开发一种低功耗、模仿感觉神经元的长期汗液传感器贴片

人体汗液中含有血液代谢物、离子浓度和营养物质等化学信息。使用可穿戴传感器监测这些信息可以实现非侵入性(即无需血液采样)实时健康状态跟踪。例如，了解汗液量和离子浓度可以帮助人们在体育活动中保持足够的水和钠水平，并可以通过识别症状性的过度出汗来预防低血糖休克。

由于可穿戴式汗液传感器贴片由于数据是实时连续的，会产生大量冗余数据无线传输并且消耗大量的能量，很难获得足够的运行时间来实现其实际使用。

自旋电子学研究中心的李铉中博士研究组和汉阳大学机械工程系的郭罗云教授研究组开发出了一种可穿戴的汗液传感器贴片，其性能得到了极大的改善能源效率通过模仿感觉神经元的有效信息处理方法，可以运行24小时以上。

当人的感觉神经元接收到外部的刺激，它将信息转换为峰值信号。外部刺激强度与尖峰信号频率成正比。神经元使用的这种基于事件的尖峰信号处理方法能够高效、快速、准确地处理大量复杂的外部刺激数据。如果采用这种人类感觉神经元使用的“基于事件的无线监测”方法，仅在与用户健康指标相关的重要事件发生时才传输数据，最大限度地减少了无线监视器的能量消耗。

这些研究团队开发了一种无线可穿戴汗液传感器贴片，它模仿了感觉神经元的“峰值信号”，并已在临床试验能够通过基于事件的无线监控大幅降低能源消耗。汗液的结构由贴片组成，将排汗层放置在锥形的开放垂直汗液通道上，可以快速去除通道中的汗水填充(见上图)。

每个汗液通道内壁都有一对电极，可以转换汗液填充通道和排出通道的过程电信号．当通道被填满时，电信号就会增加，而每次汗液被立刻排走时，电信号就会迅速下降。随着这个过程的重复，一个尖峰信号就产生了。尖峰信号的频率和振幅携带汗液排泄速度和汗液离子成分浓度的可解释信息。

通过反复的填充和排空过程，汗液传感器可以长时间连续工作，由于新分泌的汗液不与已经存在的汗液混合，因此传感器可以提供准确的信息。研究团队通过实验证明，这种基于事件的数据传输方法的能耗仅为传统方法的0.63%能源消耗连续数据传输，允许开发的可穿戴汗液传感器贴片连续工作24小时以上。临床试验已经成功地从实际运动情况下不同皮肤表面的汗液中获得信息。

该贴片的开发使长期汗液监测成为可能，可用于检测急性疾病或其前兆，如夜间低血糖休克和心脏病发作。该传感方法有望通过应用于其他类型的皮肤附着传感器和采用新的计算技术，实现更节能和智能的数字健康管理。

这项研究发表在杂志上自然通讯．