可穿戴式納米生物傳感器的研發(fā)及在運(yùn)動中應(yīng)用

董廣新+弗雷德里克·澤浩森+古健

當(dāng)前，國內(nèi)外普遍掀起運(yùn)動熱潮，智能手表、運(yùn)動手環(huán)及智能手機(jī)運(yùn)動軟件發(fā)展迅速。但其功能上還比較單一，僅能檢測人體的運(yùn)動時(shí)間、運(yùn)動距離、步長、步頻、步數(shù)，以及運(yùn)動時(shí)心率等常規(guī)指標(biāo)。這些指標(biāo)對高水平運(yùn)動員的訓(xùn)練幫助不大。隨著納米技術(shù)和智能設(shè)備的發(fā)展，對運(yùn)動員在訓(xùn)練中的心臟實(shí)時(shí)狀況檢測、呼吸狀況檢測、運(yùn)動中各階段的心理反應(yīng)，以及反映運(yùn)動員運(yùn)動量與強(qiáng)度的汗液的生理、生化指標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)控已經(jīng)成為可能。在運(yùn)動過程中，可穿戴式生物傳感器可以評估運(yùn)動員在訓(xùn)練過程中的生理信號和身體運(yùn)動學(xué)的性能指標(biāo)。這種傳感器可以完全地嵌入集成在運(yùn)動員的智能手環(huán)、頭箍導(dǎo)汗帶、運(yùn)動服裝及襪子里。使得這種生理監(jiān)測進(jìn)入一個(gè)完全自然的境界。

1 生物傳感器研發(fā)及應(yīng)用于體育領(lǐng)域的背景

美國的納米技術(shù)和生物傳感器技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位。美國應(yīng)用納米生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中心是納米技術(shù)和生物傳感器技術(shù)研發(fā)較好的機(jī)構(gòu)，隸屬于亞利桑那大學(xué)。該中心致力于在納米科學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)、分子生物學(xué)和基因組學(xué)等領(lǐng)域研發(fā)新一代生物傳感器，在納米技術(shù)方面有獨(dú)特的研究和進(jìn)展。該中心具有多學(xué)科背景的研究人員，在分子生物學(xué)、物理學(xué)、材料科學(xué)、電氣和機(jī)械工程、化學(xué)和納米技術(shù)等方面都有一定的造詣。

納米生物傳感器最早運(yùn)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)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(xué)家探索了納米材料的很多優(yōu)良的物理和化學(xué)性質(zhì)，納米材料在疾病標(biāo)記物檢測方面的應(yīng)用催生了一系列超靈敏檢測方法。納米技術(shù)的產(chǎn)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(jié)構(gòu)在生物傳感器的設(shè)計(jì)與發(fā)展產(chǎn)生了重要影響。由此，一些研發(fā)機(jī)構(gòu)開發(fā)了一些針對醫(yī)生診斷和針對病人疾病監(jiān)控的生物傳感器。這些傳感器的研發(fā)問世也引起了體育界注意，認(rèn)為通過這些設(shè)備，教練們能夠得到運(yùn)動員訓(xùn)練中的實(shí)時(shí)運(yùn)動數(shù)據(jù)，并進(jìn)行記錄和分析。由此產(chǎn)生這些智能設(shè)備能否運(yùn)用于體育領(lǐng)域的思考。

2 納米生物傳感器的研發(fā)對運(yùn)動員的重要意義

科技成果最終要轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)力。生物電傳感器可以捕捉到人軀體、大腦和心臟發(fā)出的電信號，經(jīng)過數(shù)字化信號處理后，輸出準(zhǔn)確、詳細(xì)的人體相關(guān)信息。教練員和運(yùn)動員可以使用這些產(chǎn)品監(jiān)測運(yùn)動中的身心狀況，從而能夠更加科學(xué)地了解運(yùn)動員運(yùn)動中身體情況及對運(yùn)動強(qiáng)度的適應(yīng)情況，監(jiān)控運(yùn)動過程，提高運(yùn)動訓(xùn)練效果。

智能手環(huán)、智能手表、健身腕帶等穿戴設(shè)備不斷涌入市場，消費(fèi)者們已不再為這些小巧精致的設(shè)備和看似神奇的功能而感嘆，進(jìn)而追求功能更多樣、更專業(yè)、使用更方便的智能設(shè)備。隨著納米技術(shù)運(yùn)用于生物傳感器，未來傳感器將可以嵌入可穿戴設(shè)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(shù)據(jù)，使用起來將更加方便。

