生物传感器比你更“懂你”
2017-06-04 10:51:46   来源：微迷   评论：0   点击：

传感器的跨界应用，对生物传感器的需求能做到无缝切入，将是未来的趋势。未来10年内“即时检测”的潮流会到来。生物传感器的物理形态和应用情景将实现个性化。

在一个置有三台屏幕、十几个扬声器的房间里，一名美国旧金山女性头戴64通道EEG帽（用来测量大脑神经元产生电活动的生物医疗帽）坐在黑色皮革沙发上。她手腕上佩戴有一部跟踪仪，以测量心率及皮肤电反应，指尖置有一台脉搏血氧仪，房间中架设的热成像相机实时观察她皮肤的温度变化。

这是发生在美国杜比实验室的一幕，是该实验室致力于用先进的生物传感器来研究人机互动技术的典型案例——科学家利用高动态范围技术记录下人类观看电视节目时的身体反应。至于跳跃的屏显数字表征出的人体信息，机器明了，她本人却未必明了。

根据2017年4月全球知名市场调研公司PMR发布的一份最新报告，未来6年，全球生物传感器市场将经历快速增长，该市场2014年市值为129亿美元，到2020年将达到225亿美元，年复合增长率为9.7%。按地理划分，目前北美是全球生物传感器的最大市场，而由于医疗保险普及率的不断扩大、人口基数大以及卫生保健系统的不断升级，亚太地区将成为增长最快的地区。

一项更懂你的技术

人工智能2.0时代来临之际，越来越多的学者开始重新思考技术与人的关系。技术意味着人类对自己的超越，然而，在技术更加自主、更加精准地服务于人之前，是否对用户属性有了精准的锚定与了解？究竟有没有对人类极度了解与忠诚的技术？

不到咳嗽发烧感觉不妙、心悸心慌被推进医院，我们往往并不知道身体出了什么状况。同样地，我们对正在被多大强度的紫外线所照射、摄入的卡路里是否超标、睡眠是否充足、是否过于疲劳等信息也不得而知。

有效的判断、决策和行动总是建立在充分了解的基础之上。在第四次工业革命以前，最了解人类的也许是人类自己。然而一切因技术的更迭而发生改变，生物传感器将在未来成为解码人类的重要帮手。

也许现在大部分人并不知道生物传感器为何物，但事实上，它已在炫酷的科幻电影里高频亮相。

还记得电影《Her》中那个贴心的人工智能系统吗？它能感知人类的物质世界与心灵世界，了解使用者的喜怒哀乐，与人进行深度的交流和沟通，并丰富自己的意识和情感。在这个虚拟世界里，你可以与它分享细腻的情绪感受，它也能理解、认同并服务你的需求，帮你梳理知识、处理邮件，和你谈情，甚至与你发生一场柏拉图式的性爱。

在红极一时的科幻电影《全面回忆》中，科学家在玻璃与人之间建立视频通话联系，让人体皮肤成为显示屏，并让血液充当提供电能的设备，以触摸实现控制。

科幻电影《少数派报告》中，阿汤哥佩戴的体感手套操作电脑的镜头令人向往不已。通过佩戴手套实现细微的手势控制，包括重叠窗口、下拉菜单等，以此控制用户界面，实现多种操作。

科幻电影《华氏451》中，主角的妻子Mildred长达10年之久挂着一副智能耳机，通过读唇与丈夫交流的场景也让人大开眼界。根据设计，耳机用以收集运动数据，进行心率检测和无线蓝牙传输，并通过内置高精度运动传感器，准确记录并分析使用者的运动及行为状态。

生物传感器像理智的研究者一样敏锐地体察并反馈人类的方方面面。利用信息获得真实感受，增进理性，延伸人类存在的维度。

在尚未投入大规模使用以前，生物传感器已浩浩荡荡闯入了科学家的实验室。比如，有些生物传感器能从你的汗水中读取化学信息，监测身体在运动过后的反应。再比如，有着“镀金条形码”模样的电子纹身可以通过静脉监测血液中热能的流动情况，以此观察血管对温度变化的反应，从而监测心血管健康。

生物传感的前世今生

前沿、未来感已成了生物传感器的标签，然而它首次出现在我们生活的世界竟然可以追溯到17世纪。

英国煤矿工人率先发现了一个秘密：金丝雀对于瓦斯浓度的敏感性远远高于人类。于是当煤矿工人下井时，便常常随手携带一个装有活体金丝雀的鸟笼，以探测矿井中的氧气浓度是否充足，确保生命安全。这是人类历史上第一个气体传感器。

而现代生物传感器概念的提出，还只是半个多世纪以前的事。生物传感器之父Leland C.Clark于1956年最早提出了氧电极生物传感器，基于其研究的葡萄糖传感器造福了数百万的糖尿病患者。

经过上世纪60年代兴起的专一性强且灵敏度高的酶法分析、基于离子选择性电极的无试剂分析、酶电极、微生物电极、测抗原的免疫传感器、热生物传感器、酶光纤传感器、压电晶体酶传感器等发明应用阶段，生物传感器的功能应用已拓展到活体测定、多指标测定、联机在线测定等领域，并在临床、发酵、食品、化工和环保等领域显示出极具潜力的应用前景。

近20年来，生物亲和传感器的技术取得突破，以表面等离子体和生物芯片为标志的生物传感器掀起第二场高潮。紧接着，微型生物传感器、纳米生物传感器、亲和生物传感器、杂合生物传感器以及生物芯片接踵而至。

