文章目錄
- 1. Introduction
- 2.Mechanics and Materials for Bio-Integrated Wearable Systems(生物內建可穿戴系統的力學與材料)
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- 2.1. Functional Electronic Materials for Stretch able Electronics and Bio-Integrated Wear able Sensors (可拉伸電子和生物內建可穿戴傳感器的功能電子材料)
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- 2.1.1. Materials: Synthesis (材料：合成)
- 2.1.2. Materials: Engineering (材料：工程)
- 2.2. Interfacing Bio-Integrated Wearable Systems with the Body (将生物內建可穿戴系統與身體進行接口)
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- 2.2.1. Introduction to Bio-Integration （ 生物內建介紹)
- 2.2.2. Interfacing with the Epidermis (與表皮的接口)
- 2.2.3. Interfacing with Other Areas of the Body （與身體其他部位的接口）
- 3. Bio-Integrated Wearable Sensors （生物內建可穿戴傳感器）
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- 3.1. Biophysical Signals 生物實體信号
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- 3.1.1. Electrophysiological 電生理學
- 3.1.2. Kinematic 運動學的
- 3.1.3. Thermoregulatory 體溫調節的
- 3.1.4. Skin Properties 皮膚特性
- 3.1.5. Vascular Dynamics 血管動力學
- 3.2. Biochemical Signals 生化信号
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- 3.2.1. Metabolites 代謝物
- 3.2.2. Electrolytes 電解液
- 3.2.3. Miscellaneous Biochemical Signals 其他生化信号
- 3.3. Environmental Signals 環境信号
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- 3.3.1. Light光
- 3.3.2. Gases 氣體
- 3.3.3. Miscellaneous Environmental Signals 雜項環境信号
- 4. Power 電源
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- 4.1. Energy Storage Technologies 儲能技術
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- 4.1.1. Batteries 5496電池
- 4.1.2. Supercapacitors超級電容器
- 4.2. Energy Harvesting Technologies 能源擷取技術
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- 4.2.1. Radio Frequency 射頻
- 4.2.2. Photovoltaics 光伏發電
- 4.2.3. Thermoelectrics熱電學
- 4.2.4. Piezoelectrics 壓電體
- 4.2.5. Triboelectrics 三電學
- 4.2.6. Biofuel Cells .生物燃料電池
- 4.3. System Efficiency .系統效率
- 5. System Level Embodiments 系統級别的實施例
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- 5.1. Fully Integrated Bio-Integrated WearablePrototypes 完全內建的生物內建式可穿戴式原型
- 5.2. Fully Integrated Bio-Integrated WearableSystems in the Market 完全內建的生物內建可穿戴系統在市場上
- 6. Challenges and Future Outlook 挑戰與未來展望
1. Introduction
自然生理過程産生了多種生物實體（溫度、生物優勢、運動) (temperature, biopotential, motion)和生化(電解質、代謝物） (electrolytes, metabolites)信号，這些信号可以通過身體內建傳感器進行測量和量化。
由此産生的資訊對于深入了解健康狀況、量化人類性能以及為人機控制接口建立雙向通信通道 （bidirectional communication channels for human/machine）具有至關重要的價值。
最先進的無創生理監測系統利用 utilize複雜的電子記錄硬體，具有有線接口，通過錄音帶/錄音帶将傳感器連接配接到皮膚上。
手術通常涉及臨床或實驗室環境中的專家人員。雖然能夠精确測量具有明确的、深刻的臨床意義的參數，但這些系統很麻煩，通常不能用于專門設施之外的長期、持續的監測。
可穿戴裝置通常以小的、剛性的無線電子/傳感元件松散耦合（ loosely coupled to the wrist）的形式，作為生理監測解決這些限制的範式轉變提供了一些潛力。這些裝置，它們的存在主要是由于內建電路的不斷小型化，通過摩爾定律縮放，可以産生估計某些基本生命體征（心率、皮膚溫度），他們可以記錄實體運動，通常的手腕或胸部
2.Mechanics and Materials for Bio-Integrated Wearable Systems(生物內建可穿戴系統的力學與材料)
傳感器與人體軟表面和曲線表面的直接內建需要仔細注意材料設計，以確定做到無縫
傳統平面電子器件最發達的材料是無機的，其高模量、脆性的力學性質本質上不适合生物內建
