可穿戴式纳米生物传感器的研发及在运动中应用

董广新+弗雷德里克·泽浩森+古健

当前，国内外普遍掀起运动热潮，智能手表、运动手环及智能手机运动软件发展迅速。但其功能上还比较单一，仅能检测人体的运动时间、运动距离、步长、步频、步数，以及运动时心率等常规指标。这些指标对高水平运动员的训练帮助不大。随着纳米技术和智能设备的发展，对运动员在训练中的心脏实时状况检测、呼吸状况检测、运动中各阶段的心理反应，以及反映运动员运动量与强度的汗液的生理、生化指标实时监控已经成为可能。在运动过程中，可穿戴式生物传感器可以评估运动员在训练过程中的生理信号和身体运动学的性能指标。这种传感器可以完全地嵌入集成在运动员的智能手环、头箍导汗带、运动服装及袜子里。使得这种生理监测进入一个完全自然的境界。

1 生物传感器研发及应用于体育领域的背景

美国的纳米技术和生物传感器技术处于世界领先地位。美国应用纳米生物学和医学中心是纳米技术和生物传感器技术研发较好的机构，隶属于亚利桑那大学。该中心致力于在纳米科学、微机电系统、分子生物学和基因组学等领域研发新一代生物传感器，在纳米技术方面有独特的研究和进展。该中心具有多学科背景的研究人员，在分子生物学、物理学、材料科学、电气和机械工程、化学和纳米技术等方面都有一定的造诣。

纳米生物传感器最早运用于医学领域。由于全世界癌症病人患者的不断增多，生物传感器在早期癌症诊断中起了重要的作用。近年来，科学家探索了纳米材料的很多优良的物理和化学性质，纳米材料在疾病标记物检测方面的应用催生了一系列超灵敏检测方法。纳米技术的产生为超灵敏生物传感器打开了新的途径。纳米金，石墨烯，碳纳米管和DNA纳米结构在生物传感器的设计与发展产生了重要影响。由此，一些研发机构开发了一些针对医生诊断和针对病人疾病监控的生物传感器。这些传感器的研发问世也引起了体育界注意，认为通过这些设备，教练们能够得到运动员训练中的实时运动数据，并进行记录和分析。由此产生这些智能设备能否运用于体育领域的思考。

2 纳米生物传感器的研发对运动员的重要意义

科技成果最终要转化成生产力。生物电传感器可以捕捉到人躯体、大脑和心脏发出的电信号，经过数字化信号处理后，输出准确、详细的人体相关信息。教练员和运动员可以使用这些产品监测运动中的身心状况，从而能够更加科学地了解运动员运动中身体情况及对运动强度的适应情况，监控运动过程，提高运动训练效果。

智能手环、智能手表、健身腕带等穿戴设备不断涌入市场，消费者们已不再为这些小巧精致的设备和看似神奇的功能而感叹，进而追求功能更多样、更专业、使用更方便的智能设备。随着纳米技术运用于生物传感器，未来传感器将可以嵌入可穿戴设备。智能传感器可以追踪心率、呼吸、汗液成分和其它人体生理数据，使用起来将更加方便。

3 纳米技术与生物传感器的现状

纳米技术和生物技术是21世纪的两大领先技术，在这两者之间存在着许多技术交叉。近20多年以来，生物传感技术发展十分迅猛，它是一个由生物、化学、医学、物理、电子技术等多种学科相互渗透形成的研究领域。美国应用纳米生物学和医学中心的科研人员研发的新一代纳米技术生物传感器，可以看到在特定的微生物组成人体细胞的反应和不同的微生物成分，看到这些细胞对某些药物的反应，制定个性化的药物治疗方案。后期研究中他们将会把这项技术扩展到运动领域，改善纳米生物传感器对健康人体一些生理、生化指标检测的灵敏性和特异性。

4 纳米生物传感器在体育中应用前景

4.1 汗液成分分析

目前正在研发的纳米生物汗液传感器，通过汗液分析身体状况。汗液传感器可测量汗水中特定分子水平，从而获得个人生理和健康的实时信息。主要通过测量汗液中的电解质和各种代谢物、以及皮肤表面温度，来分析运动员当前的身体状况。该传感器可为在户内外长时间运动的人提供详细的汗液分析。该传感器可同时进行多个汗液代谢物的测量，包括葡萄糖、乳酸和电解质（如钾和钠离子），同时还可监测皮肤温度。从功能上来看，现阶段研发的汗液传感器仅局限于测量汗液数据。研发团队计划未来这款传感器不仅仅可分析汗液数据，甚至还可以追踪任何体液的数据。比如，当你生病或者受伤的时候，能够立刻发现自己相应的体液分析数据出现异常。

这项技术的工作原理是：将生物传感器技术集成在一块小的贴片中，然后紧贴皮肤上，就能够检测汗液中表明你身体状况的生物标记，例如电解质、乳酸、蛋白质等。人体排出的汗液当中具有丰富的生理信息，是人体健康状况最直观的反应方式之一。汗液当中，这种信息是非常复杂的。他们正在攻克这一技术难题，提取汗液当中的有用信息进行分析，将这些数据分析处理后传送到智能手机或电脑中。实验中可检测存在于离子与质子等超小浓度中的基本带电粒子，不仅能反映出汗水的pH平衡，还能显示疲劳状态时更复杂的水合状况。能够为个人的水合、压力或疲劳程度提供即时且准确的检测。实时分析这些生物标记数据，为运动训练提供有针对性专业建议。

