本文是一篇发表在*Nature Reviews Materials*期刊上的深度综述文章，由跨国研究团队撰写，主要作者包括H. Ceren Ateş（德国弗莱堡大学）、Peter Q. Nguyen（哈佛大学）、Laura Gonzalez-Macia（帝国理工学院）、Eden Morales-Narváez（墨西哥光学研究中心）、Firat Güder（帝国理工学院）、James J. Collins（MIT与哈佛布罗德研究所）和Can Dincer（弗莱堡大学）。文章系统性梳理了可穿戴传感器技术的最新进展，聚焦其核心构建模块、应用场景及未来挑战。

主题与背景

文章围绕可穿戴传感器（wearable sensors）这一跨学科领域展开，这类设备整合了即时检测（point-of-care）系统的特性与移动连接功能，能够以非侵入或微创方式持续监测个体生物特征。可穿戴设备的发展经历了两个阶段：第一代设备（如智能手表）主要监测心率、体温等生物物理指标；第二代设备则通过皮肤贴片、纹身式传感器、隐形眼镜等形式，实现对生化标志物的多模态分析，推动个性化医疗的发展。

核心观点与论据

1. 可穿戴传感器的构建模块
   文章提出可穿戴传感器的五大核心组件：

   • 基底材料（substrate materials）：分为天然材料（如棉、丝）、合成聚合物（如PDMS）、水凝胶和无机材料（如金属纳米材料）。天然材料柔韧性强但功能单一，需与其他材料复合；合成聚合物可通过3D打印实现多样化形态；水凝胶具有生物相容性但成本较高；无机材料导电性优异但生物安全性存疑。
     
   • 传感单元（sensing unit）：包括生物流体采样（如汗液、间质液）、生物识别元件（如酶、CRISPR）和信号转换/放大技术。例如，微针阵列可无痛获取间质液，反向离子电渗技术则用于汗液诱导采样。
     
   • 决策单元（decision-making unit）：通过机器学习分析多源数据，例如支持向量机（SVM）用于癫痫发作预测，长短期记忆网络（LSTM）处理时间序列生理信号。
     
   • 能源单元（power unit）：涵盖压电/摩擦发电（利用人体运动）、生物燃料电池（依赖汗液代谢物）及无线能量传输技术。
     

2. 生物流体采样技术的突破

   • 间质液（interstitial fluid, ISF）采样通过微针或反向离子电渗实现，其成分接近血液但侵入性更低。例如，商用FreeStyle Libre血糖仪通过微针连续监测葡萄糖。
     
   • 汗液分析的挑战包括蒸发损失和低分析物浓度，但可通过微流控芯片（如GX汗液贴片）解决。
     
   • 呼吸气溶胶检测在COVID-19监测中展现潜力，例如整合CRISPR技术的口罩可检测病毒RNA。
     

3. 生物识别元件的创新

   • 酶传感器（如葡萄糖氧化酶）催化代谢物反应，但存在副产物抑制问题；
     
   • 亲和蛋白（如抗体）特异性高但再生困难；
     
   • CRISPR系统通过Cas13/12的 collateral cleavage活性实现核酸高灵敏度检测，适合病原体监测。
     

4. 能源技术的前沿进展

   • 压电/摩擦发电机功率密度可达810 mW/m²，但需解决脉冲电流转换问题；
     
   • 生物燃料电池以乳酸为燃料，功率密度达3.5 mW/cm²，但催化剂稳定性待提升；
     
   • 可穿戴天线（如基于MXene的材料）支持无线供电与数据传输。
     

5. 挑战与未来方向

   • 材料瓶颈：需开发可降解基底（如超柔性木材）和自修复电子皮肤；
     
   • 长期稳定性：生物识别元件在复杂体液中的抗污垢能力亟待提高；
     
   • 数据安全：多模态传感器产生的健康数据需加密存储，符合伦理规范。
     

学术价值与应用意义

该综述为可穿戴传感器的设计提供了系统框架：
- 科学价值：梳理了材料学、生物工程与数据科学的交叉融合路径，例如水凝胶电极与合成生物学技术的结合；
- 应用潜力：从慢性病管理（如糖尿病、帕金森病）到传染病预警（如COVID-19），均展示了临床转化前景。

亮点与创新性

• 多学科整合：将CRISPR诊断、柔性电子与机器学习算法纳入统一技术路线；
  
• 前瞻性预测：提出“第三代可穿戴设备”概念，即通过云端AI实现实时健康干预。
  

注：文中专业术语首次出现时保留英文原词，例如PDMS（聚二甲基硅氧烷）、CRISPR（规律间隔成簇短回文重复序列）。参考资料见原文DOI: 10.1038/s41578-022-00460-x