表皮电子设备主要利用材料学、工程学与医学的结合，制造出可弯曲的精密电子设备。
通过对这些软硬结合材料进行力学量化建模，可以设计电路来提供相应的电子功能，同时确保力学特性可以和皮肤相适应。 以下内容引用自2021腾讯科学WE大会 John A. Rogers 演讲 以下为演讲全文：
大家好，我是John Rogers，来自美国西北大学，很高兴参加今年的腾讯科学WE大会。
我是一名材料学家和工程师，主要从事工程与医疗跨学科研究，开发用于人体的新型电子设备，也就是我们说的表皮电子设备。它们能够达到重症监护室设备的精度级别，在任何日常环境下都可以持续进行健康监测。这是西北大学的一项跨学科研究项目，我会介绍这些技术背后的材料学和工程学的基本概念，并重点阐述它们如何用于帮助病患。 我们的目标是开发低成本的数据化的医疗解决方案，从而降低患者的经济负担并提升效果。我们的重点之一就是开发新型计算机芯片，它要适合人体的柔软组织，尤其对于人脑来说。
因为人脑有着地球生物中最复杂的电子结构，如果你了解大脑的运行机制，并希望开发出能够治疗某些大脑失调病症的电子模拟（信号），你就会需要解决一个问题，那就是将有着最复杂电子形式的人脑与硅芯片电路进行连接。
硅芯片也是所有人体电子设备的核心，但问题是芯片的机械电子机制（与人脑的神经电子机制）是完全不同的。这两种电子系统的几何结构是完全不同的。在很多情况下，人造系统与生物系统在材料的层面上并不兼容，但如果我们能使两者相适应，如果能开发出可以连接人脑的电子设备，那将会是振奋人心的。
但脑机结合只是一个开始，我们希望电子设备也能够用于人体的其它重要器官。我们已经对心脏接口电子设备开展了大量的研究，这类可植入设备能够传递和监控人体多个器官和系统的神经活动，比如脊髓周围神经系统、肾脏、肝脏、肺和心肺系统等。
今天我要说的是，我们为最大的人体器官组织——皮肤设计的电子设备。这类电子设备已经取得了很好的效果，属于一种非侵入式的可逆连接。皮肤自身就可以作为测量的接口，与表皮电子设备相连接。这些电子设备可以精确测量各种人体健康指标，精度可以达到医院或实验室设备的级别。
它非常具有人体皮肤的特性，比如力学特性、弹性和可拉伸性等，可以妥帖地放置于皮肤表面，就像人体的第二层皮肤一样。它具有各种复杂的传感器，以及无线数据通信技术和电源供给等。根据病人的具体情况可以放置在人体的任何地方，通过大数据方法对人体健康状况进行持续监测。
这就是我们的总体目标。从工程学的角度来说，我们需要先提出一个问题：皮肤本身的工程设计原理是什么？技术专家或工程师对皮肤的认知是什么？ 人体皮肤异常精密复杂，复杂到我们不太可能完全复制出皮肤的所有特性。我们要造出各种长度的部件，有的是纳米级别的，有的是肉眼可见的，然后将这种硬件设备与柔然的皮肤相连。这类设备有电子电路，有流体特性，还有其它许多生物化学特性。它可以自我修复，并且很柔软、很耐久且很有弹性，在很多方面也强度很高。
但也许大家会问，我们想在电子产品中复制皮肤的什么基本特征，从而以无感方式将电子设备与皮肤相连接？
这也是我们的研究重点：将具有几何学力学和化学特性的电子设备与皮肤相连接，可以放置在人体的任何部位，并且不会被感知到。这样患者和相关研究人员就完全没有压力了。
从工程学的角度来说，这是一个艰巨的目标。因为说到当今的电子设备，它们都基于刚性平台，也就是具有机械和几何学特性的半导体晶片。这对手机来说是非常适合的，你可以把晶片置于手机或笔记本电脑中，但你肯定不希望把这玩意放在大脑里、心脏周围或者皮肤上。