3 納米技術(shù)與生物傳感器的現(xiàn)狀

納米技術(shù)和生物技術(shù)是21世紀(jì)的兩大領(lǐng)先技術(shù)，在這兩者之間存在著許多技術(shù)交叉。近20多年以來，生物傳感技術(shù)發(fā)展十分迅猛，它是一個(gè)由生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、物理、電子技術(shù)等多種學(xué)科相互滲透形成的研究領(lǐng)域。美國應(yīng)用納米生物學(xué)和醫(yī)學(xué)中心的科研人員研發(fā)的新一代納米技術(shù)生物傳感器，可以看到在特定的微生物組成人體細(xì)胞的反應(yīng)和不同的微生物成分，看到這些細(xì)胞對某些藥物的反應(yīng)，制定個(gè)性化的藥物治療方案。后期研究中他們將會把這項(xiàng)技術(shù)擴(kuò)展到運(yùn)動領(lǐng)域，改善納米生物傳感器對健康人體一些生理、生化指標(biāo)檢測的靈敏性和特異性。

4 納米生物傳感器在體育中應(yīng)用前景

4.1 汗液成分分析

目前正在研發(fā)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(gè)人生理和健康的實(shí)時(shí)信息。主要通過測量汗液中的電解質(zhì)和各種代謝物、以及皮膚表面溫度，來分析運(yùn)動員當(dāng)前的身體狀況。該傳感器可為在戶內(nèi)外長時(shí)間運(yùn)動的人提供詳細(xì)的汗液分析。該傳感器可同時(shí)進(jìn)行多個(gè)汗液代謝物的測量，包括葡萄糖、乳酸和電解質(zhì)（如鉀和鈉離子），同時(shí)還可監(jiān)測皮膚溫度。從功能上來看，現(xiàn)階段研發(fā)的汗液傳感器僅局限于測量汗液數(shù)據(jù)。研發(fā)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃未來這款傳感器不僅僅可分析汗液數(shù)據(jù)，甚至還可以追蹤任何體液的數(shù)據(jù)。比如，當(dāng)你生病或者受傷的時(shí)候，能夠立刻發(fā)現(xiàn)自己相應(yīng)的體液分析數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常。

這項(xiàng)技術(shù)的工作原理是：將生物傳感器技術(shù)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(biāo)記，例如電解質(zhì)、乳酸、蛋白質(zhì)等。人體排出的汗液當(dāng)中具有豐富的生理信息，是人體健康狀況最直觀的反應(yīng)方式之一。汗液當(dāng)中，這種信息是非常復(fù)雜的。他們正在攻克這一技術(shù)難題，提取汗液當(dāng)中的有用信息進(jìn)行分析，將這些數(shù)據(jù)分析處理后傳送到智能手機(jī)或電腦中。實(shí)驗(yàn)中可檢測存在于離子與質(zhì)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(tài)時(shí)更復(fù)雜的水合狀況。能夠?yàn)閭€(gè)人的水合、壓力或疲勞程度提供即時(shí)且準(zhǔn)確的檢測。實(shí)時(shí)分析這些生物標(biāo)記數(shù)據(jù)，為運(yùn)動訓(xùn)練提供有針對性專業(yè)建議。

汗液成分和排汗量的信息是補(bǔ)液成分的重要依據(jù)。在運(yùn)動過程中，補(bǔ)液是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。它不僅能補(bǔ)充流失的汗液而且還能補(bǔ)充體內(nèi)流失的電解質(zhì)。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(shí)時(shí)、直接地收集和分析汗液。實(shí)時(shí)分析出來的信號可以直接反饋到教練員或運(yùn)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(shí)需要補(bǔ)充水分，需要喝多少水，需要喝純凈水還是運(yùn)動飲料。通過檢測皮膚溫度，可以在有潛在中暑和運(yùn)動過度的危險(xiǎn)之前及時(shí)提醒你。未來在電解質(zhì)平衡檢測和水分檢測之外，該傳感器技術(shù)還能監(jiān)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(yùn)動中抽筋等情況發(fā)生。

4.2 呼吸監(jiān)控

呼吸是一種評估身體功能運(yùn)動狀態(tài)的指標(biāo)。當(dāng)運(yùn)動員提高運(yùn)動強(qiáng)度時(shí)，則伴隨著快速率的呼吸和高頻率的心跳。目前，醫(yī)學(xué)臨床上已經(jīng)有胸腹部呼吸波形傳感器，用于檢測呼吸氣流波形。產(chǎn)品具有靈敏度高，低頻響應(yīng)好，與人體無直接接觸，適合于佩戴的扁平帶式，能真實(shí)地反應(yīng)呼吸波形。經(jīng)標(biāo)定和信號處理還可以獲得呼吸率、呼吸氣流持續(xù)時(shí)間、潮氣量、通氣量及流速等參數(shù)，適合多種儀器配套使用。但其明顯缺點(diǎn)是由于體積大，佩戴不方便，不適合于運(yùn)動員室外運(yùn)動佩戴。

