利用皮膚的電導率來(lái)追蹤身體和腦力活動(dòng)期間的汗液流失

在過(guò)去的幾十年里，電子工程師開(kāi)發(fā)了各種可穿戴設備，可用于跟蹤某些生理過(guò)程并收集與健康或健身相關(guān)的數據。這些設備依賴(lài)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(gè)人使用的大多數可穿戴設備在跟蹤用戶(hù)進(jìn)行身體活動(dòng)時(shí)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(jìn)行其他形式的鍛煉時(shí)。這是因為身體活動(dòng)通常比心理活動(dòng)導致更大的生理變化。

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

到目前為止，皮膚電導的跟蹤被認為對于跟蹤身體活動(dòng)并不是特別有用。這是因為在運動(dòng)時(shí)，人類(lèi)通常會(huì )出汗很多，過(guò)多的汗液往往會(huì )積聚在皮膚和傳感設備之間，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(shí)驗室的研究人員最近證明，當人們在精神和身體活動(dòng)時(shí)，皮膚電活動(dòng)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(lái)健身追蹤器、智能手表、生物醫學(xué)技術(shù)和其他可穿戴設備的發(fā)展提供信息。

“長(cháng)期以來(lái)，皮膚電活動(dòng)一直被用于通過(guò)測量特定位置的皮膚電導來(lái)監測精神活動(dòng)，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(xiě)道。

“然而，皮膚電活動(dòng)被認為對身體活動(dòng)監測沒(méi)有用，因為身體活動(dòng)會(huì )產(chǎn)生大量汗液，導致汗液在皮膚電極界面積聚，從而阻止對出汗事件的進(jìn)一步動(dòng)態(tài)反應。我們表明，皮膚電活動(dòng)可以用作低和高身體活動(dòng)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(kāi)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(zhù)時(shí)間的推移而積累，因此還可以在用戶(hù)進(jìn)行體育鍛煉時(shí)監測汗液流失。

“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，并表明皮膚電導與瞬時(shí)汗液流失成正比，”Kim、Zhan 和他們的同事寫(xiě)道?！拔覀冏C明，可以通過(guò)整合皮膚電導隨時(shí)間的變化來(lái)估計運動(dòng)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)?！?/p>

研究人員在一系列實(shí)驗中測試了他們的傳感器，將它們放置在人類(lèi)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(dòng)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(guò)對皮膚電導的多點(diǎn)測量，我們表明手腕、前臂和上臂反映了身體活動(dòng)水平，而手指則表示心理活動(dòng)，”Kim、Zhan 和他們的同事寫(xiě)道?！巴瑫r(shí)測量?jì)蓚€(gè)不同的部位有選擇地將心理和身體活動(dòng)解耦?！?/p>

最近的這項研究表明，通過(guò)監測皮膚的電導率來(lái)測量體育活動(dòng)期間的汗液流失實(shí)際上是可能的。未來(lái)，他們開(kāi)發(fā)的傳感器和在實(shí)驗中收集的見(jiàn)解可用于拓寬可穿戴設備的功能，進(jìn)一步提高它們在用戶(hù)進(jìn)行各種日?；顒?dòng)時(shí)跟蹤生理變化的能力。

用于監測精神和身體活動(dòng)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(lái)自不同汗腺密度的身體部位的不同 SkinG 反應，用于精神和身體活動(dòng)的去卷積。圖片來(lái)源：Nature Electronics （2025）。