百年清华

《中华流行病学杂志》数据显示，2010 年全球 340 万人因超重/肥胖死亡。

超重/肥胖会引起高血压、高血脂、高血糖，而“三高”也是世界卫生组织列出的全球性医学难题。

中国疾控中心 2013 年数据显示，每 5 个中国成人中，至少有 1 人患高血压病。与此同时，肥胖、高血压、高血脂、高血糖，也是代谢综合征的主要表现。

来自加州理工学院医学工程系的助理教授高伟，其研究的可穿戴汗液传感器，将对代谢综合征有所改善。

高伟（清华大学2009届硕，精仪）

2016 年，高伟团队提出全集成可穿戴汗液传感器平台，其可以分析各种代谢物和电解质，从而帮助改善代谢综合征。

测试可穿戴传感器，右一为高伟

十亿代谢综合征患者不再“遭大罪”

代谢综合征，是心脑血管病变和糖尿病的病理基础，全球目前有十亿多人正在遭受其“折磨”。其主要表现为高血压、高血糖、高尿酸和血脂异常等。

营养膳食，是代谢综合征的重要影响因素。高伟的可穿戴传感器，则可让用户实时监测体内营养指标。

当营养指标不良时，用户就能得到反馈，进而通过改变饮食方式，来降低患上代谢综合征的风险。

2017 年，高伟通过离子导入的方法实现局部刺激出汗，病人无需做运动、就能让身体局部分泌汗液。

同时，高伟团队还跟斯坦福大学医学院合作，借助汗液传感器分析汗液成分，实现了囊肿性纤维化的早期诊断，并进行了无创检测血糖的早期研究。

刺激汗液分泌、并实时检测汗液中的目标分析物（来源：PNAS）

过去三年，高伟的大部分工作，集中在继续改进汗液传感器，如开发一些更高灵敏度、更高选择性的传感器，其可用于检测超低浓度的生物标记物。

最近，他提出一种基于全激光加工的皮肤上的实验室，该平台能检测微量代谢物和营养物、如尿酸和络氨酸等，并能实现代谢综合征的长期监测与管理。

同时，他还和加州大学洛杉矶分校医学院，开展患者人体实验的合作。其中一则典型案例，正是利用上述可穿戴设备，对痛风病症进行非侵入式的健康管理。

心理检测不再失真

目前，全世界至少有 2.5 亿人患有抑郁症，而高伟的另一研究方向，是用汗液传感器，进行心理健康管理。

当前，很多医院心理科通过医生对患者提问、或者让患者做一些问卷回答，来判断患者的心理压力状况、以及是否患有抑郁症。

这类诊断方式，受患者自身情绪和判断影响较大，很难保证其准确性。而通过汗液传感器，就可以实现无创的、且更加客观的心理检测。

据高伟介绍，一般通过测量患者身上的化学信号和物理信号如皮质醇等，就可以获知其心理压力的大小。

但是，皮质醇的检测需要采血，这一过程会让患者感到压力，反而更加影响检测结果的准确性。

而汗液传感器是无创的，它不仅能对皮质醇做出更准确的测量，也不会给患者带来压力。

综合皮质醇的含量、以及周期性变化，汗液传感器就能获悉患者的心理压力、和抑郁程度。

目前，高伟已经与美国西达赛奈医疗中心合作，进行抑郁症方面的检测。和美国宇航局的合作也正在进行中，未来或将利用汗液传感器，去检测太空中宇航员的心理压力。

“服药灾难”不再发生

可穿戴传感器，还可对患者药物剂量进行检测，从而告知病人准确的服药量。

据高伟描述，相同剂量的药物，对每个患者的影响不一样，同时每个人吸收能力也有所差异。

病人的服药剂量，通常是以粒为单位，比如一粒、两粒，其并非定制化治疗。而一些药物的治疗窗口很小，摄入药剂量过大，就会导致副作用；摄入药剂量过少，则很难达到治疗效果。

现阶段的药物监控，多通过提取血样，之后送往实验室研究，得到对应的药物摄入效果，这种方式的缺点在于，无法进行实时追踪与动态更新。

而可穿戴汗液传感器在进行药物监控时，可通过改变药物摄入量，去动态检测汗液中的药物含量，从而给病人 “量身定做” 服药方案，最终实现更有效的治疗效果。

最新工作：用汗液发电

高伟发现，可穿戴设备的主要挑战之一，是如何给设备供电。

一般做法是用充电电池，但很多国家和地区，目前无法进行便捷充电。如果检测汗液时，汗液本身就可以为汗液传感器供电，岂不是一举两得？

基于上述设想，该团队开发出利用汗液来进行驱动的全集成电子皮肤，该电子皮肤不仅完全不需要电池，还可以通过汗液来给传感器、信号处理和蓝牙无线传输等提供能量。

据悉，这项工作已于 2020 年 4 月，以论文形式发表在 Science Robotics 杂志上。

具体来说，使用生物燃料电池，可以直接从汗液中采集能量。其中的原理是，生物燃料电池可以用乳酸酶、不停地催化汗液中的乳酸并进行氧化反应，此过程中会不断产生电能。

基于该原理，该团队设计了能量采集系统，并利用采集的电能来对传感器、电路、和蓝牙进行供电，通过无线方式将采集到的生理健康信息，发送到手机界面。

用于多路无线传感的汗液供电的电子皮肤（来源：Science Robotics）

高伟告诉 DeepTech，目前他们是全球首家实现完全用汗液供能、无需任何电池、仅靠电子皮肤就能进行多通路汗液化学信号监测、并能同时进行无线蓝牙传输的研究团队。同时，整个系统是柔性的，还可用于辅助式假肢操控。