因此我们必须重新构建电子设备，让它与人体相适应，这一直是我们的目标。让电子设备保持多样化的电子功能的同时，像人体组织一样与人体兼容，这是我们过去15年一直为之努力的目标。 我不会去讲技术细节，我要说的是它的工作原理。表皮电子设备主要基于力学工程学的两个简单概念：第一，如果可以把一种材料做得足够薄，这种材料就会具有力学柔性。正因如此，对于一个具有或不具有电子特性的硅片，我们可以在硅片上做出非常薄的硅带、硅薄膜和硅线，一旦释放，硅片上的纳米级硅带就自然会变得柔软。但它仍然是硅，我们仍然可以赋予其高水平的电子性能，但材料是柔性的。我们可以把这种硅带放置在塑料片上，制造出可弯曲的精密电子设备。
再说到人体。对于皮肤和大脑来说，我们需要的力学特性不只是柔性，还需要能够像橡胶一样拉伸，这就是生物的软组织所具有的力学特性。所以我们的电子设备既要薄又要有弹性。 我们看这张幻灯片的右半部分。有了这些硅带，我们把这些硅带粘在柔软的薄膜橡胶基片上，但并不是按平面放置，而是做成波浪形，形成一种软硬组合材料。硅是活性材料，下边的基片具有与人体兼容的电子特性，这样就可以拉伸、挤压、弯曲和打结，同时不会破坏硅材料本身。因为波浪状可以随着材料的变形而改变，和手风琴的原理类似。这就是我们正在研究的。 这两个概念非常简单，但也极具挑战。我们可以做出针对性的工程适配和延展，融入我们需要的各种材料。除了硅，我们还需要承载硅的材料，我们需要逻辑论证。这些都是可以实现的。
硅带的形状不仅可以是波浪形，也可以像内部彼此连接的小弹簧。通过对这些软硬结合材料进行力学量化建模，我们就可以设计电路来提供相应的电子功能，同时确保力学特性可以和皮肤相适应。
我们来看一段关于力学量化建模的视频，它可以很好地指导工程系统开发与设计。看起来这些都可以实现，我们可以开发出各种表皮电子设备，物理形态完美地匹配表皮的特性，包括厚度、力学特性、热学特性和水分蒸发特性等。
现在我们有了这样的人造皮肤，它非常薄，就像孩子的临时纹身一样，可以置于人体任何部位的表皮，成为人体的一部分。你会忘记它在那里，而它会通过无线的方式持续工作。
我们已经开展了15年的相关研究，2011年的时候有了一些进展，2014年又更进了一步。而从2015年到现在，我们的重点放在了如何运用这些概念解决实际的临床需求，针对不同的病情实现相应的效果。
但我想强调，这不只是一种电子设备，不只是一种可穿戴设备，更是一种皮肤接口。它能够达到医院设备的测量精度，无需去医院或实验室就可以实现持续的精确监测。
我们必须关注与皮肤物理接触的特性，这种微米级别的接触是非常复杂的。电子设备需要是柔性的、可拉伸的，但同时也要适合具有纹理的人体表皮。这对测量接口来说非常重要。 这是一张显微镜彩色照片，它显示了这些弯曲的活性电子结构如何适应表皮。这是皮肤的聚合物复制品，大家可以看到力学特性是如何实现的。
以此为基础，我们就可以制造各种现在只在医院才有的传感器，以后这些设备可以在家在户外在任何日常环境下工作。可以用来监测心脏健康，可以记录心电图，可以精确跟踪皮肤的水合作用，可以通过新的表皮动脉检测血液脉冲流，实现目前可穿戴设备无法实现的功能。块状的电子设备置于手腕，实现医院设备级别的测量精度和数据收集。医生和护士可以解读这些结果并采取相应的治疗措施。
