一个容易被忽视的问题：传感器贴在皮肤上，电路模块戴在手腕上，两者之间的那个“接口”，在剧烈运动中往往最先出问题。
近日，北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院朱桂贤团队，联合天津医科大学总医院和中国科学院大学的研究者，给出了一个来自电子工业的解法。
他们没有用常见的印刷油墨电极，而是直接用柔性电路板（FPCB）来做汗液传感器，并把电路板末端做成类似内存条那样的镀金插头，俗称“金手指”。插拔 300 次后，接触电阻只从 7.3 欧姆变为 7.2 欧姆。在一名志愿者的实测中，设备在有氧和无氧运动中都连续工作了 51 分钟，同时记录汗液乳酸、钠离子、出汗速度和体温。
简言之就是：把传感器当成一块标准电路板来造，让“插头”不再是可穿戴设备的短板。那么，接口为什么会成为问题？一块电路板又是怎么变成汗液传感器的？
被忽视的“插头”
先说说为什么要测运动中的汗液。
汗液并不只是水，它还含有钠、钾等电解质，乳酸、尿素等代谢物，以及一些蛋白质。论文指出，乳酸水平是评估有氧和无氧能力的重要指标；而汗液中的钠浓度与出汗速度结合起来，可以估算运动中流失了多少水分和电解质，为补水补盐提供参考。
目前，电化学传感是检测汗液成分的主流方法。这类柔性传感器大多采用激光刻蚀、喷墨打印或丝网印刷制作，在一张软薄膜上印出导电油墨电极。
问题出在“软”与“硬”的连接处。论文梳理，柔性传感器与硬质电路之间的连接缺乏统一规范，常用的机械夹子或导电胶在物理上相当脆弱。运动时皮肤不断形变，接口处容易接触不良；印刷的导电油墨也可能在摩擦中开裂、剥落。结果就是接触电阻剧烈波动，产生大量“运动伪影”，数据变得不可信。
打个比方，这就像一副好耳机配了一个松动的插头：耳机本身再好，跑步时一晃就断断续续。
团队把目光投向了电子工业里再成熟不过的方案：柔性印刷电路板。手机、相机里那些可弯折的橙黄色排线，就是这种电路板。它以聚酰亚胺（PI）薄膜为基底，沿用了标准电路板的工业化制造流程。
其中有两个关键工艺。一是“化学镍金”（ENIG）表面处理，在铜线路上先镀一层镍作为阻挡层，再覆盖一层极薄的金，得到平整、导电好、不易氧化的表面。二是在插头区域背面贴一块硬质的聚酰亚胺“补强板”，让原本软塌塌的排线末端变得挺括，能稳稳插进标准插座。
内存条、显卡边缘那一排金色的触点，用的就是类似的设计，业内称为“金手指”。
把电路板变成传感器
团队设计的传感器，感测区宽约 21 毫米，下方连着一条约 36 毫米长的“尾巴”，末端就是 5 个镀金触点。
这块电路板分三个区域：上部是一条蛇形的双线路，用来测出汗速度；中部是三个圆形电极，左右两个分别是钠离子和乳酸的工作电极，中间上方是两者共用的参比电极；下部是排汗口。
不过，镀金电极有一个先天弱点：汗液里富含氯离子，金直接暴露在汗液中会被腐蚀。
团队的办法是“分层”：金层只负责导电，真正和汗液打交道的是覆盖其上的碳层。钠离子电极在碳层上再涂一层钠离子选择性膜；乳酸电极则用掺有普鲁士蓝的碳层，上面再固定乳酸氧化酶。参比电极则直接在金层上涂覆银/氯化银。
乳酸的检测原理并不复杂：乳酸氧化酶把乳酸氧化成丙酮酸，同时产生过氧化氢；普鲁士蓝充当“电子搬运工”，把过氧化氢还原，产生电流。乳酸越多，电流越大。钠离子则通过选择性膜测量电位，浓度越高，电位越高。
接口到底稳不稳？团队把商用丝网印刷电极和自家的柔性电路板电极放在一起，边弯折边测接触电阻。
结果差别相当明显。丝网印刷电极本身的电阻就超过 4 千欧，弯折时还会出现剧烈的电阻尖峰，相对波动甚至超过 100%；而且只插拔一次，尖峰就更严重了。柔性电路板电极的电阻只有 7.3 欧姆，无论是首次插入还是反复插拔之后，弯折过程中的电阻曲线都几乎是一条直线。