对汗液驱动的电子皮肤的人体实验评估（来源：Science Robotics）

和众多科研院所合作，每周都会收到风投邮件

高伟目前的研究，主要涉及柔性电子、可穿戴设备、生物检测和纳米机器人四个领域。如果用一句话来总结高伟实验室的话，即把生物电子器件用于个性化精准医疗 。

做出器件样机后，必然要跟医学院合作，目前该团队正在跟斯坦福大学医学院，洛杉矶周边的大型医学院如加州大学洛杉矶分校医学院、西达赛奈医疗中心、希望之城国家医疗中心等展开合作。目的是希望把不同的器件，应用于不同的病人身上。

同时，高伟团队几乎每周都会收到来自各大公司、或者风险投资机构的邮件，不过他坦言，要想实现产业化的实际应用，还需要对样机进行优化，让其具备更高的稳定性，从而实现更长期的检测。

同时，在具体的健康问题上，还需通过大范围的人体试验，来评估传感器的性能。

身在海外，不忘中国

2019 年，高伟团队和北京大学信息科学技术学院张海霞教授课题组展开合作。

张海霞组的一名博士研究生宋宇，曾来到高伟团队访问学习，该生也是高伟和张海霞合作论文的共同第一作者，论文的三位共同第一作者，也都来自中国。

左起北京大学信息科学技术学院张海霞教授、宋宇和高伟

这篇论文名为《激光雕刻可穿戴传感器，用于敏感检测汗液中的尿酸和酪氨酸》（A laser-engravedwearable sensor for sensitive detection of uric acid and tyrosine in sweat），于 2019 年末发表在 Nature Biotechnology 上。

该论文提出了一种新型 “皮肤上的实验室” 概念，即通过全激光加工的方式，制备出多模态皮肤传感贴片，并配合微流道结构与柔性电路板，最终实现汗液中多项微量生物标记物的原位准确探测、与实时新陈代谢管理。

用一句话概括就是：只需要几滴汗液，就可以检测疾病。

用于代谢和营养管理的汗液传感器示意图（来源：Nature Biotechnology）

借助该合作，研究团队实现了低浓度代谢物和营养物的检测，如尿酸和酪氨酸。尤其是尿酸，其对于监测痛风、糖尿病和心血管疾病非常重要。

在应用方面，双方已经合作做出整个系统，目前已经应用到健康群体和病人群体上，且非常接近成果转化。

除去和北大的合作，高伟还曾跟现任深圳大学副校长张学记，合作开发过基于绷带的汗液监测。

在美国，高伟跟华人教授的合作也非常多。

2019 年，高伟跟美国国家工程院院士、加州理工学院医学工程系与电子工程系 Bren 讲席教授汪立宏，合作研发了一种微纳机器人技术：利用光声断层成像技术实时控制微纳机器人，进行体内的精准药物递送和智能微手术。这项突破性成果最终，最终发表在 Science Robotics 上。

高伟和汪立宏的合著论文截图（来源：Science Robotics）

在指导学生方面，高伟表示，很多在海外的中国教授、或华人教授的课题组里，都有相当比例的中国留学生。

他也带了很多中国留学生，目前其实验室大约有 15 名学生，一半左右来自中国 。

作为在海外的中国籍教授，高伟认为生物医学工程的研究，是为了造福全人类的健康，他的主要研究成果，均会以论文形式发表，类似汗液传感器的研究细节，也都会放在文章里供其他研究人员参考。

他表示，在自己的论文发表后，国内也有很多学者，相继开始做汗液传感器的相关研究。

苏北农村走出的名校教授

35 岁的高伟，其人生“大事记”也颇为丰富。

31 岁上榜《麻省理工科技评论》全球 “35 岁以下科技创新 35 人” （TR35）榜单，32 岁成为加州理工学院医学工程系助理教授，35 岁上榜世界经济论坛 2020 青年科学家榜单，并已在《自然》《自然生物技术》《科学机器人》等期刊累计发表97 篇论文。

如今，距离他上榜 2016 年度《麻省理工科技评论》全球 “35 岁以下科技创新 35 人” 榜单，已经过去四年。

相隔一千多个日夜，高伟的成果也更丰富，他最近入选的世界经济论坛 2020 年青年科学家榜单，目的在于表彰青年科学家，对前沿性研究的贡献。入选后，他将跟全球政商领袖面对面，共议科学政策。

从苏北农村到洛杉矶，一路走来既顺利、也不顺利。不同于很多 “TR35” 上榜者生于高知家庭，高伟的父母都没有读过高中，能从农村走到今天，既有中国高考的制度支持，也有自己的努力和父母的支持。

从本科考上华中科技大学机械工程，到去清华精密仪器专业读研，再到加州大学圣地亚哥分校化工系读博。很多学费，都是父母东拼西凑出来的。大学时，高伟看到父母很不容易，还曾勤工俭学挣学费。

如今，高伟是全镇目前唯一一位在海外工作的中国教授。而他从小学起，就从不需要外界鞭策，因为看到父母努力工作，只是为了供他读书，自然也就非常勤奋。

更难能可贵的是，父母一直很尊重他的想法，从未干涉他的决定，这是一种父母对比自己更优秀的孩子的无条件的信任。

同时，高伟也是近年来寒门出贵子的少数案例之一。他表示，很多中国农村地区的孩子，可能根本没听过自主招生，也没钱去上辅导班。

城市和农村的教育资源不平衡，也是农村学生成为高校老师的几率，越来越小的原因之一。

但无论如何，他的案例依然可以激励全球不发达地区的青少年，为从事科研而努力。做科研，家庭背景只是锦上添花，毕竟高考对每个人都很公平，而更重要的是兴趣和努力。高伟可以，更多出生普通家庭、梦想从事科研的孩子们也可以。