汗液成分和排汗量的信息是补液成分的重要依据。在运动过程中，补液是一个重要的环节。它不仅能补充流失的汗液而且还能补充体内流失的电解质。分布在织物通道里嵌入了PH敏感的着色指示剂，一旦有汗水附着就会有色差反映。它可以很好、实时、直接地收集和分析汗液。实时分析出来的信号可以直接反馈到教练员或运动员那里。通过这块集成了汗液传感器的贴片，就可以知道，何时需要补充水分，需要喝多少水，需要喝纯净水还是运动饮料。通过检测皮肤温度，可以在有潜在中暑和运动过度的危险之前及时提醒你。未来在电解质平衡检测和水分检测之外，该传感器技术还能监测肌肉疲劳度、体力消耗水平、呼吸和皮肤的PH值，这样能有效降低运动中抽筋等情况发生。

4.2 呼吸监控

呼吸是一种评估身体功能运动状态的指标。当运动员提高运动强度时，则伴随着快速率的呼吸和高频率的心跳。目前，医学临床上已经有胸腹部呼吸波形传感器，用于检测呼吸气流波形。产品具有灵敏度高，低频响应好，与人体无直接接触，适合于佩戴的扁平带式，能真实地反应呼吸波形。经标定和信号处理还可以获得呼吸率、呼吸气流持续时间、潮气量、通气量及流速等参数，适合多种仪器配套使用。但其明显缺点是由于体积大，佩戴不方便，不适合于运动员室外运动佩戴。

而新型纳米可穿戴式生物传感器，通过织物应力或压力，可以检测呼吸频率来测量胸腔扩大和收缩状态。该传感器设计在靠近胸部的有弹性运动服装中。当吸气时，胸腔扩大，传感器被压缩，电导率增加。当呼气时，胸腔收缩，传感器释放而析出的电导率返回到基线。衣物材料可用弹性针织面料来实现。通过测量运动中呼吸状况，可以评估运动或恢复效率以及提供及时的生化反馈。

4.3 心电监控

用于运动中心脏监控的纳米可穿戴式生物传感器置于衣物靠近心脏部位，可以获取运动中心脏的实时数据，能追踪心率、心脏收缩和舒张波形、心输出量相关数据。在运动中可以实时观测运动员的心电图，发现异常，及时中断训练或比赛，防止意外发生。

即将问世的心电传感器，可以精确地检测到运动中运动员心脏的各种指标，经过量化处理后，将人身体的健康状况及潜在的风险通过相关的应用程序展现给教练员。

4.4 脑电监控

运动中对运动员的心理状态了解和调控一直是体育领域没有解决好的问题。纳米生物传感器的研发，为运动中实时监控运动员的心理状态提供可能。其原理是借由电感应进行脑电波监测。传感器内置了大量的感应器，可经蓝牙连接到外围的 App 进行操控，能够反馈实时数据，帮助运动员进入到一种深层的沉思状态，远离外界的干扰。目前对冥想、内省和沉思等的医学研究成果不断的涌现出来。不少研究发现，冥想能够降低血压，缓解焦虑、抑郁甚至疼痛，提高个体的平衡能力、压力释放技巧，以及改善睡眠状况等等。

即将问世的脑电传感器可以监测人的大脑活动状态，可以感知人的情绪和状态，不仅可用于大脑健康训练，还能给人在运动中带来不一样的娱乐体验。

4.5 足底传感

动态姿势的调整是运动技能训练的基础。体育运动并不依赖于静态姿势而取决于动姿。如今有多种方法用来检测优秀运动员的表现，最常见的是在实验室里采用生理学和生物力学进行测试和分析。而在室外自然环境的训练或比赛过程中看运动员的技术动作是否完美，最常见的方法是通过肉眼观察或调用视频播放，但这也只是直观的判断。除了通过教练肉眼观察和昂贵的视频设备以外，即将问世的嵌入纳米生物传感器的智能袜成了解决这个问题的捷径。智能袜是把纳米生物传感器植入袜子中，能够监测到运动员的跑步姿势、运动量、步数以及跑步距离等。从而帮助运动员提升运动水平，同时避免受伤。

5 前景展望

可穿戴式纳米生物传感器可以评估运动员在训练过程中的生理、生化信号及身体运动学的性能指标。这种传感器完全地嵌入集成在运动员的服装里，可以监测运动全过程。在运动中，无需连接任何外部设备，使得这种生理监测进入一个完全自然的状态。发展在纺织品中植入智能传感器，织物链路使服装上所有的传感器成为一体，使每一个传感器类型都有各自的典型反映方式，不仅可以检测汗液成分，控制运动强度，还可以实时反馈身体运动的信息，监控运动员的心理状态，为科学化训练提供依据。同时，其潜在的其他功能也将呼之欲出。