利用皮膚的電導(dǎo)率來追蹤身體和腦力活動期間的汗液流失

在過去的幾十年里，電子工程師開發(fā)了各種可穿戴設(shè)備，可用于跟蹤某些生理過程并收集與健康或健身相關(guān)的數(shù)據(jù)。這些設(shè)備依賴于微型傳感器，可以接收不同的信號，例如心率、血氧水平和體溫。

全球個人使用的大多數(shù)可穿戴設(shè)備在跟蹤用戶進行身體活動時發(fā)生的生理變化方面特別有效，例如，當他們走路、跑步、舉重或進行其他形式的鍛煉時。這是因為身體活動通常比心理活動導(dǎo)致更大的生理變化。

監(jiān)測精神狀態(tài)（例如壓力水平）的一種長期方法需要測量皮膚電活動，這本質(zhì)上是皮膚的變化電導(dǎo)率。眾所周知，這種活動與出汗有關(guān)，當人們處于壓力下或精神消耗時，出汗往往會增加。

到目前為止，皮膚電導(dǎo)的跟蹤被認為對于跟蹤身體活動并不是特別有用。這是因為在運動時，人類通常會出汗很多，過多的汗液往往會積聚在皮膚和傳感設(shè)備之間，這使得檢測汗液水平的任何變化變得困難。

加州大學(xué)伯克利分校 （UC Berkley） 和勞倫斯伯克利國家實驗室的研究人員最近證明，當人們在精神和身體活動時，皮膚電活動可用于跟蹤汗液流失。他們的論文發(fā)表在《自然電子》（Nature Electronics）雜志上，可以為未來健身追蹤器、智能手表、生物醫(yī)學(xué)技術(shù)和其他可穿戴設(shè)備的發(fā)展提供信息。

“長期以來，皮膚電活動一直被用于通過測量特定位置的皮膚電導(dǎo)來監(jiān)測精神活動，例如指尖，汗腺密度高，”Seung-Rok Kim、Yifei Zhan 和他們的同事在他們的論文中寫道。

“然而，皮膚電活動被認為對身體活動監(jiān)測沒有用，因為身體活動會產(chǎn)生大量汗液，導(dǎo)致汗液在皮膚電極界面積聚，從而阻止對出汗事件的進一步動態(tài)反應(yīng)。我們表明，皮膚電活動可以用作低和高身體活動水平下汗液流失測量的代理。

作為研究的一部分，Kim、Zhan 和他們的同事開發(fā)了一種名為 SkinG 的新型傳感器，它由與微流體通道集成的μ電極組成。其獨特的設(shè)計確保汗液從皮膚和傳感器之間的界面快速排出，防止汗液隨著時間的推移而積累，因此還可以在用戶進行體育鍛煉時監(jiān)測汗液流失。

“我們使用由透水電極和基于微流體的汗液分析儀組成的可穿戴汗液傳感器，并表明皮膚電導(dǎo)與瞬時汗液流失成正比，”Kim、Zhan 和他們的同事寫道。“我們證明，可以通過整合皮膚電導(dǎo)隨時間的變化來估計運動期間的汗液流失，這可用于評估鍛煉者的身體水合作用狀態(tài)。”

研究人員在一系列實驗中測試了他們的傳感器，將它們放置在人類參與者手臂上的不同位置。他們表明，一些位置更適合檢測體育活動期間產(chǎn)生的汗水，而另一些位置則更適合檢測精神狀態(tài)產(chǎn)生的汗液。

“通過對皮膚電導(dǎo)的多點測量，我們表明手腕、前臂和上臂反映了身體活動水平，而手指則表示心理活動，”Kim、Zhan 和他們的同事寫道。“同時測量兩個不同的部位有選擇地將心理和身體活動解耦。”

最近的這項研究表明，通過監(jiān)測皮膚的電導(dǎo)率來測量體育活動期間的汗液流失實際上是可能的。未來，他們開發(fā)的傳感器和在實驗中收集的見解可用于拓寬可穿戴設(shè)備的功能，進一步提高它們在用戶進行各種日常活動時跟蹤生理變化的能力。

用于監(jiān)測精神和身體活動的多模態(tài)汗液傳感器的圖像和示意圖。a，照片顯示帶有μ帶電極的 SkinG 傳感器，該傳感器與微流體通道集成在一起，用于參與者前臂上的多模式汗液傳感。b， 集成器件的層壓元件。c，手腕肌腱上保形 μ 帶電極的照片。比例尺，1 厘米 d，SkinG 皮膚水合作用模型示意圖。e，來自不同汗腺密度的身體部位的不同 SkinG 反應(yīng)，用于精神和身體活動的去卷積。圖片來源：Nature Electronics （2025）。