可穿戴式納米生物傳感器的研發及在運動中應用

董廣新+弗雷德里克·澤浩森+古健

當前，國內外普遍掀起運動熱潮，智能手表、運動手環及智能手機運動軟件發展迅速。但其功能上還比較單一，僅能檢測人體的運動時間、運動距離、步長、步頻、步數，以及運動時心率等常規指標。這些指標對高水平運動員的訓練幫助不大。隨著納米技術和智能設備的發展，對運動員在訓練中的心臟實時狀況檢測、呼吸狀況檢測、運動中各階段的心理反應，以及反映運動員運動量與強度的汗液的生理、生化指標實時監控已經成為可能。在運動過程中，可穿戴式生物傳感器可以評估運動員在訓練過程中的生理信號和身體運動學的性能指標。這種傳感器可以完全地嵌入集成在運動員的智能手環、頭箍導汗帶、運動服裝及襪子里。使得這種生理監測進入一個完全自然的境界。

1 生物傳感器研發及應用于體育領域的背景

美國的納米技術和生物傳感器技術處于世界領先地位。美國應用納米生物學和醫學中心是納米技術和生物傳感器技術研發較好的機構，隸屬于亞利桑那大學。該中心致力于在納米科學、微機電系統、分子生物學和基因組學等領域研發新一代生物傳感器，在納米技術方面有獨特的研究和進展。該中心具有多學科背景的研究人員，在分子生物學、物理學、材料科學、電氣和機械工程、化學和納米技術等方面都有一定的造詣。

納米生物傳感器最早運用于醫學領域。由于全世界癌癥病人患者的不斷增多，生物傳感器在早期癌癥診斷中起了重要的作用。近年來，科學家探索了納米材料的很多優良的物理和化學性質，納米材料在疾病標記物檢測方面的應用催生了一系列超靈敏檢測方法。納米技術的產生為超靈敏生物傳感器打開了新的途徑。納米金，石墨烯，碳納米管和DNA納米結構在生物傳感器的設計與發展產生了重要影響。由此，一些研發機構開發了一些針對醫生診斷和針對病人疾病監控的生物傳感器。這些傳感器的研發問世也引起了體育界注意，認為通過這些設備，教練們能夠得到運動員訓練中的實時運動數據，并進行記錄和分析。由此產生這些智能設備能否運用于體育領域的思考。

2 納米生物傳感器的研發對運動員的重要意義

科技成果最終要轉化成生產力。生物電傳感器可以捕捉到人軀體、大腦和心臟發出的電信號，經過數字化信號處理后，輸出準確、詳細的人體相關信息。教練員和運動員可以使用這些產品監測運動中的身心狀況，從而能夠更加科學地了解運動員運動中身體情況及對運動強度的適應情況，監控運動過程，提高運動訓練效果。

智能手環、智能手表、健身腕帶等穿戴設備不斷涌入市場，消費者們已不再為這些小巧精致的設備和看似神奇的功能而感嘆，進而追求功能更多樣、更專業、使用更方便的智能設備。隨著納米技術運用于生物傳感器，未來傳感器將可以嵌入可穿戴設備。智能傳感器可以追蹤心率、呼吸、汗液成分和其它人體生理數據，使用起來將更加方便。

3 納米技術與生物傳感器的現狀

納米技術和生物技術是21世紀的兩大領先技術，在這兩者之間存在著許多技術交叉。近20多年以來，生物傳感技術發展十分迅猛，它是一個由生物、化學、醫學、物理、電子技術等多種學科相互滲透形成的研究領域。美國應用納米生物學和醫學中心的科研人員研發的新一代納米技術生物傳感器，可以看到在特定的微生物組成人體細胞的反應和不同的微生物成分，看到這些細胞對某些藥物的反應，制定個性化的藥物治療方案。后期研究中他們將會把這項技術擴展到運動領域，改善納米生物傳感器對健康人體一些生理、生化指標檢測的靈敏性和特異性。

4 納米生物傳感器在體育中應用前景

4.1 汗液成分分析

目前正在研發的納米生物汗液傳感器，通過汗液分析身體狀況。汗液傳感器可測量汗水中特定分子水平，從而獲得個人生理和健康的實時信息。主要通過測量汗液中的電解質和各種代謝物、以及皮膚表面溫度，來分析運動員當前的身體狀況。該傳感器可為在戶內外長時間運動的人提供詳細的汗液分析。該傳感器可同時進行多個汗液代謝物的測量，包括葡萄糖、乳酸和電解質（如鉀和鈉離子），同時還可監測皮膚溫度。從功能上來看，現階段研發的汗液傳感器僅局限于測量汗液數據。研發團隊計劃未來這款傳感器不僅僅可分析汗液數據，甚至還可以追蹤任何體液的數據。比如，當你生病或者受傷的時候，能夠立刻發現自己相應的體液分析數據出現異常。

這項技術的工作原理是：將生物傳感器技術集成在一塊小的貼片中，然后緊貼皮膚上，就能夠檢測汗液中表明你身體狀況的生物標記，例如電解質、乳酸、蛋白質等。人體排出的汗液當中具有豐富的生理信息，是人體健康狀況最直觀的反應方式之一。汗液當中，這種信息是非常復雜的。他們正在攻克這一技術難題，提取汗液當中的有用信息進行分析，將這些數據分析處理后傳送到智能手機或電腦中。實驗中可檢測存在于離子與質子等超小濃度中的基本帶電粒子，不僅能反映出汗水的pH平衡，還能顯示疲勞狀態時更復雜的水合狀況。能夠為個人的水合、壓力或疲勞程度提供即時且準確的檢測。實時分析這些生物標記數據，為運動訓練提供有針對性專業建議。

