汗水，如同血液一样，可以告诉我们很多关于一个人健康状况的信息。而且，方便的是，采集汗水要比其他方式更加非侵入性。这就是医学工程助理教授、遗产医学研究所调查员兼罗纳德和乔安妮·威伦斯学者魏高研发的可穿戴汗液传感器的前提。

在过去的五年里，高先生稳步地为他的可穿戴设备增添了各种功能，使它们能够读取盐、糖、尿酸、氨基酸和维生素等物质的含量，以及更复杂的分子，比如能够及时评估某些健康风险的C-反应蛋白。最近，与奥地利林茨约翰尼斯·开普勒大学马丁·卡尔滕布鲁纳的团队合作，高先生为这些可穿戴生物传感器提供了柔性太阳能电池的动力。

高实验室使用的太阳能电池是由钙钛矿晶体制成的，这种材料具有矿物质钙钛矿中首次发现的化学结构。钙钛矿因多个原因引起了太阳能电池开发者的关注：

首先，相较于自20世纪50年代以来一直被用作太阳能电池主要材料的硅而言，它的制造成本更低廉，且无需经过多次工艺的高度纯化。

其次，根据高先生的说法，钙钛矿相比硅太阳能电池层薄上千倍，使其成为一种近似于二维的材料。

第三，钙钛矿可以根据不同照明的光谱进行调节，从室外阳光到各种室内灯光。

最后，对于太阳能先驱者来说，最具吸引力的是，钙钛矿太阳能电池比硅能实现更高的功率转换效率（PCE），这意味着它们能够将接收到的更大比例的光线转化为可用的电能。

硅太阳能电池已经达到了26%至27%的转换效率水平，尽管在常规使用中，其转换效率范围在18%至22%之间徘徊。相比之下，高老师所设计的穿戴式汗液传感器上的柔性钙钛矿太阳能电池（FPSC），在室内光照条件下创下了31%以上的破纪录转换效率。

“我们不仅仅希望使用强烈的阳光来为我们的可穿戴设备供电，”高解释道。“我们关心更多真实的环境条件，包括普通的办公室和家庭照明。许多太阳能电池在强烈的阳光下效率很高，但在室内弱光条件下效果就不尽如人意了。”高表示，汗液传感器上的柔性光伏电池尤其适合室内照明，“柔性光伏电池的光谱响应与常见的室内照明发射光谱非常匹配。”

高围佩戴式汗液传感器的之前版本采用的是体积庞大的锂离子电池作为能源，并需要通过外部电源进行充电。为了寻找一种更轻便、可再生的电源来供应这些高功耗设备，高教授的实验室尝试使用了硅太阳能电池，但发现其过于僵硬、效率低下且对充足的光照条件依赖过重。

他们还尝试从人体汗液中获取能量（一种方便获得的生物燃料），以及借助身体运动，但发现这些方法不够稳定或者需要佩戴者付出过多努力。

通过使用FPSC，高博士得以研发出可配戴的汗液传感器，能够连续监测pH值、盐分、葡萄糖和体温，以及汗液流速（每五到十分钟监测一次）。所有这些都实现了不需要电池或专用光源的条件下。而且，由于电源变得更加轻便和便携，这种可穿戴设备还有空间添加更多探测器，以同时监测更多生物标志物。

这款新型可穿戴汗液传感器，就像其前身那样，以折纸的方式呈现组装，每层都专注于不同的处理过程。传感器有四个主要互动组件。第一个组件专用于电力管理，分发由太阳能电池收集到的电力。第二个组件实现了电离治疗，可在佩戴者无需运动或暴露于高温的情况下诱导汗液分泌。

在高先生的研究中，每三小时进行一次电透析，以确保有足够的汗液可供连续监测正在观察的生物标志物。第三个功能是能够电化学测量汗液中多种物质。第四个功能是数据处理和无线通信，使传感器能够与手机应用程序进行接口，显示传感器监测结果的实时信息。

当完全组装后，该传感器的尺寸为20 x 27 x 4毫米，并能承受与身体佩戴有关的机械应力。高教授补充道：“汗液传感器的大部分元件，如电子元器件和FPSC，都是可重复使用的。唯一的例外是传感器补丁，它是一次性的，并可以通过喷墨打印的方式以低成本进行大规模生产。”这些传感器补丁还可以根据用户希望在其身体中测量的物质进行定制。

这些太阳能汗液传感器一经投入使用，将能够比目前任何健身或健康追踪器都具有更广泛的测量功能。例如，它们可以用于糖尿病管理（研究表明，汗液中的葡萄糖与血液中的葡萄糖密切相关），以及对心脏病、囊性纤维化和痛风等一系列疾病的检测。

因为它们无创且能够在短时间内进行多次测量，这些传感器能够识别个体在皮质醇、激素或各种营养物质和药物的代谢产物等物质方面的基线水平。

一旦确定了这些物质的基线水平，未来偏离这些水平将比单一的抽血更为有效地提供诊断手段。因为传感器相对廉价，我们希望它们能成为全球范围内，包括发展中国家在内的出色诊断工具。

这项研究已在《自然电子学》杂志上发表。