“皮膚體模”：可穿戴技術革命的新引爆點?

可穿戴設備已經成爲現代醫療保健的一個重要組成部分，有助於追蹤患者的心率、壓力水平和大腦活動。這些設備依靠電極式傳感器接觸皮膚來採集身體的電信號。

製造這些電極並不像看起來那麼容易。人類皮膚很複雜。它的特性，例如導電性能的好壞，會根據皮膚含水量、年齡，甚至天氣而發生變化。這些變化會使測試可穿戴設備的工作效果變得困難。

此外，電極測試通常需要人類志願者參與，這可能很棘手且不可預測。每個人的皮膚都不同，這意味着結果並不總是一致的。測試還費時又費錢。此外，要求人們參與這些實驗存在倫理方面的顧慮，包括要確保他們知曉風險和益處並且能夠自願參與。

科學家們試圖製造人造皮膚模型以避免其中的一些問題，但現有的模型還不能完全模擬皮膚與可穿戴傳感器相互作用時的行爲方式。爲了解決這些侷限性，我和我的同事們開發了一種名爲仿生皮膚模型的工具——一種模擬人類皮膚電學行爲的模型，從而讓可穿戴傳感器的測試更簡單、更便宜也更可靠。

我們的仿生皮膚體模由兩層組成，能捕捉皮膚表面和深層組織的細微差別。“仿生”意味着它模仿自然界中的某種東西，在這裡就是人類皮膚。“體模”是一種用來模擬真實物體（如人體組織）特性的物理模型或裝置，這樣就可用於研究，而不必依賴真人。

底層模擬皮膚下的深層組織。它由一種名爲聚乙烯醇低溫凝膠的凝膠狀物質製成，它可以被調整，使其柔軟度和導電性與真實生物組織相似。我們選擇這種材料是因爲這些特性，再加上它的耐用性以及在生物醫學研究中的廣泛應用，使它成爲皮膚深層組織的良好替代品。

頂層模擬皮膚的最外層，即角質層。它由一種類似硅酮的材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）製成，這種材料與特殊添加劑混合以匹配皮膚的電學特性。聚二甲基硅氧烷（PDMS）在生物醫學研究中也被廣泛應用，它柔韌性好且易於塑形，能緊密複製皮膚外層。

我們的皮膚模型的一個獨特之處在於它能夠模擬不同程度的皮膚的水分含量。水分含量會影響皮膚的導電性能。乾燥的皮膚電阻較高，這意味着它會阻礙電流流動。這使得可穿戴設備更難獲取信號。含水的皮膚更容易導電，因爲水有助於帶電粒子的運動，從而得到更好的信號質量。改進對乾燥皮膚的建模和測試方式能夠得到更好的電極設計。

爲了重現皮膚水分含量的效果，我們在皮膚模型的頂部的PDMS層中引入了可調節的孔隙。通過精確改變孔隙的大小和密度，該模型能夠模擬乾燥或含水的皮膚狀況。

我和我的團隊通過多種方式測試了我們的皮膚模型，以確定它是否真的能夠在實驗中替代人類皮膚。

首先，我們使用了一種名爲阻抗譜法的方法來研究仿體的電學特性。該技術施加不同頻率的交流電信號，並測量材料的電阻（對電流的阻礙），從而提供其電學行爲的詳細情況。我們在五名志願者身上進行的實驗結果表明，在乾燥和水合兩種條件下，仿體的阻抗反應與人類皮膚的阻抗反應非常相似，真實皮膚和仿體之間的差異小於20%。

我們還測試了可穿戴設備是否能從皮膚仿體上獲取信號，以及信號質量在不同皮膚狀況下如何變化。爲此，我們在模擬乾燥和水合皮膚的仿體上記錄了心電圖信號。結果顯示出信號質量的明顯差異：模擬乾燥皮膚的仿體的信噪比更低，而模擬水合皮膚的仿體顯示出更好的信號清晰度。這些發現與其他研究人員之前的研究一致。

總之，我們的皮膚仿體在包括乾燥和水合狀態在內的一系列條件下，都能緊密複製人類皮膚對可穿戴傳感器的反應方式。這種準確性使其成爲實驗室中真實皮膚的最佳替代品。

皮膚仿體不僅僅是一種測試工具——它是可穿戴健康技術的一大進步。

通過消除人體測試的不可預測性，科學家們能夠更快速、更有效地設計和改進可穿戴設備。他們還可以利用它來研究皮膚如何與醫療設備相互作用，例如藥物貼片或者先進的診斷工具。

我們的皮膚仿體還簡單且廉價。每個仿體 成本不到3美元，並且可以用標準的實驗室材料和工具製作。它可以在同一天內多次重複使用，其電學特性不會有顯著變化，不過如果連續使用數天可能就需要進行調整，比如重新補水，以保持性能穩定。這種價格實惠且可重複使用的特性使得預算或資源有限的實驗室更容易使用該仿體。

隨着可穿戴技術在醫療保健領域變得越來越普遍，像皮膚模型（Skin Phantom，一種用於可穿戴技術研究的工具）這樣的工具可以幫助使設備對每個人來說更可靠、更易獲取且更個性化。