智能可穿戴設備近來已迅速從科幻作品中轉變為各種成熟的消費品和醫療產品，如FitBit和Apple Watch等，作為可以隨身穿戴的“健康管家”，隨時監視身體的各種狀況，再加上同智能手機或電腦的實時連接，更好的實現了可穿戴設備的智能化和實時化。相較于目前主要的抽血和傳統的臺式測量技術，智能可穿戴設備可以更加及時快速的告訴使用者自身的身體狀況，例如血糖水平、脫水狀況、心率情況等，為個人身體健康檢測提供了一種新的方法。同時，智能可穿戴設備的操作和使用相對簡單，可以滿足非專業人士和基礎設施較為薄弱地區的需求，顯示出廣闊的發展前景。

本文從不同的應用出發，對智能可穿戴設備進行了系統的分類總結，尤其從智能可穿戴設備的穿戴方式角度，將目前所出現的相關智能可穿戴設備高度歸納分為接觸型、植入型和外接型三種類型， 直接接觸的可穿戴設備通過粘合劑或吸附力等直接將設備固定到皮膚表面，具有輕松、便捷、靈活的特點。植入型的可穿戴設備主要通過微型針的形式進行皮下檢測，可以直接接觸間質液進行更加準確快速的檢測。對于外接型可穿戴設備，其穿戴方式更加多樣，且更加舒適。

隨后，對智能可穿戴設備構建所用的常用先進功能材料和不同的傳感方式進行了系統的歸納總結，常用材料包括柔性材料、紙基材料、納米材料和有機材料，不同傳感方式包括化學傳感、光學傳感和機電傳感，進一步挖掘了智能可穿戴設備的發展現狀。除此以外，從前沿研究比較廣泛的汗液檢測、呼吸檢測及心率和血氧檢測的三大應用角度出發，在可穿戴設備的應用方面做了翔實的綜述評論，對智能可穿戴設備的最新應用研究做了較為全面的評述。

最后，本文根據對智能可穿戴設備最新研究進展的歸納總結與綜述評論，提出了智能可穿戴設備研究未來面臨的機遇與挑戰，并展望了其未來的發展趨勢。

智能可穿戴設備，您的貼身“健康管家”

近年來，FitBit和Apple Watch等智能可穿戴設備的迅速發展，使可穿戴設備漸漸地受到人們的關注，同時隨著微型電容器、新材料、無線傳輸技術等領域的發展也為傳感設備的可穿戴提供了更多的技術支持。目前可穿戴設備主要用于生命體征和運動健康狀況的體外檢測，穿戴的傳感器直接或間接同人體接觸，對一些指標如葡萄糖、pH值、脈搏等數據進行實時檢測傳輸，可穿戴設備主要用于人體檢測，在其他領域也有少量應用。另外，可穿戴設備對于汗液和物理指標的檢測分析較多，商業化產品大多是用于物理指標檢測的可穿戴設備，隨著對可穿戴傳感器技術的深入理解，實現人體更多信息的檢測，創造新一代的可穿戴設備指日可待。

可穿戴設備即直接將傳感設備穿在身上，或是整合到衣服等可穿戴物品中的一種便攜式設備，將可穿戴技術和傳感器相結合，改變傳統的樣品采集后再檢測的模式，直接實現樣品收集檢測的一體化。

可穿戴設備常見的穿戴方式有接觸型、植入型和外接型。接觸型穿戴直接將傳感器固定到皮膚表面，植入型穿戴則是利用傳感器透皮檢測，而外接型可穿戴設備通過將傳感器外接到固定裝置來實現其穿戴。

