文章目录
- 1. Introduction
- 2.Mechanics and Materials for Bio-Integrated Wearable Systems(生物集成可穿戴系统的力学与材料)
- 3. Bio-Integrated Wearable Sensors （生物集成可穿戴传感器）
- 4. Power 电源
- 5. System Level Embodiments 系统级别的实施例
- 6. Challenges and Future Outlook 挑战与未来展望
1. Introduction
自然生理过程产生了多种生物物理（温度、生物优势、运动) (temperature, biopotential, motion)和生化(电解质、代谢物） (electrolytes, metabolites)信号，这些信号可以通过身体集成传感器进行测量和量化。
由此产生的信息对于深入了解健康状况、量化人类性能以及为人机控制接口建立双向通信通道 （bidirectional communication channels for human/machine）具有至关重要的价值。
最先进的无创生理监测系统利用 utilize复杂的电子记录硬件，具有有线接口，通过磁带/磁带将传感器连接到皮肤上。
手术通常涉及临床或实验室环境中的专家人员。虽然能够精确测量具有明确的、深刻的临床意义的参数，但这些系统很麻烦，通常不能用于专门设施之外的长期、持续的监测。
可穿戴设备通常以小的、刚性的无线电子/传感元件松散耦合（ loosely coupled to the wrist）的形式，作为生理监测解决这些限制的范式转变提供了一些潜力。这些设备，它们的存在主要是由于集成电路的不断小型化，通过摩尔定律缩放，可以产生估计某些基本生命体征（心率、皮肤温度），他们可以记录物理运动，通常的手腕或胸部
2.Mechanics and Materials for Bio-Integrated Wearable Systems(生物集成可穿戴系统的力学与材料)
传感器与人体软表面和曲线表面的直接集成需要仔细注意材料设计，以确保做到无缝
传统平面电子器件最发达的材料是无机的，其高模量、脆性的力学性质本质上不适合生物集成
可拉伸性，如定义为线性弹性响应大应变变形，是至关重要的。
可拉伸功能材料依赖于专门的合成材料/复合材料或微观/纳米结构。
2.1. Functional Electronic Materials for Stretch able Electronics and Bio-Integrated Wear able Sensors (可拉伸电子和生物集成可穿戴传感器的功能电子材料)
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 (将生物集成可穿戴系统与身体进行接口)
可穿戴设备与人身的无缝集成不仅需要考虑设备的组成（材料）和结构（设计），还需要考虑设备/人体界面规定的要求。
与身体直接接触的材料的生物相容性（The biocompatibility of materials）不仅对确保无刺激界面，，而且对消除过敏或毒性反应的风险也至关重要。
生物集成可穿戴设备的一个关键特点是，它们能够在各种环境条件下，在短期（几分钟到几小时)和长期(天到几周）内与身体接触。这些设备通常通过粘合接头保持这种接口，又需要仔细注意粘附强度，在设备应用或去除期间减轻物理损伤的策略（例如，去除皮肤)，以及设计消除界面污染物205(例如，油)或捕获水分(例如，汗液）。
通常，生物集成的可穿戴设备利用贵金属（主要是黄金）和医疗级硅类(如PDMS)来定义接口
2.2.1. Introduction to Bio-Integration （ 生物集成介绍)
2.2.2. Interfacing with the Epidermis (与表皮的接口)
新兴类别的可穿戴设备是一种具有支持与身体的接口的设备，这与商业上可穿戴设备典型的松散机械耦合有定性的不同（下图）
新兴类别的可穿戴设备以亲密的、保形接触为特征，由此产生的配置消除了与相对运动相关的伪影（artifacts ？），并支持许多临床相关的需要与皮肤有物理界面的测量模式，如脑电图(EEG)，肌电图(EMG)、和心电图(ECG)。
精确皮肤热成像（精密皮肤热成像）、动脉测压仪（arterial tonometry）和皮肤生命体征监测是需要亲密耦合的，因为即使是小的空气间隙也可以阻止数据收集和/或引入重大错误
