柔性传感器如何开始解读人体语言

我们能否通过设计能够解读人体语言的医疗设备来改进医疗器械？刚刚在麻省理工学院启动新研究小组的材料科学家 Canan Dagdeviren 认为可以。自从她在土耳其长大后，她就一直将悲剧和损失转化为充满希望的研究。

她的发明表明，科学家们可以从我们器官的运动中收集电能，从生理模式的细微变化中捕捉疾病的早期迹象，或者追踪神经退行性疾病对大脑造成的变化。

当 Canan（发音为 JAH-naan）在 20 世纪 90 年代初还是个孩子时，她得知她的祖父因心脏病在 28 岁时就去世了。她暗自发誓要尽一切努力，解决困扰她祖父的疾病。

几十年后的 2014 年初，作为她在美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校博士研究的一部分，她和她的合作者们公布了一款具有重大意义的微型生物医学设备。该设备边长仅几厘米，外观像创可贴，能将体内器官的自然运动——跳动的心脏、扩张或收缩的肺部、抬起或下降的膈肌——产生的能量转化为电能。虽然能量不大，但足以驱动像起搏器这样的植入式设备，以调节不规则的心跳。

“今天的起搏器需要每七年更换一次，因为电池会老化，”她说。这意味着需要进行手术。Dagdeviren 的设备已经在牛身上进行了安全性测试，但尚未上市，它能产生足够的电力来驱动起搏器或其他植入式设备——无需电池。

Dagdeviren 的能量收集器建立在一个柔性基础上。其成功的秘诀在于 PZT，即锆钛酸铅，它具有压电性。这意味着它在弯曲和放松时会产生微小的电荷。例如，将该设备附着在肺部，随着人吸气和呼气，设备会改变形状——产生稳定的电流。

Dagdeviren 的母亲启发了另一项发明。2012 年，她母亲抱怨皮肤干燥难以治疗，Dagdeviren 立刻想象科技如何能提供帮助。随着年龄的增长，皮肤会变得更薄、弹性更差；润肤霜可以恢复部分弹性。

因此，Dagdeviren 创建了一种小巧、柔韧且可拉伸的传感器，它像创可贴一样附着在皮肤上，并随着人的活动而弯曲。设备中的 PZT 纳米带会产生微小的电荷，测量皮肤的弹性，这可以指示皮肤的水合程度以及润肤霜的效果。在设计过程中，她咨询了皮肤科医生，他们建议该设备可能还能在早期发现某些皮肤癌。该设备目前仍在申请专利。已有几家公司表示有兴趣将其推向市场，Dagdeviren 说她的团队正在寻找将该技术应用于其他领域的方法。无论它走向何方，都将始终根植于她的个人经历和她的家庭。

好奇的火花

Dagdeviren 在海边长大，为了换换风景，她的家人会去附近的林区野餐。她说，在 7 岁时，一次外出野餐点燃了她对科学的兴趣。Dagdeviren 说的“点燃”并非比喻。她和哥哥刚收集好柴火，母亲就指着一些有锋利边缘的白色石头，它们被鲜花环绕。她的母亲将两块石头撞在一起，产生了火花——向女儿展示了从石头里生火的秘密。

“我喜欢‘你变形了这个材料就能产生火花’这个想法，”32 岁的 Dagdeviren 说。“那真是太令人兴奋了。”

那次野餐实验与她之前读到的一些内容相似。几个月前，她的父亲给了她一本法国科学家玛丽·居里（Marie Curie）的传记，她曾两次获得诺贝尔奖，是放射性研究领域的先驱。Dagdeviren 受到启发，但并非如她父亲所期望的那样。她迷上了玛丽的丈夫皮埃尔，Dagdeviren 说皮埃尔是她的“科学挚爱”。皮埃尔和他的兄弟雅克于 1880 年首次描述了压电性。希腊语 piezein 的意思是“挤压或按压”，压电材料在被挤压、变形或撞击时会产生电荷——就像将两块石头撞在一起产生火花一样。

在安卡拉哈塞特佩大学攻读本科期间，Dagdeviren 仍然在思考如何让自己也“火花四溅”，她主修物理学。她父亲担心她找不到工作，担心她作为一个女性在物理学领域会遇到困难，但她毫不畏惧。Dagdeviren 学习了材料和物理学，了解了所有火花背后的科学原理，并设计了她的第一个设备。