可拉伸性，如定義為線性彈性響應大應變變形，是至關重要的。
可拉伸功能材料依賴于專門的合成材料/複合材料或微觀/納米結構。
2.1. Functional Electronic Materials for Stretch able Electronics and Bio-Integrated Wear able Sensors (可拉伸電子和生物內建可穿戴傳感器的功能電子材料)
2.1.1. Materials: Synthesis (材料：合成)
2.1.2. Materials: Engineering (材料：工程)
2.2. Interfacing Bio-Integrated Wearable Systems with the Body (将生物內建可穿戴系統與身體進行接口)
可穿戴裝置與人身的無縫內建不僅需要考慮裝置的組成（材料）和結構（設計），還需要考慮裝置/人體界面規定的要求。
與身體直接接觸的材料的生物相容性（The biocompatibility of materials）不僅對確定無刺激界面，，而且對消除過敏或毒性反應的風險也至關重要。
生物內建可穿戴裝置的一個關鍵特點是，它們能夠在各種環境條件下，在短期（幾分鐘到幾小時)和長期(天到幾周）内與身體接觸。這些裝置通常通過粘合接頭保持這種接口，又需要仔細注意粘附強度，在裝置應用或去除期間減輕實體損傷的政策（例如，去除皮膚)，以及設計消除界面污染物205(例如，油)或捕獲水分(例如，汗液）。
通常，生物內建的可穿戴裝置利用貴金屬（主要是黃金）和醫療級矽類(如PDMS)來定義接口
2.2.1. Introduction to Bio-Integration （ 生物內建介紹)
2.2.2. Interfacing with the Epidermis (與表皮的接口)
新興類别的可穿戴裝置是一種具有支援與身體的接口的裝置，這與商業上可穿戴裝置典型的松散機械耦合有定性的不同（下圖）
新興類别的可穿戴裝置以親密的、保形接觸為特征，由此産生的配置消除了與相對運動相關的僞影（artifacts ？），并支援許多臨床相關的需要與皮膚有實體界面的測量模式，如腦電圖(EEG)，肌電圖(EMG)、和心電圖(ECG)。
精确皮膚熱成像（精密皮膚熱成像）、動脈測壓儀（arterial tonometry）和皮膚生命體征監測是需要親密耦合的，因為即使是小的空氣間隙也可以阻止資料收集和/或引入重大錯誤
C 在扭轉運動過程中，矽納米膜二極管傳感器共形安裝在皮膚上的光學圖像。
D 附着在手指上的納米網導體的光學圖像。
輕、高透氣的界面材料具有彈性、低的模量的機械響應在大應變變形是重要的。
- 超薄，透氣的裝置直接層壓在皮膚上可以作為廣泛的測量類型的基礎，如果連續長時間沒有發炎或限制自然運動或身體過程。
- 不滲透界面代表了這種保形接觸的延伸，對生物液體直接從表皮出現時的捕獲、運輸、儲存和化學分析特别感興趣。具體來說，與薄的、軟的微流控裝置的不滲透界面可以作為水密密封，用于分析微升數量的汗液，具有足夠的時空分辨率來表征瞬時汗液率
2.2.3. Interfacing with Other Areas of the Body （與身體其他部位的接口）
雖然表皮是生理監測的一個有吸引力的界面點，但在皮膚最上層的角質層脫落的自然過程，在最有利的情況下，整合時間也是被限制在幾周。
敏感皮膚類型的刺激、發炎和其他不良反應這也代表了其他的缺點。
代替方案：
- 牙齒和指甲代表了堅硬、穩定的底物，用于長期監測，沒有刺激的風險，分别具有測量生化标志物和生物實體信号的能力。例如，利用無電池、近場通信(NFC)技術的小型裝置可以支援光學傳感器，無線捕獲波體積體積圖(PPG)波形、血液氧合和心率長達三個月，其中指甲作為光譜表征底層組織床的光學視窗
Earbud-style wearable devices（“耳機”、“可穿戴裝置”、“可穿戴裝置”），與那些安裝在更傳統的皮膚部位的裝置相比，消除了對粘合劑（adhesives）的需要，并在很大程度上避免了毛囊（hair -follicles）的有害影響
眼鏡可以支援其他的接口，其中的例子包括電化學傳感器，它內建到由眼鏡雙臂支援的無線通信子產品的鼻橋墊中。
進一步的安裝執行個體展現在直接安裝在眼角膜（ cornea）上，以允許對眼淚進行生化分析（biochemical analysis of tears.）。眼淚中的葡萄糖水準與血液樣本葡萄糖水準的相關性可能提供一種非侵入性的方法（noninvasive means）來管理糖尿病。在這裡，隐形眼鏡提供了一個理想的基底。
唾液Saliva，作為汗液的替代品，可以使用安裝在口腔内的裝置來分析激素、電解質和代謝物( hormones, electrolytes,and metabolites)。在一個例子中，帶有電化學傳感器和無線通信系統(electro-chemical sensors and a wireless communication systems)(藍牙功耗，BLE)的軟口腔防護器對唾液中的尿酸（uric acid in saliva）進行連續安培監測（ ampero-metric monitoring）？
3. Bio-Integrated Wearable Sensors （生物內建可穿戴傳感器）
如前所述，與表皮界面的技術利用軟功能材料，可以包括可用于生物實體、生化和環境信号的廣泛生物傳感器。
本節通過讨論許多最重要的、最近開發的用于連續、實時監測生理健康的重要參數的裝置，總結了作為這些系統基礎的材料和技術。
3.1. Biophysical Signals 生物實體信号
柔軟的、皮膚界面的傳感器現在可用于無創測量與心髒、大腦、周圍神經系統（peripheral nervous system）、骨骼肌和血管樹活動相關的生物潛力（biopotentials）、絕對或相對的身體運動（physical motions）和熱信号（thermal signals）。
以下小節對測量這些信号的主要進展進行了關鍵的評估，大緻分為電生理、運動學和溫度調節，并強調了傳感器在表征皮膚特性和記錄血管動力學産生的生物實體信号方面的效用（sensor utility）
生物實體傳感器的主要部件示意圖。
Schematic illustration of the main components of biophysical sensors.
3.1.1. Electrophysiological 電生理學
最先進的電生理皮膚內建傳感器（ electro-physiological skin-integrated sensors）結合了具有無線通信能力的超薄共形電極接口、和适合長期監測的低功率電子裝置。
與臨床設計的傳統系統的性能比較，後者需要導電凝膠、膠帶和與外部資料采集電子裝置的硬線連接配接。
材料科學和結構設計的進展形成了各種類型的無凝膠幹燥電極的基礎，這些電極直接與皮膚接觸，不與蒸發幹燥和皮膚刺激有關，如下所示。