经过半个多世纪的发展，关于生物传感器的定义基本形成，简单来说，生物传感器充当着一个接收器和转换器的角色。主要体现在以下三个方面：

首先，感受。提取出动植物发挥感知作用的生物材料，包括：生物组织、微生物、细胞器、酶、抗体、抗原、核酸、DNA等。实现生物材料或类生物材料的批量生产，反复利用，降低检测的难度和成本。

其次，观察。将生物材料感受到的持续、有规律的信息转换为人们可以理解的信息。

再次，反应。将信息通过光学、压电、电化学、温度、电磁等方式展示给人们，为人们的决策提供依据。

作为一个典型跨学科的交叉产物，生物传感融合了生命科学、分析化学、物理学和信息科学及相关技术，能够对所需探测的物质进行快速分析与追踪。从它身上，人类获得了极度的关注、了解与忠诚。

有了追踪式的“无缝”了解，技术才能捕捉人类需求，以便做出合理、有效的决策。如室内温度的调节，机器、设备、家具、交通工具的实时控制，收发邮件等工作事务的处理，还有买卖股票等行为。可以说，生物传感是实现智能化的第一步。

生物传感的未来尺度

多年前，在美国化学协会召开的一个会议上，曾有科学家展示过DNA传感器的应用场景。这种DNA传感器也称为基因传感器，是生物传感器的一种，能将目标DNA的存在转变为可检测的电信号的一种传感装置。这种灵敏快速准确的传感器非常适合医学检测，包括传染性疾病、遗传学疾病以及恶性肿瘤等疾病的检测。在纳米膜技术发展推动下，DNA传感器在“即时检测”上的应用会越来越广。

传感器的跨界应用，对生物传感器的需求能做到无缝切入，将是未来的趋势。未来10年内“即时检测”的潮流会到来。生物传感器的物理形态和应用情景将实现个性化。

生物传感器的发展，不再是像智能手表或者健身手环那样，而是通过3D打印技术实现个性化的需求。近日，美国研究人员宣布开发出一种3D打印的可植入血压传感器装置。美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家创造了一个纳米级别的“模孔蛋白”，这种碳纳米管能在体内用于运输药物，作为新型的生物传感器和DNA测序的应用基础。梅奥诊所和无线传感器公司Gentag日前也宣布，双方计划开发一次性的无线可穿戴贴片传感器，面积只有药膏般大小，能和智能手机整合进行糖尿病、肥胖症和相关疾病的监控。

随着人们使用可穿戴健康监测器和智能设备数量的快速增加，通过这些设备来监测我们的活动与健康的想法已深入人心。据福里斯特研究公司（Forrester Research）的预测，到2020年，物联网产业的规模要比信息互联网大30倍，将有250亿台物联网设备接入互联网，这意味着将有海量设备需要感知数据。据英国市场分析公司CCS洞察公司（CCS Insight）的研究报告，可穿戴设备的销量将在2018年达到并超过1.7亿台。

连日来，英特尔、三星不约而同加速生物传感器领域的研发布局，引起业内瞩目。应市场对可穿戴设备的热切需求，二者分别推出了纳米级微细制程应用处理器（AP），并研发整合多种传感器的传感器中枢，争相抢占穿戴用移动AP市场。

在人工智能高强度、高密度融入我们世界的同时，可穿戴设备、智能感知广阔的应用前景将“生物传感器”这一概念推至前台。不仅如此，更加前沿高端的黑科技“传感器植入套件”纷至沓来，令人类对“成为超物种”这一幻想再添憧憬。

然而从细分市场来看，以生物识别传感器市场为例，在产值接近45亿美元的全球生物识别硬件市场中，传统的指纹识别传感器仍然垄断了95%的市场，而人脸识别/虹膜/眼球/眼纹识别传感器还处于等待“腾飞”的状态。这不失为生物传感器市场的一个结构性不均衡的表现。

置有各类生物传感器的可穿戴设备将不仅监测人类的身体健康，还将无缝地融入生活，提供与物联网及更广泛世界的联系。

目前，医疗健康领域的应用覆盖中医针灸传感针、生物芯片、葡萄糖监测、检测DNA突变、疾病诊断、病毒检测、药物剂量、脑损伤检测等方面。

除此之外，生物传感器还大大改变了用户操作游戏的方式。如Neuro Sky神念科技的脑电传感器可以解放人的双手，实现了用意念来玩游戏。Throw Trucks With Your Mind等都是类似的游戏应用。

多功能、多传感器及多标准可穿戴设备在人类日常生活中发挥的作用会日益显著。连接人与人、物与物、人与物的各类传感器将逐步完成技术积累，并走向工业、医学、生活等领域。届时，生物传感器将搭建起大数据，让一切与人有关的决策更加高效、更加科学。

未来，也许一只鞋都会比人更“机灵”。它可以自动调节大小、形状、温度、质地和颜色，还会在你需要时，自己滑动到你的双脚跟前。这不只是幻想。生物传感在不同领域的应用进步，不禁让人好奇，再过十年，我们的生活会发生怎样的变化呢？

延伸阅读：

《医疗保健领域的MEMS和微系统》

《微流控产业现状-2017版》

《器官芯片-2017版》

《即时诊断市场-2016版》

《即时需求诊断：微流控技术应用》

《诊断应用的微流控技术专利分析-2017版》