这就是我们的想法。目前全球多个团队都在研发这样的皮肤电子设备，各种不同的传感器得以问世，这些传感器都可以用于这些平台。技术细节我就不介绍了，相关的论文有几百篇。
我想强调的是这样的电子设备是多模式的，有许多种类。我们可以将各种电子设备相连接，所以它们是多节点的，可以通过无线网络相互连接，获得临床标准的数据。这是很重要的，否则医生就不知道如何使用这些数据。比如说我们可以测量步数，但医生不知道能用这个数据做什么。心电图也是一样。
所以我们的目标是：获取具有临床意义的数据，监测必须是持续的，而不是间歇性的。只有不间断地进行监测，才能获取足够数量的数据，并通过机器学习来加以分析。
电子设备的成本也不能太高，不仅能在发达国家进行推广，也能落地中低收入国家和资源有限的地区。我们致力于让每位患者都能负担得起。稍后我将进一步解释这个问题。
目前我们和其他同行已经开发出了各类表皮电子设备，我们的重点是实现无线连接，降低成本，在家中和任何其它环境中都可以持续监测。
这就是过去五六年我们开发的表皮电子设备的总体理念。那么这项技术的受益者是谁，这是我们在临床应用前考虑的问题。 早产儿就是最适合的目标群体。因为他们的身体非常小，非常柔弱，健康状态非常不确定。他们需要全天24小时的重要生命体征监测，且测量精度达到临床级别。
从工程学的角度讲，我们需要将生物传感器之间通过硬件接口连接并植入婴儿的皮肤表面，并与外部的数据获取设备盒连接。
但这一方案有许多缺点，它需要用到电线，使得婴儿无法自然活动，安装和移除时会伤及皮肤。我们的替代方案是，抛弃所有这些硬件，用1-2个无线表皮电子设备来替代，同时不影响监测的范围和质量，最终获得关于病人状况的准确数据。让父母可以和孩子有更自然的互动，这对婴儿的成长来说是非常关键的。 技术细节我同样略过，我只想强调这是可以实现的。2个表皮电子设备就可以取代所有电线，并且不影响监测质量，所有重要生命体征都可以进行监测。其中一个电子设备置于胸部，另一个置于手部或脚部，用来监测所有重要生命体征。 电子设备可以与皮肤相适应，采用无线连接方式，同时不需要电池，这就又减少了一些硬件的使用，也消除了使用皮肤接口电池的潜在风险。我们通过无线的方式输送电量，持续获得健康数据。 这种电子设备已经有了大规模的应用，包括在芝加哥和全球其它一些地区。 这是第一批参与我们实验的一位病人，大家可以看到位于胸部的无线监测设备。它可以收集心肺数据，尤其是心电图数据，以及皮肤表面温度数据。这是一个26周大的婴儿。照片右侧可以看到他的手（上的电子设备）。
这是Aaron Hamvas，他是Lurie儿童医院的儿科主任。我们在这家医院对电子设备进行了临床实验。还有位于芝加哥市中心的Prentice妇幼医院。目前实验进展非常顺利，我们已经在200名婴儿的身上开展了实验，我们的一些电子设备也已经获得了美国食药监局的批准。
我们在新生儿重症监护室的实验非常成功，因此我们将实验范围进一步扩大至了婴儿，在幼儿重症监护室开展实验。婴儿相对新生儿身体要略大一些，他们仍然需要全面的重要生命体征监测，而这同样只需要2个无线表皮电子设备就可以实现。 大家看到这两个设备分别位于胸部和脚部，可以获取全面的数据。在没有电线和侵入式硬件的情况下，父母可以和患病婴儿更规律更自然地进行互动，这对于婴儿的健康和成长来说非常关键。 这张照片是一个很好的例子，它展示了我们应用的类皮肤力学原理。电子设备可以从胸部获取心电图，从背部也可以。大家可以看到婴儿在转动身体望向摄影师，皮肤是自然褶皱的，而电子设备可以很好地适应这些褶皱，完全没有力学阻碍，接口处的压力微乎其微。在安装和移除的过程中几乎不会对皮肤造成任何损害。 我的口袋里就有一个这样的电子设备，让大家看看它的样子。这就是我带来的电子设备，它就像皮肤一样，但布满了达到临床监测级别的精密电子设备。