C 在扭转运动过程中，硅纳米膜二极管传感器共形安装在皮肤上的光学图像。
D 附着在手指上的纳米网导体的光学图像。
轻、高透气的界面材料具有弹性、低的模量的机械响应在大应变变形是重要的。
- 超薄，透气的装置直接层压在皮肤上可以作为广泛的测量类型的基础，如果连续长时间没有炎症或限制自然运动或身体过程。
- 不渗透界面代表了这种保形接触的延伸，对生物液体直接从表皮出现时的捕获、运输、储存和化学分析特别感兴趣。具体来说，与薄的、软的微流控装置的不渗透界面可以作为水密密封，用于分析微升数量的汗液，具有足够的时空分辨率来表征瞬时汗液率
2.2.3. Interfacing with Other Areas of the Body （与身体其他部位的接口）
虽然表皮是生理监测的一个有吸引力的界面点，但在皮肤最上层的角质层脱落的自然过程，在最有利的情况下，整合时间也是被限制在几周。
敏感皮肤类型的刺激、炎症和其他不良反应这也代表了其他的缺点。
代替方案：
- 牙齿和指甲代表了坚硬、稳定的底物，用于长期监测，没有刺激的风险，分别具有测量生化标志物和生物物理信号的能力。例如，利用无电池、近场通信(NFC)技术的小型设备可以支持光学传感器，无线捕获波体积体积图(PPG)波形、血液氧合和心率长达三个月，其中指甲作为光谱表征底层组织床的光学窗口
Earbud-style wearable devices（“耳机”、“可穿戴设备”、“可穿戴设备”），与那些安装在更传统的皮肤部位的设备相比，消除了对粘合剂（adhesives）的需要，并在很大程度上避免了毛囊（hair -follicles）的有害影响
眼镜可以支持其他的接口，其中的例子包括电化学传感器，它集成到由眼镜双臂支持的无线通信模块的鼻桥垫中。
进一步的安装实例体现在直接安装在眼角膜（ cornea）上，以允许对眼泪进行生化分析（biochemical analysis of tears.）。眼泪中的葡萄糖水平与血液样本葡萄糖水平的相关性可能提供一种非侵入性的方法（noninvasive means）来管理糖尿病。在这里，隐形眼镜提供了一个理想的基底。
唾液Saliva，作为汗液的替代品，可以使用安装在口腔内的设备来分析激素、电解质和代谢物( hormones, electrolytes,and metabolites)。在一个例子中，带有电化学传感器和无线通信系统(electro-chemical sensors and a wireless communication systems)(蓝牙功耗，BLE)的软口腔防护器对唾液中的尿酸（uric acid in saliva）进行连续安培监测（ ampero-metric monitoring）？
3. Bio-Integrated Wearable Sensors （生物集成可穿戴传感器）
如前所述，与表皮界面的技术利用软功能材料，可以包括可用于生物物理、生化和环境信号的广泛生物传感器。
本节通过讨论许多最重要的、最近开发的用于连续、实时监测生理健康的重要参数的设备，总结了作为这些系统基础的材料和技术。
3.1. Biophysical Signals 生物物理信号
柔软的、皮肤界面的传感器现在可用于无创测量与心脏、大脑、周围神经系统（peripheral nervous system）、骨骼肌和血管树活动相关的生物潜力（biopotentials）、绝对或相对的身体运动（physical motions）和热信号（thermal signals）。
以下小节对测量这些信号的主要进展进行了关键的评估，大致分为电生理、运动学和温度调节，并强调了传感器在表征皮肤特性和记录血管动力学产生的生物物理信号方面的效用（sensor utility）
生物物理传感器的主要部件示意图。
Schematic illustration of the main components of biophysical sensors.
3.1.1. Electrophysiological 电生理学
最先进的电生理皮肤集成传感器（ electro-physiological skin-integrated sensors）结合了具有无线通信能力的超薄共形电极接口、和适合长期监测的低功率电子设备。
与临床设计的传统系统的性能比较，后者需要导电凝胶、胶带和与外部数据采集电子设备的硬线连接。
材料科学和结构设计的进展形成了各种类型的无凝胶干燥电极的基础，这些电极直接与皮肤接触，不与蒸发干燥和皮肤刺激有关，如下所示。