而新型納米可穿戴式生物傳感器，通過織物應(yīng)力或壓力，可以檢測呼吸頻率來測量胸腔擴(kuò)大和收縮狀態(tài)。該傳感器設(shè)計(jì)在靠近胸部的有彈性運(yùn)動服裝中。當(dāng)吸氣時(shí)，胸腔擴(kuò)大，傳感器被壓縮，電導(dǎo)率增加。當(dāng)呼氣時(shí)，胸腔收縮，傳感器釋放而析出的電導(dǎo)率返回到基線。衣物材料可用彈性針織面料來實(shí)現(xiàn)。通過測量運(yùn)動中呼吸狀況，可以評估運(yùn)動或恢復(fù)效率以及提供及時(shí)的生化反饋。

4.3 心電監(jiān)控

用于運(yùn)動中心臟監(jiān)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(yùn)動中心臟的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，能追蹤心率、心臟收縮和舒張波形、心輸出量相關(guān)數(shù)據(jù)。在運(yùn)動中可以實(shí)時(shí)觀測運(yùn)動員的心電圖，發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)中斷訓(xùn)練或比賽，防止意外發(fā)生。

即將問世的心電傳感器，可以精確地檢測到運(yùn)動中運(yùn)動員心臟的各種指標(biāo)，經(jīng)過量化處理后，將人身體的健康狀況及潛在的風(fēng)險(xiǎn)通過相關(guān)的應(yīng)用程序展現(xiàn)給教練員。

4.4 腦電監(jiān)控

運(yùn)動中對運(yùn)動員的心理狀態(tài)了解和調(diào)控一直是體育領(lǐng)域沒有解決好的問題。納米生物傳感器的研發(fā)，為運(yùn)動中實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)動員的心理狀態(tài)提供可能。其原理是借由電感應(yīng)進(jìn)行腦電波監(jiān)測。傳感器內(nèi)置了大量的感應(yīng)器，可經(jīng)藍(lán)牙連接到外圍的 App 進(jìn)行操控，能夠反饋實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，幫助運(yùn)動員進(jìn)入到一種深層的沉思狀態(tài)，遠(yuǎn)離外界的干擾。目前對冥想、內(nèi)省和沉思等的醫(yī)學(xué)研究成果不斷的涌現(xiàn)出來。不少研究發(fā)現(xiàn)，冥想能夠降低血壓，緩解焦慮、抑郁甚至疼痛，提高個(gè)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(jiān)測人的大腦活動狀態(tài)，可以感知人的情緒和狀態(tài)，不僅可用于大腦健康訓(xùn)練，還能給人在運(yùn)動中帶來不一樣的娛樂體驗(yàn)。

4.5 足底傳感

動態(tài)姿勢的調(diào)整是運(yùn)動技能訓(xùn)練的基礎(chǔ)。體育運(yùn)動并不依賴于靜態(tài)姿勢而取決于動姿。如今有多種方法用來檢測優(yōu)秀運(yùn)動員的表現(xiàn)，最常見的是在實(shí)驗(yàn)室里采用生理學(xué)和生物力學(xué)進(jìn)行測試和分析。而在室外自然環(huán)境的訓(xùn)練或比賽過程中看運(yùn)動員的技術(shù)動作是否完美，最常見的方法是通過肉眼觀察或調(diào)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(shè)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(gè)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(jiān)測到運(yùn)動員的跑步姿勢、運(yùn)動量、步數(shù)以及跑步距離等。從而幫助運(yùn)動員提升運(yùn)動水平，同時(shí)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(yùn)動員在訓(xùn)練過程中的生理、生化信號及身體運(yùn)動學(xué)的性能指標(biāo)。這種傳感器完全地嵌入集成在運(yùn)動員的服裝里，可以監(jiān)測運(yùn)動全過程。在運(yùn)動中，無需連接任何外部設(shè)備，使得這種生理監(jiān)測進(jìn)入一個(gè)完全自然的狀態(tài)。發(fā)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(gè)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(yùn)動強(qiáng)度，還可以實(shí)時(shí)反饋身體運(yùn)動的信息，監(jiān)控運(yùn)動員的心理狀態(tài)，為科學(xué)化訓(xùn)練提供依據(jù)。同時(shí)，其潛在的其他功能也將呼之欲出。