汗液成分和排汗量的信息是補液成分的重要依據。在運動過程中，補液是一個重要的環節。它不僅能補充流失的汗液而且還能補充體內流失的電解質。分布在織物通道里嵌入了PH敏感的著色指示劑，一旦有汗水附著就會有色差反映。它可以很好、實時、直接地收集和分析汗液。實時分析出來的信號可以直接反饋到教練員或運動員那里。通過這塊集成了汗液傳感器的貼片，就可以知道，何時需要補充水分，需要喝多少水，需要喝純凈水還是運動飲料。通過檢測皮膚溫度，可以在有潛在中暑和運動過度的危險之前及時提醒你。未來在電解質平衡檢測和水分檢測之外，該傳感器技術還能監測肌肉疲勞度、體力消耗水平、呼吸和皮膚的PH值，這樣能有效降低運動中抽筋等情況發生。

4.2 呼吸監控

呼吸是一種評估身體功能運動狀態的指標。當運動員提高運動強度時，則伴隨著快速率的呼吸和高頻率的心跳。目前，醫學臨床上已經有胸腹部呼吸波形傳感器，用于檢測呼吸氣流波形。產品具有靈敏度高，低頻響應好，與人體無直接接觸，適合于佩戴的扁平帶式，能真實地反應呼吸波形。經標定和信號處理還可以獲得呼吸率、呼吸氣流持續時間、潮氣量、通氣量及流速等參數，適合多種儀器配套使用。但其明顯缺點是由于體積大，佩戴不方便，不適合于運動員室外運動佩戴。

而新型納米可穿戴式生物傳感器，通過織物應力或壓力，可以檢測呼吸頻率來測量胸腔擴大和收縮狀態。該傳感器設計在靠近胸部的有彈性運動服裝中。當吸氣時，胸腔擴大，傳感器被壓縮，電導率增加。當呼氣時，胸腔收縮，傳感器釋放而析出的電導率返回到基線。衣物材料可用彈性針織面料來實現。通過測量運動中呼吸狀況，可以評估運動或恢復效率以及提供及時的生化反饋。

4.3 心電監控

用于運動中心臟監控的納米可穿戴式生物傳感器置于衣物靠近心臟部位，可以獲取運動中心臟的實時數據，能追蹤心率、心臟收縮和舒張波形、心輸出量相關數據。在運動中可以實時觀測運動員的心電圖，發現異常，及時中斷訓練或比賽，防止意外發生。

即將問世的心電傳感器，可以精確地檢測到運動中運動員心臟的各種指標，經過量化處理后，將人身體的健康狀況及潛在的風險通過相關的應用程序展現給教練員。

4.4 腦電監控

運動中對運動員的心理狀態了解和調控一直是體育領域沒有解決好的問題。納米生物傳感器的研發，為運動中實時監控運動員的心理狀態提供可能。其原理是借由電感應進行腦電波監測。傳感器內置了大量的感應器，可經藍牙連接到外圍的 App 進行操控，能夠反饋實時數據，幫助運動員進入到一種深層的沉思狀態，遠離外界的干擾。目前對冥想、內省和沉思等的醫學研究成果不斷的涌現出來。不少研究發現，冥想能夠降低血壓，緩解焦慮、抑郁甚至疼痛，提高個體的平衡能力、壓力釋放技巧，以及改善睡眠狀況等等。

即將問世的腦電傳感器可以監測人的大腦活動狀態，可以感知人的情緒和狀態，不僅可用于大腦健康訓練，還能給人在運動中帶來不一樣的娛樂體驗。

4.5 足底傳感

動態姿勢的調整是運動技能訓練的基礎。體育運動并不依賴于靜態姿勢而取決于動姿。如今有多種方法用來檢測優秀運動員的表現，最常見的是在實驗室里采用生理學和生物力學進行測試和分析。而在室外自然環境的訓練或比賽過程中看運動員的技術動作是否完美，最常見的方法是通過肉眼觀察或調用視頻播放，但這也只是直觀的判斷。除了通過教練肉眼觀察和昂貴的視頻設備以外，即將問世的嵌入納米生物傳感器的智能襪成了解決這個問題的捷徑。智能襪是把納米生物傳感器植入襪子中，能夠監測到運動員的跑步姿勢、運動量、步數以及跑步距離等。從而幫助運動員提升運動水平，同時避免受傷。

5 前景展望

可穿戴式納米生物傳感器可以評估運動員在訓練過程中的生理、生化信號及身體運動學的性能指標。這種傳感器完全地嵌入集成在運動員的服裝里，可以監測運動全過程。在運動中，無需連接任何外部設備，使得這種生理監測進入一個完全自然的狀態。發展在紡織品中植入智能傳感器，織物鏈路使服裝上所有的傳感器成為一體，使每一個傳感器類型都有各自的典型反映方式，不僅可以檢測汗液成分，控制運動強度，還可以實時反饋身體運動的信息，監控運動員的心理狀態，為科學化訓練提供依據。同時，其潛在的其他功能也將呼之欲出。