人体内植入芯片的 bodyNET 技术：当前进展，及其面临的13项挑战

“数码纹身，由衣服上的电池驱动，可以揭示我们的情感。”

电子设备将与我们的身体融为一体，扩展我们的感知。智能手机和智能手表将让位给bodyNET:一个由传感器、屏幕和智能设备组成的网络，它们会被织入我们的衣服，附在我们的皮肤上，植入我们的身体中。

bodyNET还没有完成，世界各地的实验室都在开发它的组件。它的核心技术是一种可以延伸的电子器件，由柔软的塑料电路制成、比纸张更薄、能在不易撕裂、可生物降解甚至自我修复的情况下变形。需要灵敏的传感器对触控、压力、温度、湿度和光线、以及化学和生物信号进行反馈。

还有很多事情要做。研究人员必须提高电子类材料的技术性能，设计创新的可伸缩电路架构，并通过大规模生产降低成本。同时，bodyNET还有社会和文化方面的担忧。这些问题包括对技术与身体紧密结合后的担忧，以及对隐私和数据安全的担忧。

然而，我们乐观地认为，bodyNET带来的好处将超过挑战。这是一种自我扩展，将给我们提供一个新的、复杂的、超越我们现有五官的方式，去感知我们周围的环境，并与之进行交流。有了bodyNET，你能够“看”到病人真实的感受，或者爱人是否需要情感支持。这能让我们更有同情心。同时，这样的技术不会取代我们，而是会扩展人类的特性。

比如说，可以通过AR化妆品或身上的一些饰件的颜色变化来展示我们的心情。由衣物中的电池驱动数字纹身，可以通过与姿势、难以察觉的面部表情、心率和皮肤传导率相关的生物特征数据来展示我们的情感。当你抬头看飞机时，可以在眼镜上显示飞行信息。或者想象一下，它能够远程地对儿童健康的紧急情况发出警报。

在这里，我们会给出一些bodyNET的研究重点。

八项技术挑战

材料

需要开发与皮肤相似的电子元件。可伸缩聚合物半导体和导体的导电性必须与刚性聚合物的导电性能相匹配。与生物相容的基质需要变得更加耐用，这样它们就可以在皮肤上佩戴好几个月。这些材料必须在出汗、洗澡、正常的磨损和撕裂的情况下正常工作，如果在衣服中加入，也必须是可以洗涤的。

电路

可伸缩电路的新设计是必要的。当这些元件被扭曲时，它们必须补偿电子的特性。也必须制造更薄、更便宜的材料。如果使用电子材料制造电路的工艺不发达，往往涉及许多步骤，产生很多的麻烦，导致最终难以产量。例如，使用阴影掩模对层进行排列很难达到较高的精度。目前，大多数打印方法只能以低分辨率对材料进行图案化，从而限制了电路的速度。

传感器

需要进一步开发可以测量压力、应变和温度，以及某些化学物质的存在和水平的皮肤类设备，以监测身体运动和健康状况。温度和压力的变化，尤其是传感器很难分离，因为它们相互影响。一些传感器采用可伸缩导线、半导体和（电荷）介质材料制成原型，但要解决这一问题需要新型电路。

能量储存和获得

可伸缩电池必须变得更小、更高效，续航能力要高达数月。由可伸缩材料制成的电池电极，如聚合物和无机复合材料，比类似功率的硬币电池更大。使用移动部件进行机械拉伸的电池也会出现磨损和撕裂。能源获得的策略也是有限的。从运动中获取能量的压电发电机只能提供低功率的峰值。薄膜太阳能电池能从太阳光中获取能量，但在衣服下是无效的。灵活的热电材料还不足以从体热中收集有用的能量。

建模

先进的模拟技术会对研究人员设计复杂的电子电路和架构提供帮助。他们能够在真正制造之前对设计进行测试，可以降低原型设计的成本。例如，分子和材料的数学模型可以预测电性和机械行为，例如在极限拉伸下的裂纹扩展。

大规模制造

目前，研究实验室只有少量的研究。大规模生产技术，如卷对卷涂料、图案和印刷，将降低成本，提高电路的可靠性。新材料要经过多年的发展才能商业化。几十年来，半导体行业一直在寻求高速，高性能的大规模制造业。很显然，新材料也需要一个类似的过程来进行大规模生产。

外围设备

将通信技术从诸如智能手机的单独设备转移到身体上的集成设，将使我们的交互更自然。这种趋势已经开始，比如Samsung Gear和Apple Watch这样的可穿戴设备，但功能仍然有限。皮肤上的可伸缩电路（Elastronics）可以通过触摸感应的触觉设备、纤细的、可伸展的显示器、基于手势的控制和音频系统，为你的身体提供全新的“超能力”。不过，需要开发与网络连接到bodyNET的混合现实设备，可以让你远程与其他人和对象进行交互。

