可穿戴及可攝入電子產品的發展正在迅速提升生物電子設備的健康監測能力。

使用生物電子設備來追蹤人體自身的健康以獲知身體舒適度的觀念已深入人心。據麥姆斯咨詢報道，最新的蘋果智能手表，僅在2022年就創下5000萬的銷售額，該手表可以測量體溫和心率，檢查人體血氧水平，并展示心電圖。這可能只是生物電子設備在持續健康監測和個性化醫療方面的一個開端。

首先，生物電子設備的形式多樣，從可穿戴到可植入再到可攝入。研究人體可攝入設備（從人體內獲取讀數）的歷史可以追溯到1957年，當時報道了一款能夠讀取人體內部壓力和溫度的可攝入膠囊。但正是在過去25年左右的時間里，隨著PillCam膠囊內窺鏡的推出，該領域的研究活動取得了更突出的進展。

可攝入電子設備可用于追蹤和治療人體胃腸道中的不同疾病。近年來，研究人員在傳感器、電路和系統層面取得了進展，并創造了可以測量胃腸道氣體和生物分子的設備。在Nature Electronics期刊的一篇題為“End-to-end design of ingestible electronics”的評論文章中，Yasser Khan及其同事研究了可攝入電子設備的發展。

通過他們的分析，南加州大學（University of Southern California）和佐治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）的研究人員為系統級可攝入電子膠囊的設計提供了一個循序漸進的指導。他們探索了此類設備的關鍵組件和功能，包括傳感器、執行器、集成電路、通信、電源、封裝、定位和移動等。他們還評估了目前限制該技術更廣泛應用的問題。

可攝入電子設備通常由堅固的剛性材料制成。商業可穿戴技術也是如此。但柔性和可拉伸材料在可穿戴設備設計中的潛力是科研界關注的焦點，這可能會顯著擴展此類設備的功能。該方法可以讓設備與皮膚形成緊密接觸，并可以通過汗液傳感提供對人體的分子洞察。此類系統日益復雜的情況在Nature Electronics期刊的其它文章中得到了說明，Wei Gao及其同事在該期刊上報道了一款可監測和分類心理壓力反應的電子皮膚。

可用于監測心理壓力反應的電子皮膚

來自加州理工學院（California Institute of Technology）、香港科技大學（Hong Kong University of Science and Technology）和加州大學洛杉磯分校（University of California, Los Angeles）的研究人員使用了一種可擴展的噴墨打印方法，制作出了一種可以戴在手腕上的電子皮膚。該電子皮膚包含一個微流控模塊和一系列傳感器，可連續監測人體汗液中的分子生物標志物（如葡萄糖和鈉離子）以及各種生命體征（如皮膚溫度和脈搏波形）。它還集成了一個微型離子電滲模塊，可用于刺激出汗（無需劇烈運動，就可提供必要的汗液樣本）。

Wei Gao及其同事的研究表明，該電子皮膚可以在24小時內持續監測個人的日常活動，從吃飯、睡覺到工作和鍛煉。此外，來自該設備的數據可以高精度地針對不同壓力源的反應進行分類。他們使用了三種不同的生理和心理壓力源（冷壓力測試、虛擬現實（VR）挑戰和劇烈運動），在機器學習（ML）的幫助下，區分出了它們，準確率為98.0%。他們還可以量化心理壓力反應，置信度為98.7%。

正如H.Ceren Ates、Cihan Ates和Can Dincer在Nature Electronics期刊新聞及評論文章“Stress monitoring with wearable technology and AI”中所闡述的那樣，這項工作為“基于可穿戴的壓力管理技術的發展奠定了基礎”。他們還指出，這種方法是基于這樣的觀點——交感神經元活動和應激激素的釋放會在測量變量（如心率和汗液代謝產物）上留下獨特的印記。然而，目前還沒有將這些測量結果與應激激素聯系起來的數據庫。因此，“臨床研究對于精確量化生理參數和壓力之間的復雜關系至關重要”。

值得注意的是，來自德國弗萊堡大學（University of Freiburg）和卡爾斯魯厄理工學院（Karlsruhe Institute of Technology）的H.Ceren Ates及其同事將繼續研究如何利用這項技術創建未來的個性化壓力管理系統。不過，他們提醒說，了解壓力需要的不僅僅是傳感器數據，還需要深入了解個人的主觀體驗，因此個人的主觀報告數據需要集成到系統中。

審核編輯：彭菁