近年来智能可穿戴设备在医疗健康领域愈加普及、竞争激烈,各大厂商研发各类产品,从手表到手环,功能越来越多,从监测步频、到心率、心电图、体温、睡眠情况,这些设备似乎成为了每个人都可以拥有的低价私人医生。
对于健康监测,可穿戴设备还将有更广阔的前景。比如说苹果十四年前就开始研发无创测血糖的产品,据说再过几年即将问世。而目前已有的华为和戴乐行出品的无创测血糖手表,尽管面临着医疗专业领域的种种质疑,但是较好的销售额也证明了人们对这类产品的偏爱。
不过,在血糖监测之外,苹果偷偷在另一个板块上取得了成果:汗液监测。如果这项技术能够得到深入研究,或许整个可穿戴设备行业将迎来颠覆性改革,甚至许多产品都有要推翻重做的可能。
2024年2月,美国专利商标局公布了一项来自苹果公司的专利申请:具有汗液测量功能的可穿戴设备(US20240050013)。
在专利文件中注明一种汗液传感器,这种传感器由多个电极和计算出汗液指标的处理器组成。整个系统可以计算出用户的估计出汗率,并向用户呈现出液体流失率(以液体盎司/小时等表示)或特定时间段内的液体流失量。
结合运动的相关功能,传感器还可以提供较短时间间隔内测量的“瞬时”出汗率。原有的运动功能还可以利用相关的出汗数据,进一步估计锻炼强度和卡路里的消耗情况,将汗液传感器运用在智能手表上,可以有效提高运动监测准确性。
当然,由于可穿戴设备仅仅能实测一小块皮肤的出汗量,而要测算人体出汗总量,需要更多的技术加以辅助。所以,专利里还提到了,苹果的这项技术可以通过整合环境温湿度和用户体温信息来进一步计算全局估计出汗率。
对于可穿戴设备而言,单纯的出汗量监测只是一个楔子。在健康医疗领域,汗液本身就是一个暗含着身体状况的“指向标”。
汗液是由汗腺分泌的液体,由于外界气温升高,或体内产热增加所致的热刺激引起的发汗称知觉发汗,汗液本身无味。它在体温调节、物质代谢、保护皮肤屏障等方面发挥着重要的生理作用。
汗液中水分占绝大部分,在99%以上,其余为固体成分,主要是氯化钠和钾、镁、钙、乳酸、尿素氮等。这些物质含量的变化可以反映着人体情况的变化。研究人员发现,对于患有囊性纤维化(一种会导致腺体分泌异常的遗传性疾病)的患者而言,其汗液中的盐浓度就高于正常水平,所以,通过汗液监测来辅助相关疾病的诊断,自然也得到了普及。
当然,监测汗液能得到的身体状况信息绝不仅限于此。以目前的技术来看,通过监测汗液直接得到某种身体状况的准确信息还需要进一步研究,不过,作为一种辅助的判断方法,汗液监测已得到了广泛运用。
不少研究都指出汗液电解质浓度可用作人们补充电解质液体的参考指标。今年,美国马萨诸塞大学阿默斯特分校的研究人员与数字健康公司Epicore Biosystems合作验证了一款新型智能穿戴设备Connected Hydration,其最主要的功能就是对佩戴者进行汗液监测。
这个戴在肱二头肌上的设备主要是为了高强度体力工作的人们而设计。在高温甚至极端高温的环境下,户外工作者正面临着越来越严峻的工作环境。而及时补水这么简单的事情,对很多户外工作者而言也可能存在阻碍。再加上口渴本身就是一种非常主观的感觉,对一些人来说,产生口渴的感觉时人体可能已经处于脱水状态了。如果这时补充的水量不够,也许会让人缓解了口渴的感觉,但并没有完全补足缺失的水分。
Connected Hydration通过监测汗液流失、电解质流失、皮肤温度和运动状态,可以及时提醒佩戴者补充水分。这样可以很好避免户外工作者因缺水而造成的身体伤害。
美国宾夕法尼亚州立大学研究人员在德国《实用新材料》期刊上发表论文说,持续监测汗液可揭示有关人体健康的重要信息,他们此次利用贵金属合金和碳基纳米复合材料,对“激光诱导石墨烯”电极进行改造,成功开发出一种灵敏、稳定的可穿戴传感器,贴在皮肤上后,可连续3周监测汗液中的葡萄糖水平、体温和汗液酸碱值,并且能将收集到的数据实时、无线传输到电脑或移动设备上。
除了对电解质和葡萄糖水平、体温等行测量,汗液中的乳酸盐含量也是一个重要指标。多年来,研究人员发现汗液中的乳酸盐浓度非常接近血液中的乳酸盐浓度,可以用作对应组织活力程度的敏感标记物。
2013年,首个用于实时监测人体汗液中乳酸盐含量的可穿戴电化学汗液传感器问世,经过了十多年的发展,基于乳酸盐监测的汗液传感器也正在被推向市场。PointFit公司开发了一套预测肌肉疲劳(PMF)的算法,通过将传感器贴片贴在不同的位置测量相关位置汗液中的乳酸盐含量,计算得出不同部位的肌肉疲劳情况。
我国著名短跑运动员苏炳添也曾在论文综述《科学训练辅助: 柔性可穿戴传感器运动监测应用》中,提到了汗液监测技术特别是对汗液乳酸盐和葡萄糖等成分的监测技术,这些无不与运动员的运动状态息息相关,现有的实验室技术已经可以实现运动员生理指标的定量分析。身体数据监测手段伴随着运动的发展,正在成为训练过程中不可缺少的科技实力之一。
虽然成果显著,不然就目前而言,可穿戴设备中的汗液检测技术也面临着不少挑战。一方面,对可穿戴设备而言,比起侵入式设备,监测精度毕竟有限,且容易受到外界环境的影响。另一方面,汗液中部分分析物的分泌机制尚未得到充分的探究。
不过,汗液监测非侵入式、可连续监测等优点,利于普及,也正在推动可穿戴设备的发展与对汗液生理机制的深层次研究。对于传统医疗分析中的“金标准”之一血液测试而言,抽血毕竟属于有创操作,有引起疼痛、感染的可能,也无法做到在日常状况下持续采样、实时动态监测,而可穿戴设备则能在一定程度上弥补这些缺点,两者结合或许能让人们更好地了解自身健康状况。
除了上述提到研究相对成熟的成分,汗液本身还有不少待被发现的潜在价值。
一些研究发现,汗液中微量矿物质的显著变化与膳食摄入有关。这一关联性使通过汗液判断饮食健康成为了可能。汗液中的皮质醇含量也被用来研究人们承受压力的程度。血清皮质醇被称为“压力荷尔蒙”,在应付压力中会有明显的调节身体其他指标的作用。在2020年的一项研究中指出,血清皮质醇和汗液皮质醇之间存在相关性,并从人体汗液构建了动态压力反应曲线。因此通过测量汗液皮质醇浓度来表明人体的压力状况也有着良好前景。
关于其它汗液成分监测的设备也层出不穷,甚至有不少已经推向市场。根据全球市场研究公司Brainy Insights的报告,可穿戴汗液传感器市场规模将从2023年的39亿美元增长至10年后的118亿美元。
可穿戴汗液监测设备有着巨大的潜力和应用前景,随着科技的不断进步和对健康监测需求的日益增长,在不远的将来,由于这类传感器成本较低,可方便、准确、持续地分析汗液,在个人和群体健康、个性化医疗、精准营养方面应用潜力巨大。