气候变暖带来热应激和脱水威胁
气候变化导致的极端高温对人类生理体温调节已构成重大威胁，可能引发各种急性和慢性健康问题，尤其是对于缺乏防暑降温措施的户外工作人员。热应激可能导致急性疾病，例如热衰竭和中暑，并可能引发心血管、呼吸系统和肾脏疾病等慢性健康问题。最新研究表明，与脱水相关的慢性肾病在长期暴露于高温环境的作业人群中日益普遍。
传统的水合评估方法，例如尿液测试和湿球黑球温度（WBGT）监测等，存在无法提供实时个性化数据的局限性。此外，这些作业人员往往会低估自身的体液流失，因为口渴感通常要等到体液流失到体重的1～2%才会出现，而到了这种情况，可能已经出现严重的认知和身体机能受损。因此，凸显了开发创新、实时水合监测解决方案的紧迫性。
据麦姆斯咨询介绍，美国西北大学的研究人员在工作环境安全与健康监测领域取得了突破性进展，开发出一种先进的可穿戴微流控生物传感器，可持续监测极端高温环境下作业人员的水合水平。这款新开发的电化学/生物物理传感（EBS）装置集成了实时汗液分析、生物物理监测和触觉反馈功能，旨在降低高体力消耗职业中的脱水风险。该研究成果已经以“Wearable microfluidic biosensors with haptic feedback for continuous monitoring of hydration biomarkers in workers”为题发表在npj Digital Medicine期刊上，展示了该装置在建筑、消防和制造等行业变革作业人员水合管理的巨大潜力。
集成电化学传感器、生物物理传感器、相关电子元件以及微流控基底的EBS装置，可贴附在人体皮肤上监测生理指标
具有触觉反馈功能的可穿戴微流控生物传感器：EBS装置
新开发的EBS装置弥补了传统水合监测方法的不足，能够持续、实时跟踪汗液流失以及钠浓度、皮肤温度和活动水平。该装置可贴附在人体皮肤上，利用嵌入微流控通道的超薄电极阵列分析汗液生物标志物和生物物理响应。这项技术可直接测量全身汗液损失，出汗速率，钠浓度及钠损失，皮肤温度和热通量以及身体活动水平。
此外，该装置还集成了触觉反馈模块，当汗液流失达到关键阈值时会发出振动警报。这项功能可确保作业人员及时获得补水提醒，从而降低脱水引发的健康风险。
微流控通道和电极电路层示意图
EBS装置工作原理
这款EBS装置由一次性微流控基底和可重复使用的电子模块组成。前者可直接从皮肤收集微升级汗液样本，其微流控通道内的交错电极网络可以测量汗液的电导率和流动动态。然后利用跨阻放大器处理这些测量数据，并通过板载微控制器计算汗液体积和钠浓度。
EBS装置的关键组件包括：
- 双温度传感器：一颗负责测量皮肤温度，另一颗用于评估外部环境温度，使装置能够估算皮肤热通量。
- 加速度计：捕捉实时运动数据，以关联活动水平和水合状态。
- 蓝牙连接：实现自动数据传输至智能手机APP和基于云端的健康监测平台。
- 触觉反馈系统：当汗液流失达到500 mL时提供实时振动警报，当汗液流失超过体重2%时提供持续警报。
EBS装置的关键组件
该装置设计轻便且耐用，适用于高温、高湿环境以及极端体力劳作下的长期使用。
真实环境测试与验证
为了评估其有效性，研究人员在极端环境条件下对这款EBS装置进行了实验室和真实环境测试。实验室测试在不同温度（20°C、35°C和40°C）和钠浓度（5～106 mM）下，评估了其汗液生物标志物测量的准确性。结果显示该装置成功补偿了温度变化，能够提供精确的水合状态读数。
EBS装置评估汗液和钠流失、活动量以及皮肤温度的测试数据
变革工作场所的水合管理
除了个人水合监测外，这种EBS装置还可以实现大规模工作人员水合分析。该系统基于云端的健康平台可汇总大量用户的数据，使工业安全管理人员能够识别工作人员的水合趋势以及热应激风险，实施基于数据的补水策略，提供个性化的安全干预措施，追踪个体数周乃至数月的水合习惯，以优化工作场所健康策略。
这种宽泛组织范围内的水合监测方法相比传统基于人群的热管理安全指南无疑是一项重大进步，此前，后者通常无法考量个体生理差异。
每个用户的移动APP都会将数据传输到云端平台。云端汇总热指数、平均失水量、平均水摄入量、平均钠摄入量、皮肤温度、活动水平、液体摄入量与失水量等个体数据，供健康与安全管理人员、工业卫生人员或医务人员查看，进而获取数据洞察、预测风险并识别时间变化趋势。
未来应用与影响
这一创新的影响不仅限于工业环境。该技术还可以应用于运动员、军人和紧急救援人员，帮助他们优化水合策略，避免因脱水导致的状态下降。此外，整合人工智能驱动的数据分析，可以进一步增强水合预测模型，使得主动补水干预成为可能，从而在脱水成为风险因素之前积极采取措施。
随着气候变化不断推动全球极端温度的上升，实时水合监测可能成为职业健康和安全法规的重要一环。各国政府和行业领导者可能会考虑强制在高风险工作场所应用可穿戴水合跟踪设备，以预防与高温相关的伤害和死亡。
结论
总结来说，这款EBS装置能够实时、连续地分析多种汗液和生物物理指标，并结合自主触觉提示和个性化反馈来预防脱水和热应激。与传统的实验室设备相比，利用EBS装置、智能手机APP和云平台进行实地研究证明了这种多模态装置的准确性和独特功能。这款EBS装置具有强大的固有特性和机械性能，能够承受环境温度的大幅波动（在个人防护设备下）、剧烈的身体运动以及长时间的佩戴周期，因此这款生物传感器非常适合在具有挑战性的环境中用于高强度活动。
这种具有触觉反馈功能的可穿戴微流控生物传感器，标志着工作场所水合管理的重大突破。通过提供实时、个性化的水合监测和可操作的反馈，该技术有望显著降低极端高温环境下作业人员脱水相关的健康风险。随着实地验证的成功和行业的强烈兴趣，这种新一代水合监测技术有望重新定义许多高风险行业的安全标准。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41746-025-01466-9
延伸阅读：
《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》
《可穿戴传感器技术及市场-2025版》
《印刷和柔性传感器技术及市场-2024版》
《触觉技术及市场-2024版》
