不扎针就能连续监测6种代谢分子，UCSD团队开发首款汗液生化传感智能戒指

今年菲尔茨奖揭晓后，在不少公开场合或视频记录中，有眼尖的网友发现，获奖者之一、华人数学家王虹手上戴着一枚 Oura 智能戒指。

作为商业化可穿戴设备中增长最快的门类之一，Oura、三星、Ultrahuman、Circular 等常见品牌做出的智能戒指，绝大部分内置光电容积描记法（PPG）、加速度计、温度传感器，可监测人体心率、血氧、体温、运动量、睡眠等生物活动。

不过，这些设备只能感知部分物理信号，始终无法记录使用者体内更深层的生化组分动态信息。

7 月底，加利福尼亚大学圣地亚哥分校（UCSD）的研究人员在《自然-通讯》（Nature Communications）发表了一项研究，该校纳米工程系约瑟夫·王（Joseph Wang）教授和徐升教授带领团队，做出一枚重 5.1 克、外径 3 厘米的智能戒指原型，可从手指皮肤渗出的微量汗液中，同时连续监测与葡萄糖、酮体、乳酸、尿酸、维生素 C 和酒精相关的 6 种代谢分子，并将其命名为 CHARM（连续健康分析戒指模块）。

论文共同第一作者、现西湖大学助理教授丁士超向 DeepTech 解释了 CHARM 的定位和突破价值：“如果说现在市场上的 Oura Ring、Galaxy Ring 等被称为第一代物理智能戒指（Physical Ring），我们做出的就是第一代化学智能戒指（Chemical Ring）。”

（来源：Nature Communications）

不催汗、全程无创采集体液样本

我们体内发生的化学变化，往往比物理动态更难直观地监测与表征。而汗液生化传感的出现与发展，为这一路径提供了关键的无创采集样本。

在可穿戴汗液传感领域，最直接的采样方式是运动出汗。2016 年，加州大学伯克利分校（UC Berkeley）团队在《自然》（Nature）发表了一款传感贴片，佩戴者出汗即可激活传感器进行体液化学分析。但该技术当时处于早期阶段，应用场景有限，很难实现睡眠、静息等状态下的持续监测。

另一种方式是借助微电流刺激出汗。2001 年，美国食品药品监督管理局（FDA）批准了世界上第一款汗液血糖监测手表 GlucoWatch，该产品使用反向离子电渗技术，发射小电流将皮下的葡萄糖分子引至皮肤表面，实现无创监测。但因测量不准确、电极刺激皮肤产生灼伤等问题，上市不到两年即被下架。时至今日，全球依然没有任何一款基于汗液的连续葡萄糖监测设备获得 FDA 批准。

CHARM 选择的方向是渗透压驱动的被动采样，该方法源于团队此前的技术积累：2021 年，同为一作的塔莫尼亚·萨哈（Tamoghna Saha）开发出首个被动渗透汗液提取平台；另一位一作秦思雨主导电子硬件的设计，他所在的徐升教授团队曾在 2023 年于《自然》（Nature）发表可穿戴心脏超声成像仪，在紧凑型电子系统设计上有深厚经验；丁士超则负责柔性电池模块与系统集成。

要把整套汗液提取、化学传感、分析计算与供能平台塞进一枚小小的戒指，戴在汗腺密度远低于指尖的近端指节，工程挑战依然存在。

具体来看，戒指内壁贴着一块特制的水凝胶，其渗透压是皮肤汗液的 50 倍左右，以此不断拉取皮下的微量汗液，使其通过毛细作用相继进入微流控通道和电化学传感器，完成分析监测。与前两种方法不同，CHARM 不要求使用者大汗淋漓，也无需电刺激，基本实现接近无感的佩戴体验。

戒指的传感模块共有 4 个工作电极，表面分别涂覆特定酶层，汗液中的目标分子接触酶层后发生氧化反应，产生的电流大小被转换为相关代谢产物的浓度计数，再通过蓝牙低功耗（BLE）将数据实时传输至手机端。