我们的论文发表于2019年春天。不久之后，比尔和梅琳达盖茨基金会及其合作伙伴-拯救儿童基金会-联系了我们。他们想要购买我们的电子设备，因为相比婴幼儿重症监护室的监测设备来说成本更低，他们想把我们的设备应用在没有监测技术的地区。
我们并不是要完全取代具有硬件连接的传统设备，而是提供全新的解决方案。看起来这是一个很大的机遇。
我们已经与这些基金会开展了合作，现在我们的电子设备已经在印度、巴基斯坦、赞比亚、肯尼亚和加纳落地。截止目前已经有约1万名婴儿和孕妇使用了这些电子设备，且目前进展良好。 我们需要优化一些工程设计参数，让电子设备可以在没有可靠的插座电源的地方使用。现在我们实现了这一目标，我们的相关成果也刊登在了2020年春出版的《自然-医学》杂志的封面上。这些优化使得现在的电子设备比之前的版本略大，但仍然非常薄、非常柔软。这种用于胸部的电子设备有着完全开放的网络设计，可以测量所有重要生命体征。
这些电子设备的功能实际上已经超越了芝加哥最先进的婴幼儿重症监护室的水平。因此我们想的不仅是达成现有的成果，更是实现更大更多的超越，通过表皮电子设备获得更多的健康相关数据。
想象一下未来的婴幼儿重症监护室，这些电子设备不仅可以测量心电图和体温，还可以测量心音。它就像一个不间断的无线数字听诊器，能够监测心脏瓣膜的开闭，还可以获取比心电图更多的额外数据和信息。当今最先进的医院甚至都做不到。
超越是非常重要的。我们可以测量胸廓的运动，直接获取呼吸率。这两个电子设备是时间同步的，因此还可以实现其它功能，比如刚才我提到的测量血液动力学指标。通过胸部电子设备，我们还可以获知身体朝向。因为电子设备还安装了高带宽加速计，可以确定婴儿的身体活动水平和躁动， 比如婴儿的移动距离。
我们也可以测量婴儿啼哭音调啼哭时间和频率震动信号。目前的实践中忽略了这些生物标志特征，但现在我们可以获取并量化这些数据，从而提取有用的信息。更重要的是我们不是用扩音器来测量婴儿啼哭，所以不会受到周围噪音的干扰。我们测量的是胸部表面的振动，这是获取更多数据的一种有效方式。不仅能够确定婴儿的瞬时健康状况，也许在未来还能确定健康轨迹。这就是我们目前的研究，它超越了当前已有的研究。 我再来说一个例子。我们的电子设备可以测量血液流经婴儿血管的速度，这一血管动力学指标似乎与血压有着密切的联系，但目前尚未在婴儿身上实现常规监测。因为（给婴儿）戴手环是不可行的，会破坏婴儿的皮肤组织。我们无法有效地利用婴儿的动脉血管，因为他们的动脉血管太小了。但我们可以通过非侵入式的血液动力测量设备来跟踪婴儿血压的变化，这是对常规测量的一个重大突破，尤其对于婴儿这样的病人来说。
现在我们已经进入了转化实施阶段，我们的研究成果已经从实验室走向了现实，走向了全球。我们的技术已在5大洲的23个国家开展了应用，几千台电子设备获取了海量的数据。