接觸型

直接接觸的可穿戴設備具有輕松、便捷、靈活的特點，有較高的柔韌性和靈敏度，在設計和制造方面需要多種技術的共同支持，常用的接觸方式是通過粘合劑或吸附力等直接將設備固定到皮膚表面。無創可穿戴設備檢測最多的是汗液，汗液是最容易接觸的皮膚液體，可以提供大量與人體生理狀態相關的信息，因此，汗液是開發無創可穿戴生物傳感器最具針對性的生物流體之一，可穿戴的自供電式汗液監測系統，可以方便、準確地實現在個人手機上顯示汗液信息，評估個人生理狀態。一種由三電極傳感器集成的微流控芯片用于葡萄糖檢測，可以實現在48小時內連續監測葡萄糖。除了對汗液的監測，直接接觸的可穿戴設備還常常用于壓力檢測和溫度檢測。一種接觸式的紙基應變傳感器，其紙基應變傳感器能夠進行大角度的連續監測。如圖1（A）所示，使用模擬章魚吸盤來替代黏合劑制作高度靈敏的柔性溫度傳感器，傳感器在反復從皮膚附著和剝離的過程中，表現出穩定且可重復的皮膚溫度檢測，并且長時間內沒有任何皮膚刺激。

植入型

植入型的可穿戴設備主要通過微型針的形式，進行皮下檢測，間質液作為一種新興的生物標志物來源，對疾病診斷具有重要意義，微針提供了一種從間質液中提取所需分子的微創方法。近年來，已經可以通過間質液來檢測代謝物，如葡萄糖、乳酸、酒精等。相較于采血分析，微針分析不會造成不適和疼痛，對于需要每天進行檢測的患者，這些影響會更加突出。微針是小型化的傳統皮下注射針，高度只有幾百微米，其大小避免了對真皮層的傷害。如圖1（B）所示，將3D打印微流控芯片與FDA批準的臨床微透析探針相集成，然后與實驗室制造的無線恒電位儀相連接，用于實時連續監測皮下葡萄糖和乳酸水平。如圖1（C）所示，一種用于皮下酒精檢測的微針傳感芯片，通過對小鼠離體皮膚模型的實驗分析，證實了該生物傳感器對皮下酒精濃度監測的穿透能力和有效性。

外接型

對于外接型可穿戴設備，設備本身不能直接穿戴，而是通過將其外接到穿戴物品上來實現穿戴，如集成了視聽圖像處理和記錄設備以及無線連接和傳感器的智能手表和眼鏡等，其中谷歌眼鏡就是一種典型的的外接型的智能穿戴設備，它具有成像和視頻記錄功能，以及各種無線技術。穿戴時外接型的可穿戴設備較為舒適，圖1（D）所示，通過將紙基傳感器固定到口罩中并與傳統電子設備相結合，將呼吸數據傳送到附近的智能手機或平板電腦進行處理，實現對與呼吸的實時監測。圖1（E）所示，利用可穿戴的汗液傳感器實現對室內運動中的汗鈉的有效地收集和實時分析。通過將傳感設備外接到可穿戴設備上，可以更好地實現更多結構和功能的集成，例如傳感器材料、儲能裝置、近場通訊裝置等。

為了滿足可穿戴設備的要求，傳感器的材料需要具有輕薄、柔軟和耐腐蝕等特點，目前用于可穿戴設備的主要材料包括柔性材料、紙基材料、納米材料和有機材料。

柔性材料

柔性材料作為可穿戴設備的常用材料，主要有聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚萘乙烯、聚氨酯、聚酰亞胺和乳膠等，它們的相容性、彎曲性、機械和溫度穩定性相對較好。在眾多的柔性材料中，PDMS和PET又是其中最常用的。如圖2（A）所示，長時間連續檢測汗液的柔性微流控芯片由三層PET薄膜層壓成，檢測時，皮膚表面的芯片通過集成在入口中的過濾器吸收體表的液體，然后通過毛細作用進入微通道和傳感腔，進行檢測。柔性材料的超輕重量，高流動性，可伸縮性，低成本與其兼容性使得它可以集成許多其他組件。其中可伸縮提供的靈活性，不僅可以緩解彎曲引起的機械應變，還可以緩解壓縮、拉伸和扭轉等其他擾動引起的機械應變。柔性可拉伸的可穿戴設備可以與皮膚牢固結合，盡可能的減少界面處產生的應力，在正常的身體運動和肌肉運動過程中產生的強烈壓力下，實現對人體活動和個人健康的監測。

