仿生皮膚模型：革新穿戴式裝置測試的關鍵突破

穿戴式裝置已成為現代醫療保健的重要組成部分，能幫助追蹤患者的心率、壓力水平和大腦活動。這些裝置依靠電極（即接觸皮膚以拾取身體電訊號的感測器）運作。然而，創造這些電極並不像看起來那麼容易。人類皮膚相當複雜，其導電等特性會因皮膚的含水量、年齡甚至天氣而改變。這些變化使得測試穿戴式裝置的效果變得困難。

此外，測試電極通常需要人類志願者參與，這既棘手又難以預測。每個人的皮膚都不同，這意味著測試結果並不總是一致。而且測試耗時費錢，還存在倫理問題，比如要確保參與者瞭解實驗的風險和益處，並能自願參與。

科學家們曾試圖創造人工皮膚模型以避免這些問題，但現有的模型無法完全模擬皮膚與穿戴式感測器互動時的行為。為解決這些限制，我和同事們開發了一種名為仿生皮膚模型的工具。它能模擬人類皮膚的電學行為，讓測試穿戴式感測器變得更簡單、更便宜且更可靠。

我們的仿生皮膚模型由兩層構成，能捕捉皮膚表面和深層組織的細微差別。「仿生」意味著它模仿自然界的事物，在此即人類皮膚；「模型」則指用於模模擬實事物（如人體組織）特性的物理模型或裝置，可用於研究而無需依賴真人。

底層模仿皮膚下的深層組織，由一種稱為聚乙烯醇冷凍凝膠的凝膠狀物質製成。這種物質的柔軟度和導電性可調整到與真實生物組織相似。我們選擇這種材料，是因為它除了具備這些特性外，還很耐用，且在生物醫學研究中應用廣泛，非常適合替代皮膚深層。

頂層模仿皮膚的最外層，即角質層。它由一種類似矽膠的材料PDMS製成，並混合了特殊新增劑以匹配皮膚的電學特性。PDMS在生物醫學研究中也被廣泛使用，它具有柔韌性且易於塑形，能很好地複製皮膚的外層。

我們的皮膚模型的一個獨特之處在於它能模擬不同程度的皮膚含水量。含水量會影響皮膚的導電性，乾燥的皮膚電阻較高，會阻礙電流流動，使穿戴式裝置難以拾取訊號；而含水的皮膚導電性更好，因為水有助於帶電粒子移動，從而提高訊號質量。改進乾燥皮膚的建模和測試方法，能設計出更好的電極。

為了再現皮膚含水量的影響，我們在皮膚模型的頂層PDMS中引入了可調節的孔隙。透過精確改變孔隙的大小和密度，該模型可以模擬乾燥或含水的皮膚狀態。

我和團隊用多種方法測試了我們的皮膚模型，以確定它是否真的能在實驗中替代人類皮膚。首先，我們使用了一種稱為阻抗譜的方法來研究模型的電學特性。這種技術透過施加不同頻率的交流電訊號，測量材料對電流的阻力，從而詳細瞭解其電學行為。我們對五名志願者進行的實驗結果顯示，在乾燥和含水條件下，模型的阻抗響應與人類皮膚非常接近，與真實皮膚的差異小於20%。

我們還測試了穿戴式裝置能否從皮膚模型拾取訊號，以及訊號質量如何隨不同皮膚條件而變化。為此，我們在模擬乾燥和含水皮膚的模型上記錄了心電圖訊號。結果顯示訊號質量有明顯差異：模擬乾燥皮膚的模型訊雜比更低，而含水皮膚模型的訊號清晰度更好。這些發現與其他研究人員先前的研究結果一致。

總的來說，我們的皮膚模型能在包括乾燥和含水狀態在內的各種條件下，密切複製人類皮膚對穿戴式感測器的反應。這種準確性使其成為實驗室中真實皮膚的理想替代品。

皮膚模型不僅是一種測試工具，更是穿戴式健康技術的一大進步。透過消除人體測試的不確定性，科學家們可以更快速、有效地設計和改進穿戴式裝置。他們還可以用它來研究皮膚與醫療裝置（如藥物貼片或先進診斷工具）的相互作用。

我們的皮膚模型簡單且成本低廉。每個模型成本不到3美元，可使用標準實驗室材料和工具製作。它可以在同一天內多次重複使用，且電學特性不會有顯著變化，不過連續使用數天可能需要進行一些調整（如重新加水）以保持穩定效能。這種經濟性和可重複使用性使預算或資源有限的實驗室也能使用該模型。

隨著穿戴式技術在醫療保健中越來越普遍，像皮膚模型這樣的工具可以幫助讓裝置更可靠、更易獲得，並能為每個人提供更個性化的服務。