利用皮肤的电导率来追踪身体和脑力活动期间的汗液流失

在过去的几十年里，电子工程师开发了各种可穿戴设备，可用于跟踪某些生理过程并收集与健康或健身相关的数据。这些设备依赖于微型传感器，可以接收不同的信号，例如心率、血氧水平和体温。

全球个人使用的大多数可穿戴设备在跟踪用户进行身体活动时发生的生理变化方面特别有效，例如，当他们走路、跑步、举重或进行其他形式的锻炼时。这是因为身体活动通常比心理活动导致更大的生理变化。

监测精神状态（例如压力水平）的一种长期方法需要测量皮肤电活动，这本质上是皮肤的变化电导率。众所周知，这种活动与出汗有关，当人们处于压力下或精神消耗时，出汗往往会增加。

到目前为止，皮肤电导的跟踪被认为对于跟踪身体活动并不是特别有用。这是因为在运动时，人类通常会出汗很多，过多的汗液往往会积聚在皮肤和传感设备之间，这使得检测汗液水平的任何变化变得困难。

加州大学伯克利分校 （UC Berkley） 和劳伦斯伯克利国家实验室的研究人员最近证明，当人们在精神和身体活动时，皮肤电活动可用于跟踪汗液流失。他们的论文发表在《自然电子》（Nature Electronics）杂志上，可以为未来健身追踪器、智能手表、生物医学技术和其他可穿戴设备的发展提供信息。

“长期以来，皮肤电活动一直被用于通过测量特定位置的皮肤电导来监测精神活动，例如指尖，汗腺密度高，”Seung-Rok Kim、Yifei Zhan 和他们的同事在他们的论文中写道。

“然而，皮肤电活动被认为对身体活动监测没有用，因为身体活动会产生大量汗液，导致汗液在皮肤电极界面积聚，从而阻止对出汗事件的进一步动态反应。我们表明，皮肤电活动可以用作低和高身体活动水平下汗液流失测量的代理。

作为研究的一部分，Kim、Zhan 和他们的同事开发了一种名为 SkinG 的新型传感器，它由与微流体通道集成的μ电极组成。其独特的设计确保汗液从皮肤和传感器之间的界面快速排出，防止汗液随着时间的推移而积累，因此还可以在用户进行体育锻炼时监测汗液流失。

“我们使用由透水电极和基于微流体的汗液分析仪组成的可穿戴汗液传感器，并表明皮肤电导与瞬时汗液流失成正比，”Kim、Zhan 和他们的同事写道。“我们证明，可以通过整合皮肤电导随时间的变化来估计运动期间的汗液流失，这可用于评估锻炼者的身体水合作用状态。”

研究人员在一系列实验中测试了他们的传感器，将它们放置在人类参与者手臂上的不同位置。他们表明，一些位置更适合检测体育活动期间产生的汗水，而另一些位置则更适合检测精神状态产生的汗液。

“通过对皮肤电导的多点测量，我们表明手腕、前臂和上臂反映了身体活动水平，而手指则表示心理活动，”Kim、Zhan 和他们的同事写道。“同时测量两个不同的部位有选择地将心理和身体活动解耦。”

最近的这项研究表明，通过监测皮肤的电导率来测量体育活动期间的汗液流失实际上是可能的。未来，他们开发的传感器和在实验中收集的见解可用于拓宽可穿戴设备的功能，进一步提高它们在用户进行各种日常活动时跟踪生理变化的能力。

用于监测精神和身体活动的多模态汗液传感器的图像和示意图。a，照片显示带有μ带电极的 SkinG 传感器，该传感器与微流体通道集成在一起，用于参与者前臂上的多模式汗液传感。b， 集成器件的层压元件。c，手腕肌腱上保形 μ 带电极的照片。比例尺，1 厘米 d，SkinG 皮肤水合作用模型示意图。e，来自不同汗腺密度的身体部位的不同 SkinG 反应，用于精神和身体活动的去卷积。图片来源：Nature Electronics （2025）。