紙基材料

紙基由于其自身特有的特性，具有易于回收處置、成本低、吸水性強和柔韌性好等優點。紙基可穿戴設備的獨特性使其可以很好的用在呼吸監測上，利用紙基良好的吸水性，制備的可穿戴紙基水分傳感器，通過檢測呼吸引起的水分變化，從而檢測個人呼吸，相較于傳統的設備，其成本很低。通過將紙同其他材料相結合，可以改善紙基設備強度上的缺點，基于微流控紙基芯片，將棉線和濾紙相結合，設計制備用于葡萄糖檢測的可穿戴設備，為紙基可穿戴設備的的發展提供了一種新思路。

納米材料

常見的用于可穿戴設備的納米材料包括碳納米管、金屬納米線、金屬氧化物納米線和導電聚合物納米線等。如圖2（C）所示，制造了一種基于介電泳羧基功能化單壁碳納米管的pH傳感器，通過碳納米管的排列可以在不同方面改變其性能，已經開發了許多技術來制備具有不同形貌的碳納米管，包括垂直的碳納米管、彎曲的碳納米管和懸浮的碳納米管。對于金屬納米材料主要有金銀銅納米線，將銀納米線和PDMS相結合研制了一種壓力傳感器，可以監測如輕觸、吞咽、彎曲和扭轉等動作。

有機材料

基于有機半導體或導電材料的有機傳感器由于其靈活性、可拉伸性、低成本和重量輕等優點，近年來成為可穿戴設備常用的材料之一，有機半導體和導電材料的獨特優勢在于，它們的電學、機械、化學和光學特性可以通過合理的分子設計來優化。有機半導體光傳感器的可調光學范圍可以通過分子設計來實現從近紅外到紫外區域的吸收波長，因此，這些傳感器被廣泛應用于連續實時監測個體的生理狀態。如圖2（D）所示，基于高靈敏度有機光電晶體管的光電容積傳感器，超薄的可穿戴裝置能夠連續監測心率變化，精確跟蹤身體各部位脈壓的變化。

如何實現可穿戴設備的信號轉換是傳感器正常工作的關鍵，根據傳感方式的不同，可將可穿戴設備分為三類，分別是化學傳感器、光學傳感器和機電傳感器。

可穿戴化學傳感器

可穿戴化學傳感器主要通過將化學信號轉換為光學信號或電信號來檢測，化學到光學信號常用的檢測方法是比色法，化學到電信號則主要采用電化學的方法進行檢測。比色法的主要優勢是超低成本和設備簡單，不需要外接電子設備和檢測裝置。如圖3（A）所示，制造了一種基于離子凝膠和微流控系統的可穿戴芯片傳感器，通過與標準色圖比較，只需觀察顏色變化即可獲得汗液pH值。許多可穿戴的化學傳感器在本質上是電信號性質的，這類傳感器一旦接觸到生物流體，就開始工作，同時，許多電化學傳感器可以連續工作且具有可逆性。如圖3（B）所示，一種基于電化學的汗液檢測傳感器，可以同時測量出汗代謝物、電解質以及皮膚溫度。用于檢測汗液的芯片傳感器，芯片傳感器具有良好的鹽敏能力，隨鹽濃度的增加芯片傳感器的電流減小，汗液傳感器通過將芯片貼在人的手臂上，對室內運動中人體的汗液進行實時監測。對于可穿戴化學傳感設備來說，像離子、分子和蛋白質等目標物的化學傳感檢測，這些目標物在體液中含量較低且難以提取，如何實現汗液中目標物的提取和富集，是化學傳感設備面臨的挑戰。

圖 3 不同傳感方式的可穿戴設備：（A，B）可穿戴化學傳感器；（C）可穿戴光學傳感器；（D）可穿戴機電傳感器

Figure.3 Wearable devices with different sensing modes simultaneous interpreting: (A,B) Wearable chemical sensors; (C) Wearable optical sensors; (D) Wearable electromechanical sensor