但这并不是我们唯一的产品，我们还有可以测量血流的柔性电子设备，一种测量大脑血液流动的电子设备。这种电子设备可以放置在婴儿的头上，测量大脑的血液流动。医生可以通过测量数据确定婴儿的大脑活动和神经活动。 除了婴幼儿，我们的研究还涉及了孕妇与胎儿的健康监测。我来进一步解释一下。胎儿是监测新生儿健康状况的天然前导。现在我们有了可以监测孕妇和胎儿健康状况的电子设备，包括产前、产中和产后阶段。在分娩过程中，我们可以持续监测全部健康指标。这种电子设备也是无线的，在分娩过程中不会阻碍孕妇的活动，并且也是非常有效和成本低廉的。
这种电子设备已经在赞比亚进行了大规模应用，它可以在整个分娩过程中持续监测孕妇和胎儿的健康状况。分娩后它会立刻开始对新生儿进行监测，并继续监测孕妇的健康状况。
监测指标不只是重要生命体征，还包括子宫收缩的强度和频率。
目前我们已经收集到了大量的数据。在赞比亚已有近500名孕妇使用了这种电子设备。我们将这些数据发表在了美国国家科学院近期出版的期刊上。这是基于大规模数据收集获得的洞察。我认为这对于数据分析、机器学习和人工智能来说是巨大的机会。我们可以通过这些数据探寻高效的应用解决方案。
此外，我们正在收集非传统的测量数据，比如体位数据，并将其与健康状况相联系，以多参数多维度的方法评估健康状况并降低孕妇死亡率——这是那些地区年轻女性的主要致死原因之一。我们对这项研究充满动力。这项研究也是与盖茨基金会共同展开的。
这就是我们目前的研究内容。我们关注的是最脆弱的患者，包括新生儿、婴幼儿和孕妇及胎儿。这是我们的主要研究方向之一。
我们的另一个关注点就是老年人。他们也面对着健康挑战。我来具体地说一说。我们正在与芝加哥Shirley Ryan Ability Lab实验室的康复专家开展合作。这个实验室是美国排名第一的康复诊所。那里有许多中风患者，很多中风患者都有言语障碍或失语症，无法正常吞咽和说话。他们不得不重新学习相关技能。
我们要解决的问题是如何开发出针对个体的有效康复方案，以及如何跟踪病人的康复进展。他们在诊所时表现出了很快的功能改善，但在出院后很多改善又出现了倒退。 目前我们针对特定人体部位开发了柔性电子设备，这个部位叫做“胸骨上切迹”。这种设备安装在颈部，可以测量与吞咽和说话相关的运动特征。当吞咽动作发生时，设备可以测量它的发生频率，与呼吸周期相关的吞咽发生频率，还可以测量说话相关的参数，以及其它许多参数。
这个部位具有具有丰富信息。这里可以监测说话和吞咽，也足够靠近颈动脉，可以测量脉动血流的振动信号，因此可以测出心率和心率变化。它还可以监测胸壁腔的运动，测量呼吸率、呼吸音、喘息、咳嗽、睡眠、动态移动身体方向和步数等。
这种电子设备是专门为这个身体部位开发的，因此应该会非常有效。我们会解读这些数据，但数据量是很大的。我们要对数据进行分类，区分各类体征活动，然后根据这些信息定制出适合具体患者的康复方案。 我们在去年2月发表了这些成果。去年3月新冠疫情在美国爆发，芝加哥的很多医疗专家都知道我们的中风患者监测设备，他们立刻意识到这是监测新冠病人健康状况的好机会。
新冠肺炎是一种呼吸系统疾病，三大症状包括发烧、咳嗽和气短。传统的手腕可穿戴设备很难监测咳嗽和呼吸，但安装在“胸骨上切迹”的设备可以直接进行监测。