数字通信

BodyNET需要一个数字通信网络来连接它们的层，而这还有待开发。它必须跨越个人，对象和环境之间的数字和物理世界。数据必须通过植入物、皮肤传感器、嵌在衣服中的设备和被包装成外围设备的设备，从一个人的bodyNET到另一个人的bodyNET来进行可靠地传输。建筑空间可以变得个性化，房间条件由皮肤温度和汗水控制，按昼夜节律照明，以及根据身体大小和肌肉活动而设计的家具。会说不同语言的人很快就能使用实时翻译、情感追踪和动态增强现实图形来进行交流。

五项文化挑战

人类的需求

将数据转化成以人类需求为基础的、有用的形式将是至关重要的。通过我们对可穿戴设备用户的采访显示，像检测血压、脉搏或皮肤反应等原始数据的设备，除了可以在气温高的时候提醒用户小心中暑，后续基本上没有采取一些行动来改善人们的生活。很显然，这并没有什么用处。一项通过VR模型来追踪用户情绪的测试表示，用户更加看重一种能与其他人产生共鸣或者共情的情绪。尤其是在高风险的情况下，比如减轻在工作中的分歧或者是消除跨文化交流带来的混乱。bodyNET想要充分发挥人体的潜力，就必须将不同的社会文化生态系统纳入设计之中。

身体改造

我们需要考虑技术和身体之间的关系。我们必须重新定义恐惧和和先入为主的偏见。今天大多数人接受的唯一身体修改类型是通过医疗和修复手术（如关节置换）来治愈身体。人工智能常常会引发人们对未知事物的恐惧，将生物组织与电子设备结合起来会招致人们的厌恶。我们认为这种心态会随着公共知识的增加而转变，与身体进步相适应的可伸缩电子设备以及以人为中心的应用的发展，这种心态将会发生转变。比如持续性的、个性化的医疗保健不再新奇了，已经开始改善人们的日常生活。医学和传播沟通是前进的两条路。像注射胰岛素这样的长期治疗，可以通过将现有的设备替换成符合人体组织的联网的、具有生物相容性的设备来彻底改变。身体装饰也越来越容易被接受。它的悠久历史可以继续下去，而可伸缩电子设备则是一种新的表达方式，同时也是一种技术能力。

数据安全

数据隐私和安全是必不可少的。医疗保健和健康数据必须是个人财产。健康追踪器因混淆和模糊的隐私政策而受到批评，这些政策可能会允许给第三方分享用户的健康信息。BodyNET将面临同样的挑战。这不是一个新问题。与商家“共享信用卡信息”是闻所未闻的，直到在线购物推动了安全协议的发展，商家才获得了用户的信任。同样，bodyNET技术必须从潜在的攻击中得到保护，并提供能够改善用户生活的应用程序。必须建立法律体系，以确保使用这项技术需要征得许可，而且不能用于恶意目的，比如拒绝以饮食为基础的医疗保健，以盈利为目的销售数据，或者更糟的情况。

数据影响

通过传感器获得的生物特征信息会影响行为，并可能产生意想不到的后果。重要的是，测量是可靠的。例如，不准确的数据可能导致医疗紧急情况被遗漏或标记不正确。2016年，可穿戴设备制造商Fitbit，就因为其心率测量的准确性遭到了起诉。以健康为目的设计这类设备的决定要谨慎，毕竟有时候，用户使用健康监测设备是不会看产品说明的。随着生物识别技术的进一步发展，设备的复杂性也会增加，出错的几率也会增加。因此，把调试bodyNET的过程形式化，是非常重要的。比如，有的团队就正在探索用成对的传感器来获取数据，以提高准确度。

用户交互

我们必须了解如何在视觉和物理上有效地呈现bodyNET数据。在个人、动物化身或其他什么东西周围，是否应该用变色的光芒来代表无形的情感？硬件和软件界面需要优先关注用户交互。BodyNET将允许我们以全新的方式体验数据丰富的世界。

下一步

我们认为，可伸缩电路的商业前景最终可能会与印刷电路板类似。专用的电子线路制造商将为大型系统集成和数字通信公司制造零部件。这些大公司将开发自己的商业设备，或向生产自己设备的初创企业销售零部件。

现在，必须开发第一个bodyNET应用程序。最初的设备可能是一个简单但可靠的生物识别传感器系统，以可操作的方式显示信息。例如，一个可伸缩的“袖子”可以显示一个人的情绪或舒适度。之后的版本会更加复杂，还可能包括AR眼镜，由嵌入在衣服中的可伸缩电路驱动。

社会科学研究对于理解这些新形式的互动的短期和长期影响至关重要，同时也会发现意想不到的后果。我们必须负责任地开发bodyNET系统，并注意它的影响。建立多学科合作关系，各国政府必须制定隐私和监管立法。

bodyNET具备的可颠覆性是巨大的。对话必须从现在开始，以确保我们在技术和伦理上创造出这一变革性技术的最佳的可落地的版本。

文章链接： http://www.nature.com/news/bring-on-the-bodynet-1.22643?WT.mc_id=TWT_NatureNews&sf115519681=1

编译组出品。编辑：郝鹏程