可穿戴光學傳感器

可穿戴光學傳感器通過將光引入身體，利用光散射和光吸收的變化在光學檢測器上顯示人體信息，先進的小型化光電設備，與可穿戴基底相結合，可以在皮膚表面執行各種傳感功能。將不同顏色的光電探測器和發光二極管集成到一起，并與外部電路互連，光信號穿透皮膚，根據氧化血紅蛋白和脫氧血紅蛋白之間光譜響應的差異實時監測組織血氧水平。如圖3（C）所示，一種超柔性反射式脈搏血氧傳感器，其超薄的傳感器總厚度只有3 μm，可視化的顯示器可以直接顯示數字和顏色。除了常規的脈搏血氧檢測，光電傳感器還可以檢測到肌肉運動，基于光學傳感的可穿戴傳感器可以很好的應用于無創檢測，通過對傳感系統和光學數據的進一步研究，可以實現人體更加全面的健康狀況檢測。

可穿戴機電傳感器

可穿戴機電傳感器主要通過檢測身體表面電阻、電容性或者導電性等的變化來監測身體的信號，常見的可穿戴的機電傳感器有溫度傳感器、應變傳感器和壓力傳感。

對于體溫的連續實時監測具有重要意義，高透明的柔性溫度傳感器可以很好地同顯示設備連接到一起。基于碳納米材料的溫度傳感器可以增加熱響應范圍，提高傳感器件的靈敏度，其電阻嚴格依賴于溫度。

應變傳感器在運動監測方面發揮著重要的作用，大多數的金屬基應變設備的靈敏度（標度系數）在2-5，基于半導體的靈敏度為100或更多，基于柔性材料的靈敏度在1~100之間，另外靈敏度還取決于傳感機制、材料的結構等因素。

壓力傳感器是最常見的機電傳感器，通常將施加的力轉換為電信號輸出，基于壓電效應的壓電傳感器在受到機械應力作用時產生電荷變化，壓電傳感器的高靈敏度和快速響應使其在可穿戴傳感器的應用中具有很大的優勢和發展潛力，如圖3（D）所示，在彎曲條件下，超高靈敏的的柔性壓力傳感器表現出高達40 nA的電流和大約1.5 V的電壓。電容式傳感器在機械刺激作用下電容發生變化從而產生信號，捕捉人體胸部運動引起的呼吸頻率。相較于其他形式的可穿戴傳感器，可穿戴電容式傳感器在具有高靈敏度的同時功耗較低。離電子傳感作為一種新提出的離子電子界面的傳感機制，其在靈敏度和信噪比方面有著顯著的提高。

近年來，可穿戴設備的應用主要集中在人體健康檢測方面，其在人體各項指標的檢測中有著重要的應用。

汗液檢測

在身體的許多位置都分布著分泌汗腺，因此有大量可用的取樣點。汗水中包含著許多人體信息，能夠確定個人的健康狀況，汗液中檢測生物標志物和出汗率是汗液檢測應用的主要方面。

葡萄糖是維持人體各種生理活動的能量來源，乳酸是新陳代謝的產物，葡萄糖和乳酸的檢測對于高血壓和糖尿病患者有著重要的意義。如圖4（A）所示，一種基于微流控芯片的可穿戴式比色傳感器，用于檢測汗液葡萄糖，該裝置有五個通道，能同時進行五次檢測，可以顯示空腹時出汗葡萄糖濃度和口服葡萄糖后的細微差異。如圖4（B）所示，將光刻技術和絲網印刷技術結合，與小型化的柔性電子板集成，將數據無線傳輸到移動設備，表皮微流控檢測芯片用于汗液取樣和對葡萄糖和乳酸的實時連續監測。