戒指共集成 6 种传感器，据论文演示，选择性组合不同通道，就能覆盖三类应用场景：糖尿病管理（葡萄糖+酮体+酒精）、代谢健康（尿酸）和运动营养（乳酸+维生素 C）。

图 | 戒指的系统集成（来源：受访者提供）

对于 1 型糖尿病患者、生酮饮食者、癌症代谢管理患者而言，血糖-酮体指数（GKI）是评估营养性酮症的关键指标。研究特别提及，CHARM 可以实时连续输出 GKI 结果，这是现有商用血糖监测仪都很难做到的事。

供电组件是另一个技术亮点。团队采用两节串联的柔性锌-氧化银电池，可以贴合戒指内壁的弧度。整套能源系统通过了耐用性和安全性测试。在续航层面，如果每 8 分钟采集一次数据，单次充电支持约 12 小时连续监测。

不过，就在两年前，丁士超主导了一项采样机制类似的指尖微电网研究。在那套系统里，研究人员集成了汗液生物燃料电池（能量收集）、银锌电池（能量存储）、电源管理电路（能量调度）和 4 种代谢物传感器。只要人体持续分泌含乳酸的汗液，系统理论上就能完全脱离外部电源、长限期自主运行。

从汗液发电到外部供电，算不算是为小型化做出的技术妥协？丁士超表示，工程层面的限制客观存在：戒指位置的汗液流速处于极低量级，很难有效供电；而且，如果引入发电模块，将与传感同时争夺一份汗液样本。为提高信号稳定性、简化长期校准的复杂度，电池方案明显更优。

但丁士超也解释了团队在不同形态和技术组合间作出的权衡：“从化学、系统设计的角度来看，这一代（戒指形态）实现了多靶标物质的高精度连续传感，功能配置上不如兼顾传感和能量自动化的指尖微电网系统。”不过，相比套在指尖的微电网，“戒指的长期佩戴依从性和日常适配性可能更好，也更符合连续监测的需求。”

CHARM 还具备一个关键的验证意义：如果无感、零功耗的被动渗透采样能在低汗腺密度部位工作，就能将其应用场景从少数几个高汗腺密度部位（指尖、前额、腋下）拓展到全身多处，为后续大量新型可穿戴生化传感器打开设计空间。

一枚原型的能力突破与现有边界

为系统性验证 CHARM 的性能，研究团队在健康志愿者和 1 型糖尿病患者身上分别开展了糖尿病管理相关的生物标志物测试。

论文数据显示，健康人群佩戴 CHARM 时，测得葡萄糖浓度的平均绝对相对误差（MARD，即戒指读数与医学检验值的偏差）约为 6.14%，已经接近甚至优于部分商用连续血糖监测仪的精度。

不过，在对 1 型糖尿病患者的测试中，CHARM 的 MARD 升至 16.5% 左右。丁士超向 DeepTech 解释道，这种精度衰减的情况在商用连续血糖监测仪中同样存在，原因在于，“健康人群血糖波动范围比较窄，变化也比较平缓，汗液信号和血糖之间更容易保持稳定的对应性，而糖尿病患者受到饮食、胰岛素控制、运动等多种因素影响，血糖波动范围更宽、变化也更快，血液和汗液信号之间的滞后性会被放大。”

这也引出了另一个关键的临床变量：延迟。人体糖分通常会遵循从血液到组织间液，再到汗腺分泌的多级扩散过程，因此，血糖与汗液葡萄糖存在生理性的时间差，再好的汗液生化传感器都无法规避这一问题。

汗腺密度进一步影响了延迟情况，实测数据显示，由于戒指位置的汗腺密度更低、渗透采样速率更慢，其葡萄糖变化延迟和酮体延迟均比指尖微电网更长。

团队并未回避这一局限，丁士超表示，他们下一步可能会结合 AI 模型，引入更好的校正算法，基于多物质变化的动态趋势进行推理，预测汗液代谢物的实际状态。

针对个体差异问题，CHARM 允许通过双参数建立差异化模型。用户首次使用需要借助商用血糖仪测量空腹血糖和最大血糖变化，让戒指拟合灵敏度和初始电流偏移参数。这套校准方式可维持 60 天以上，出现漂移后可用血糖试纸重新校准、更新参数。