2008 年，在波士顿举行的一次材料科学会议上，Dagdeviren 找到了 John Rogers，她称他为“柔性设备之王”。当时，Rogers 还在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校。他的实验室生产了大量微型生物相容性电子设备，这些设备使用塑料和生物组织等软材料。许多设备像临时纹身一样贴在皮肤上。Rogers 实验室的设备包括了各种各样的物品，从能抵抗细菌感染然后消失的无线电子植入物，到用微型纳米线排列成手风琴波纹管状的可拉伸电池。

Rogers 是贝尔实验室（现为诺基亚贝尔实验室）的校友，贝尔实验室在其鼎盛时期以将科学研究转化为具有广泛社会影响的工程应用而闻名。Rogers 说，他以这种模式经营自己的实验室，鼓励学生专注于跨学科科学发现，并思考其应用。Dagdeviren 进入伊利诺伊大学，加入了 Rogers 的实验室，并且非常适应。

Rogers 说，实验室里的许多研究生，包括 Dagdeviren，都受到个人经历的驱动。“当人们致力于可能造福人类健康的事业时，这确实能激励他们，”他说。“如果这些设备能挽救我的祖母，那么它就不只是一个能工作的设备——它具有真正、更深远的影响。”

2014 年，Dagdeviren 获得了博士学位，随后加入了麻省理工学院 Robert Langer 的实验室，Langer 的工作将材料科学与生物技术相结合。他的团队设计了新颖的药物递送系统，以及新的组织工程方法。

Dagdeviren 设计了一种柔韧且可拉伸的传感器，它利用纳米带产生微小的电荷来测量皮肤的弹性。这有助于监测皮肤的细微变化。

“我希望人们能致力于改变世界的宏大理念，我认为他们已经做到了，”他说。Dagdeviren 将她的专业知识应用于脑植入物研究，并与神经科学家和其他工程师开展合作。“她在这种（协作）工作中表现出色，”Langer 说。“她很棒，才华横溢，富有创新精神。”

“人体发电机”

Dagdeviren 最新的设计灵感来源于她一位心爱的姑姑因脑肿瘤去世。这种新的传感器将植入大脑，能够持续监测神经活动并进行靶向药物输送。如果该设备通过严格的实验室测试并上市，它将能够追踪帕金森病的进展或监测和治疗肿瘤。

Dagdeviren 说，理想的医疗设备应该是舒适、轻便且几乎看不见的。她的发明是可拉伸、柔软且坚固的。它们足够柔韧，可以层叠在敏感器官上，又足够耐用，可以在如此复杂的环境中安全运行。它们看起来一点也不像我们通常与救生设备相关联的笨重、易碎、发出蜂鸣声的侵入性技术。

“她正在做的事情是传统电子技术无法复制的，”Rogers 说，他现在在西北大学任职。

尽管她深深地沉浸在纳米电子学的复杂性中，但 Dagdeviren 将她的使命视为解读从身体收集的数据中加密的隐藏代码。她说，破译这些代码的方法是通过持续监测。大多数数据测量——心率、血压、血糖水平——只能显示一个人短暂的快照，而无法捕捉这些变量的波动。她认为，连接在身体上的、配备有永不耗尽电源的设备，可以观察数据流，这可以让医疗真正个性化。一旦科学家们理解了身体在说什么，他们就能找出如何让它正常运转。

“我创造的设备能够倾听和解读身体，”她说。

在 Langer 实验室完成博士后工作后，Dagdeviren 被邀请在麻省理工学院媒体实验室建立自己的研究小组。她花费了去年冬天和今年早些时候组建研究团队，聘请实验室经理，并为脑植入物申请专利。（她还在去年 12 月短暂休息，前往斯德哥尔摩接受享有盛誉的《科学》与 SciLifeLab 青年科学家奖。）Dagdeviren 对脑植入物有宏伟的计划，她还在开发从身体外部（例如通过膝盖和肘部的运动）收集能量的压电基设备。

她称它们为“人体外部发电机”——这是将人体语言转化为改善健康的又一个例子。

Stephen Ornes目前在田纳西州纳什维尔的一个后院棚屋写作。

[本文最初刊登在纸媒上，题为“电子身体”。]