从生物燃料电池走向柔性电子设备

随着科技的迅猛发展，人们手中的电子智能产品随之发生着日新月异的变化。从电脑、手机，再到逐渐火爆的智能手表和智能眼镜等等，制造商们试图使用更小、更轻便的设备集成更加丰富的功能。

其中，除了必备的信息收发等功能之外，健康监测功能日益受到消费者的关注和青睐。与医院中大型的医用检测设备不同，当前的便携式生物传感器能够即时性地报告佩戴者的日常身体状况。

很大程度上，这些能够记录生理信号并实时提供信息、甚至治疗的高性能可穿戴和可植入设备迎合了人们对于个性化医疗保健的需求。然而，传统刚性无机材料与柔软的有机人体组织之间的磨合将会导致各种不良后果，包括皮肤刺激、组织损伤、信噪比降低和使用时间限制等等。为此，大量的研究人员正在致力于推进并使用更为灵活和可拉伸的设计和材料来克服该类问题。

近年以来，柔性生物电子技术逐渐兴起，其凭借着优异的人体兼容性受到了广泛关注。另一方面，其与生物医疗科学紧密结合，将为新兴的预防和个性化医疗设备的发展带来了更多机遇。

于游博士于2017年在中国科学院长春应用化学研究所获得分析化学博士学位，今年4月，他结束了美国加州理工学院（California Institute of Technology）医学工程系的博士后研究，并在归国之后来到了上海科技大学的生物医学工程学院任职助理教授、研究员、博导、PI以及智能医疗分析与柔性生物电子实验室（Smart Medical Analysis and Soft Bioelectronics Lab）主任。

长期以来，于游专注于柔性生物电子及医疗机器人的相关研究，已在 Science Robotics、Science Advances、Advanced Materials、Nanoscale等相关领域期刊发表论文20余篇，近五年引用次数超1200次，并且申请美国发明专利2项。

于游表示，在上科大的个人实验室组建完成之后，其将继续推进柔性可穿戴电子医疗设备、人机交互以及柔性能量采集装置三个主要方向的研究工作。“我们计划以3年为一个时间节点，不断推动新兴的柔性电子可穿戴设备的进展。”

从生物燃料电池走向柔性电子设备

现代生活中，人们已经普遍具备了定期体检的健康意识，然而大部分人的体检活动并不频繁，无法及时反馈人体健康变化。另一方面，在病患就医时医生仅能够了解病人当前的情况，对于一些慢性病、或突发性疾病来说，就无法通过即时性的诊断获知详细的病因，或将发展为更大的致病隐患。

面对上述问题，人们对于健康监测设备提出了随身携带、随时随地检测等更多需求。于游因此想到，“类似于当前人们熟悉的心跳、运动监测设备，如果能够更进一步，在日常生活中，特别是在疾病突发时立即读取和收集身体中的变化数据，这将有利于获得更加全面的初步诊断。”

在博士期间，于游长期专注于针对生物燃料电池（biofuel cell，BFC）的研究，这为他进入柔性生物电子技术领域深入发展打下了深厚基础。

基于常规电池的可穿戴设备存在种种限制，例如频繁的充电需求、较大的体积以及高容量电池涉及的成本问题等等。可以说，想要向贴合皮肤的可穿戴设备迈进，研发更加小巧、轻便的电池是绕不过去的待解难题之一。

随着酶工程与电化学技术的持续进展，基于酶催化技术的生物燃料电池正在逐渐成为研究人员的“宠儿”，该技术的基础在于充分利用酶的催化作用，将化学能、生物质能转化为电能。举例来说，紧贴人体表面的酶类可以催化汗液中的乳酸产生丙酮酸，让该过程产生的电子流向电极阴极之后便会形成电能，由此形成电池的基本结构。

与常用电池相比，基于酶的生物燃料电池具备高稳定性、高生物相容性、清洁无污染以及可再生等优势，这为其在植入性设备中的应用提供了安全保障。

▲图丨在大鼠体内植入的生物燃料电池（来源：ScienceDirect）

另一方面，为了让设备在各种环境中能够稳定运行，新型电极和导电材料需要兼具高导电性和高拉伸性。高导电性是电子器件的运行基础，而柔性及高拉伸性则保障了良好的组织贴合度和高信噪比。柔性电子技术则成为了上述需求的有效解决方案。

柔性电子是融合了化学、物理、材料、生物、电子、计算机等多个学科的研究方向。近年以来，随着石墨烯、水凝胶等纳米材料技术的快速进展，基于复合材料的柔性电子设备已经具备在上百次弯曲的情况下依然保持高功率密度和高应变的优异稳定性能，“使用电子制造皮肤”的剧情即将从电影照进现实。

如何边发电边检测，甚至控制假肢？“只需出汗”

近年以来，来自材料科学、生化传感器和柔性生物电子等领域的研究突破，为新型皮肤接口可穿戴设备的发展铺平了道路。

2020年，于游所在团队发表多篇论文，试图利用柔性电子设备带来更加全面的健康监测体验。其中，发表于Science Robotics期刊的论文“Biofuel-powered soft electronic skin with multiplexed and wireless sensing for human-machine interfaces”，详述了结合生物燃料电池与柔性生物电子技术的新型软电子皮肤（e-skin），引发广泛关注。