去年三四月份我们开始了相关工作，包括开发设备和实际应用，主要对象是一线医护人员以及医院和居家的新冠患者。结果显示设备非常有效。我们整个团队也被委派到了抗疫一线，将全部精力投入到了新冠患者监测设备的研发上。 我们在实验室制造了几百台设备，还开发了用于数据归集和分析的云平台。这些设备也得以实际应用，为芝加哥的新冠疫情防控做出了贡献。 这是一位使用了该设备的患者。她是一名护士，她只有一个肺，所以非常虚弱。我们对她住院期间和回家后的健康状况进行了监测。在健康恶化的情况下监测身体状况是非常重要的，如果必要可以提示他们再次去医院就医。看起来设备的效果非常好。 我们的设计力求尽量降低设备对患者的负担，只需要放在“胸骨上切迹”上，设备就会自动开始记录数据。把设备摘下后，放在无线充电板上，所有的数据就会传送至云端，数据分析会以图形形式反馈到用户界面，医生和患者都可以通过这个通路获得数据分析结果。
第一例应用开始后的16周时间里，550名患者使用了我们的设备。我们收集了10万小时约5TB的数据。我们认为如此规模的应用对未来研究非常重要，没有这样的量级就不会对整个国家产生有意义的影响。
这次实践为我们今后应对其它疫情打下了基础。这是一种网络接口，信息会被传送到云端，所有参数都以图形形式展示。我们据此来监测咳嗽的次数和强度。说到咳嗽，医院里甚至都不监测咳嗽，但咳嗽显然是健康状况的指标之一。我们将咳嗽纳入了监测范围，数据量非常大，因此应该会非常有用。
我们的设备已经在医院和康复中心落地，今年早些时候我们也将研究结果发表在了美国国家科学院的期刊上。
我们有了大规模应用，并据此研究趋势和人口相关问题。我就不深入细节了，只给大家展示其中一些数据。这些数据都是开源的，大家可以查找一下，有兴趣的话可以计算一下。
通过监测咳嗽的次数频率和强度，我们可以研究患者的气溶胶呼出量，从而建立一项人均传染性的指标。结果显示这对一线医护人员是非常有帮助的，医护人员会接触咳嗽程度和气溶胶呼出量不同的患者。相关研究也已发表，大家有兴趣可以查询一下。
那么未来的方向是什么？我们现在的关注点不仅是跟踪健康状况，还要确定一个人是否患病。新冠患者有一个共同点，那就是非常容易疲劳。即使只是在房间内走上几圈，新冠患者也会感到非常累。我们可以通过心率呼吸率和血氧饱和度的变化来发现这种疲劳。有了各种监测数据，我们可以持续地观察变化。比如某种程度的活动带来的心率变化是多少，这些信息可以帮助我们确定一个人是否患病。
这可以作为对传统分子（化验）方法的补充。传统方法需要消耗大量的化验耗材，而电子设备给出的是数字化的数据。因此我们认为这是对传统化验的强有力补充。
这就是我们对未来疾病监测与诊疗的思考。我们相信强大的数字设备会得以广泛应用。这种设备是持续监测的、亲肤的、没有不适感的、简单易用的，它基于机器学习和数据分析。这就是我们眼中的未来。我们在近期的《科学进展》（Science Advances）上发表了相关论文。 接下来我想以开场内容来结束今天的演讲。我的研究重点是适用于皮肤的电子设备。我想强调的是，我今天讲到的所有概念都适用于先进的植入设备。我们已经开发出了人脑电子设备，可以监测神经流程，刺激大脑的活动。我们开发出了可以包裹心脏表面的薄膜，可以通过刺激心脏发现心律不齐的早期征兆。这些工程学进步有望应用于监测各种不同的健康指标。除了已经问世的通过皮肤进行监测的设备，未来还可能开发出新型的设备。 这里我要感谢我们的合作伙伴。我只是一名工程师，但我们与临床医学界有着紧密的合作。还包括其他工程科学领域的团体，我们之间相互借鉴。这里列出了我们的主要合作伙伴，最重要的是具体开展工作的学生和博士后们，我要感谢他们，感谢这些有智慧、有创造力且辛勤付出的人们。
感谢组委会邀请我参加今年的腾讯科学WE大会，谢谢大家！