作为一枚原型，CHARM 还存在很大的优化空间。其中，防水性是首要问题。戒指使用铰链-锁扣式的可开合结构，外部水分可能破坏渗透压梯度，导致采样机制失效。

丁士超进一步明确了当前的边界：“外部保护层和封装都可以起到防护作用，在洗手或短期淋雨等少量接触水的场景下，系统不会立刻失效。但在长时间浸泡中，大量水会逐渐稀释渗透剂，影响采样效率。”对此，团队提出可以优化戒指设计，如改用全封闭的同心圆构型：传感组件置于内圈，外部由弹性外壳完全密封。

与光学传感不同，CHARM 的电化学传感依赖活性酶层和采样寿命有限的水凝胶，无法长期使用。对此，丁士超设想的产品形态是平台+可替换耗材：“戒指作为使用平台，同时将采样层、膜层、结构层设计成低成本、可更换的便捷式模块，这样也更契合未来消费电子的发展方向。”

另外，CHARM 目前还不具备常规商用戒指的生命体征测量能力（心率、血氧、血压），随着技术进步，将来有望将其升级为化学-物理混合平台。

离商用还有多远？

在与 DeepTech 的对话中，丁士超回忆起在 Joseph 教授课题组的最大收获：“Joseph 经常强调，一个有价值的可穿戴设备并不只是一个高性能的传感器，同时需要解决采样检测、数据传输、长期佩戴等多种问题。”

图 | 丁士超与 Joseph 教授的合影（来源：受访者提供）

这种基于整体系统的研究理念与团队丰富的产业孵化经验密切相关。2012 年，Joseph 实验室的博士毕业生创办了 Electrozyme，最初侧重汗液电化学传感，后转型为专注微针式连续血糖监测的 Biolinq；2022 年，Lu Yin 从 Joseph 实验室博士毕业，和本科校友 Alan Liu 联合创办 Persperion Diagnostics，将指尖汗液葡萄糖检测技术商业化。2017 年成立的 Ateios Systems 则将柔性可印刷电池技术转为商用，2023 年获得 240 万美元政府订单。

CHARM 是否会走上类似的转化路径？丁士超透露，团队正围绕该项目积极与产业交流，其中各类新器件都有很大的商用潜力。此前团队孵化的 Persperion Diagnostics 也同步跟进，“做了一款非常小的设备，正在争取 FDA 批准。”

目前，汗液生化传感的商业化尝试全部集中在贴片形态，主要聚焦运动健康，几乎不涉及慢病管理；消费级戒指则完全由光学传感主导。因此，作为一款多分子生化传感戒指，CHARM 处于消费电子和医疗监测的交汇点，市场位置相当独特。

谈及如何切入细分市场，丁士超更看好“消费电子先行、医疗跟进”的发展路线：“消费市场作为起点，直接面向用户快速迭代并收集大规模数据反馈；长远来看，医疗价值必然是终极目标。”

不过，在这之前，CHARM 还要解决两大技术挑战。短期内，团队需要进一步提高设备在糖尿病患者群体中的测量精度，同时改进结构、延长使用寿命。如果想实现真正的“能量自主”，仍需引入汗液生物燃料电池，这可能是 CHARM 迭代的关键一步。

可穿戴电化学系统是丁士超过去几年一以贯之的研究主线。2026 年 1 月，丁士超以助理教授身份加入西湖大学，独立组建起“网络化生物电子系统实验室”，招到了第一批学生。

在他的规划中，CHARM 这类化学戒指只是走向分布式生物电子系统的起点，最终目标是借助统一算法层整合多模态数据，让戒指、贴片、手表、隐形眼镜等形态各异的设备协同工作，组成可穿戴生化网络，实现更加智能的连续监测与健康管理。

参考内容：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-75980-z

注：首图/封面由 AI 辅助生成