汗液pH反映著人體出汗情況和健康狀況，對于汗液pH的檢測可以直接顯示人體脫水狀況和身體情況。結合商業上可用的紋身紙與傳統的絲網印刷和固體接觸離子選擇性電極相結合，制備了監測表皮pH的傳感器，用于實時監測人體出汗情況，同紋身紙結合的電位傳感器對pH變化表現出快速和靈敏的響應，此外，紋身紙可以承受的機械形變滿足可穿戴設備的關鍵要求，使其幾乎可以用在任何裸露的皮膚表面，同時又不失美觀。

人體汗液中Na+和K+變化關系到人體電解質的流失，電解質紊亂可能會導致不同的機體損傷。Garcia-Cordero等研制了一種全芯片集成的可穿戴汗液傳感系統，通過毛細作用將收集到的少量汗液運送到芯片上分析pH值、Na+和K+濃度。出汗率反映人體健康，大量的出汗可能會導致機體紊亂引起脫水，嚴重的會引起中暑等后果。如圖4（C）所示，引入了滾軋工藝制備的微流控傳感貼片，用于收集汗液并實時測量汗液中汗液速率、Na+、K+和葡萄糖的變化。

呼吸檢測

呼吸作為一種人體生理參數是判斷人體健康的重要依據，目前主要使用各種專用的監測儀進行監測。由石墨烯填充橡膠制成的導電復合材料，具有高應變靈敏度，工作應變超過800%。一種基于織物的應變傳感器，制作的呼吸帶可以系在胸部或腹部周圍，以監測呼吸頻率。另一種可穿戴胸帶，不僅可以監測呼吸頻率，還可以檢測呼吸模式的變化。在呼吸檢測中比較特別的是基于紙基的可穿戴式的呼吸檢測，紙基水分傳感器，利用紙張的吸水能力，通過將呼吸引起的濕度變化轉換成電信號來監測呼吸模式和呼吸速率。呼吸過程中濕度的變化導致傳感器的導電性發生相應變化，通過監測電信號的變化來監測呼吸，基于紙張的電呼吸傳感器成本足夠低且使用操作簡單。

心率和血氧檢測

心率和血氧監測是保障心血管系統乃至全身健康的重要手段，由于脈搏是心率的直接反映，在這里，我們認為它們是一樣的。除了采用壓力測量心率，通常將發光二極管和光電二極管結合，使用光電容積描記來同時測量心率和血氧。研制的反射式脈搏血氧飽和度測量的低功耗可穿戴設備，用于血氧監測和脈搏測定。利用反射式探頭連續測量脈搏血氧飽和度和心率的可穿戴設備，通過無線傳輸和信號處理技術將測量信號發送到移動設備上進行實時信號處理，其血氧測量的準確度至少為98%，心率準確率達到97%以上。

隨著各種技術的發展，可穿戴設備作為材料、化學、生物、物理等多門學科綜合應用下的產物從中受益良多，發展迅速，但還是存在一些挑戰等待解決，擁有巨大的發展空間。首先，基于汗液檢測設備存在不能重復利用的問題，對此增加排出系統可以實現設備的循環利用。其次是可穿戴設備檢測和記錄傳輸信息的功耗較大，大部分的設備雖然可以進行幾分鐘到數小時不等的連續檢測，但還是不能滿足長期佩戴需求，所以更好的結合超級電容器等電容設備，可以實現更小更持久的電源供應。再者，可穿戴設備集成了許多的部件，在穿戴時或多或少的影響舒適性，同時其生物兼容性也是需要考慮的問題，隨著無線傳輸和新材料的發展，可以增強設備智能化并減小設備體積使其穿戴起來更舒適，同時結合生物材料天然的生物相容性和生物降解性，來解決其安全性問題。最后，可穿戴設備的檢測范圍還主要集中在生理健康方面的檢測，隨著材料科學、納米技術、通訊技術和生物技術的發展，合成具有新穎性能的傳感元件來拓展可穿戴設備的檢測范圍也是很重要的。

綜上所述，盡管可穿戴設備還存在著一些問題，但是隨著合成材料和檢測方式的進一步擴展，檢測平臺和傳輸技術的不斷進步，可穿戴設備將會擁有更加廣闊的發展前景。