架构集成MCU与通信接口，成为WHMDs设计的核心。专用AFE（如心电图AFE与恒电位仪）对信号调理至关重要。挑战方面，数据量增长、连续无线传输的高能耗、数据安全与隐私、刚性IC与柔性基板的机械失配及可持续性成为主要瓶颈。事件驱动架构、片上轻量级深度学习、硬件安全模块（HSMs）及应变限制架构、可拉伸互连等成为应对策略。

天线部分：可穿戴天线需在NFC/RFID低频段、LTE-M/NB-IoT高频段、2.4 GHz ISM频段及超宽带（UWB）频段高效工作。导电迹线与基底材料特性对天线性能至关重要，银纳米颗粒（AgNPs）、银纳米线（AgNWs）及铜墨水等替代材料通过打印或增材制造实现柔性天线。挑战包括人体组织对天线性能的影响、比吸收率（SAR）合规、机械形变导致性能变化、多无线功能集成时的电磁耦合及可持续制造。可重构天线与系统级协同设计成为未来方向。

电源系统部分：锂离子/锂聚合物电池为当前主要电源，但存在毒性、刚性及环境问题。固态电池（SSBs）因更高安全性、能量密度与循环寿命成为最有前景的替代方案，TDK的CeraCharge?为世界首款可充电全陶瓷固态电池。锌/二氧化锰（Zn/MnO₂）体系作为环保替代方案受到关注。水凝胶电解质超级电容器具有内在柔性、可拉伸性与自粘附性，适合缓冲间歇性采集能量。能量采集方面，光伏（PV）电池具有最高功率密度，单晶硅（mono-Si）为最成熟技术，有机太阳能电池（OSCs）因轻量、低成本及低光耐受性受关注；压电与摩擦电采集将生物力学能量转化为电能，适用于鞋垫与智能纺织品；可穿戴热电发电机（WTEGs）利用塞贝克效应将体热转化为电能；RF采集通过整流天线（rectenna）捕获环境电磁能量；酶生物燃料电池（EBFCs）可直接从汗液代谢物中提取能量并兼作自供电生物传感器。

四、讨论与结论

论文总结指出，下一代WHMDs的核心挑战已不再局限于单个组件的性能提升，而在于跨所有技术领域的协同设计。表皮传感器正从单一用途换能器向多模态、自校准平台演进，融合生理信号与计算模型以补偿运动、汗液、温度等变异源；处理与通信单元需将安全与隐私作为首要设计约束，硬件安全模块与认证低功耗微控制器成为核心设计指标；天线设计无法与人体交互、SAR法规约束及多无线子系统共存问题分离；电源系统正汇聚于结合柔性储能与互补采集机制的混合架构。研究人员认为，该领域最有前景的路径在于采用混合电源架构，将柔性储能器件、低功耗电子器件与多种互补采集机制相结合，在自主性、可穿戴性与可持续性之间实现实际平衡。临床转化与可持续性作为跨领域考量，分别取决于传感精度、处理安全、天线合规与电源可靠性的联合成熟度，以及涵盖材料采购、制造、可维修性、可复用性、组件回收与循环路径的全生命周期协同设计。