▲图丨汗水驱动的多路无线传感软电子皮肤示意图（来源：Science Robotics）

该电子皮肤配备的生物燃料电池利用乳酸氧化酶分解人体汗液中的乳酸从而供电，其中的化学传感器用于采集关键的代谢生物标志物（例如葡萄糖，尿素，NH4+和pH值）和活动期间的皮肤温度数据，并通过低功耗蓝牙将个性化生理信息无线传输到用户界面。

酶作为催化剂具有良好的生物相容性。通过这种方式，一方面降低了传统电池的安全隐患；另一方面，通过分解汗液中的乳酸驱动设备，巧妙地让汗液在进行能量供给的同时被检测，形成相应的技术闭环。

值得注意的是，电子皮肤（e-skin）传感设备对于电源的供能时长和稳定功率具有极高要求，也是该类技术的难点。为此，于游团队在电池电极的设计中集成了0维到3维的纳米材料，以获得最佳的供电性能。经改造的汗液动力集成电子皮肤（PPES）电池实现了创纪录的3.5mW/cm²的功率密度，并且能够连续稳定运行60小时。

▲图丨实现高效能量收集的柔性纳米生物燃料电池阵列（来源：Science Robotics）

不止如此，该设备兼具生化传感器与人机交互技术。经测试，当电子皮肤充分接触到汗液之后，不仅能够采集温度和汗液分析物的浓度数据，还可用于监测人体运动行为，甚至通过人机交互界面控制假肢行走。

“可穿戴设备迄今已经发展了20余年，基于物理传感器系统所检测的数据虽然不少，但并不全面，”于游介绍道，“想要研发以健康监测为目标的产品，代谢物检测是其中一项重要工作。除此之外，人机交互则为该类产品的未来提供了更多可能。”

“该过程中，应变传感器通过电阻的变化去监测手腕、手肘甚至手指等部位的弯曲程度并控制机器。”于游对此谈到，“这只是初步的尝试，实际我们需要考虑的是，我们期盼的未来人机交互模式应该是什么样子？柔性电子在人机交互过程中应该扮演什么样的角色？”

“做出差异化的技术和产品将是下一个目标”

目前，于游在上海科技大学的个人实验室正在筹备之中。接下来，其计划沿着三个主要的研究方向继续展开工作：柔性可穿戴电子医疗设备、人机交互以及柔性能量采集装置。

“随着柔性电化学生物电子学的发展，人体内多种化学成分的原位定量成为可能。”于游介绍，新型传感技术凭借高环境适应性、高灵敏度、高选择性和低成本的优势，将为非介入式、个性化的健康监测提供广阔前景。

例如，当前仍需要穿刺手指的血糖检测，如果将血液与汗液中的标志物数据建立计算模型，那么未来通过检测汗液中的葡萄糖浓度将为糖尿病患者带来更好的检测体验。

而在人机交互工作方面，于游将试图在深度学习和人工智能的辅助下，进一步实现精细化操作。

医疗机器人是否能够精准的完成医生的动作，这个问题在很大程度上能够决定手术的成败。“当前的医疗机器人普遍解决了手势动作感应，进一步观察发现，特别是在医疗领域中，每个医生的手势力度、位移和习惯其实各不相同，这些都是可以用人工智能解决的问题。”

近年以来，随着柔性电子材料制造工艺的不断革新，该领域技术的发展随之突飞猛进。诸如激光打印、喷墨打印和3D打印技术的推出使得柔性电子设备的成本不断降低，广泛走入人们的生活之中。

今年6月，于游团队再发论文，使用纳米材料墨水的可扩展喷墨打印技术制造用于电生理记录的多模态机器人传感系统（M-Bot），以进一步推动其在农业、安全、环境保护和公共卫生领域的应用。

类似于正在流行的智能手表，当前的消费级可穿戴设备已经实现了对于心率、血氧、运动状态的实时监测功能。人们对于可穿戴设备的态度也逐渐从新奇转变成习以为常，其商业价值也得到了市场的广泛认同。

对于柔性电子技术的未来，于游认为“其将在可穿戴设备上产生持续性的技术突破”。当前，大部分的可穿戴设备仍然需要固体外壳作为支撑，在其内部集成各种原件。而在材料科学的带动作用之下，未来的柔性电子或将带来真正无感化的佩戴甚至植入体验。

“你感受不到它的存在，但它却时时刻刻在工作。这是我们需要达到的目标之一。”事实上，当前的消费级可穿戴设备市场已经十分拥挤，电子制造厂商乐于推出更新颖、具有更多检测功能的佩戴用品来抢占市场，而与健康管理相关的消费则更是成为了一种潮流，受到了用户的追捧。

“现阶段，以健康监测为卖点的消费级产品其实存在着高度同质化的问题，目前还没有真正差异化的产品推出。”于游说道，“此前我的研究工作是在国外完成，那么在回国之后，做出差异化、本土化的技术和产品将是下一个目标。”

审核编辑 ：李倩