在 1 到 300 次的插拔测试中，丝网印刷电极的接口磨损越来越明显，电阻始终停留在千欧量级；柔性电路板电极只留下轻微压痕，接触电阻从 7.3 欧姆变为 7.2 欧姆。
另一个好处是一致性。由于电极图形由光刻定义，而不是靠网版印刷，不同电极之间的几何差异更小。团队对 6 个电极做了循环伏安测试，氧化峰电流和还原峰电流的相对标准偏差分别只有 1.19% 和 2.38%。改电极设计时也只需修改版图文件，交给电路板厂生产，无需重新制作网版或掩模。
性能方面，乳酸电极在 5 到 80 毫摩尔每升的范围内线性良好，覆盖人体汗液乳酸的典型浓度；同一电极重复测试 8 次，电流为 −3.14 ± 0.09 微安。钠离子电极在 12.5 到 200 毫摩尔每升范围内线性良好，同一电极重复测试 19 次，电位为 0.27 伏 ± 2.96 毫伏。两种电极在弯曲状态下读数都没有明显变化，对尿酸、尿素、维生素 C、葡萄糖以及钾、镁、钙等常见干扰物也表现出较好的抗干扰能力。
团队还把电极在人工汗液中浸泡了 12 小时，没有观察到明显的腐蚀、分层或结构损伤，各处电阻也几乎不变。
汗从哪里来，流得多快
光有电极还不够，还得让汗液“按规矩”流到电极上。
团队用光固化 3D 打印制作了一块柔性微流控贴片，厚度只有 0.6 毫米。贴片上有 5 个进汗口：4 个半径 1 毫米的小孔，把汗液引入一个半圆形的收集区，供电化学检测；1 个半径 2 毫米的大孔，把汗液引入一条蛇形通道，用来测出汗速度。4 个小孔的总面积恰好等于大孔的面积，保证两路的进汗效率一致。
为了让汗液顺畅流动，团队给进汗口、通道和收集区涂上亲水涂层，接触角从 63° 降到 17°；出口则不做处理。这样，汗液会先灌满通道，再从出口排出，形成“下进上出”的流动方式。
出汗速度的测量思路很巧妙。蛇形通道正对着电路板上的两条平行线路，汗液流进通道越多，两条线路之间被“连通”的部分就越多，等效阻抗就越低。测出阻抗，就能反推出通道里有多少汗，再除以时间，就是出汗速度。
这有点像一个带刻度的量杯：杯里的水位就是累计出汗量，而单位时间里水位涨了多少，就是出汗速度。
按论文的计算，系统对汗液体积的分辨率小于 0.69 微升，在 3 分钟的采样间隔下，出汗速度的分辨率可达 0.23 微升每分钟。作为参照，一滴水大约是 50 微升（编辑估算），0.69 微升还不到一滴水的七十分之一。
仿真和实验都显示，在设定的进汗速度下，蛇形通道约 21 分钟灌满，总容量 41.8 微升；收集区约 5 分钟灌满，容量约 9.67 微升。
负责处理信号的硬件只有一枚一元硬币大小，核心板约 30.5 毫米 × 19.9 毫米，集成了电化学恒电位芯片、阻抗测量芯片和带蓝牙的微控制器，数据实时传到手机 APP。团队逐项验证了它的测量误差：电位测量最大相对误差 5.24%，电流测量 2.46%，阻抗测量 5.89%。在持续检测并传输数据时，平均功耗约 50 毫瓦，配一块 500 毫安时的锂电池，估算可连续工作约 37 小时。
有氧还是无氧，汗液能说出来吗？
最后是真人实测。这项研究经天津医科大学总医院医学伦理委员会批准。
设备做成手表的样子，传感器用医用胶带贴在前臂皮肤上，胶带在进汗口处开孔，通过 5 针磁吸接口与表头相连。一名志愿者分别完成了两组运动：一组以有氧运动为主，另一组以无氧运动为主，中间穿插拉伸休息。从开始出汗、设备采到数据算起，两组都连续监测了 51 分钟。
论文称，在包括跑步和快速摆臂在内的整个过程中，系统数据传输不中断，没有出现明显的运动伪影或信号丢失。
数据呈现出两种运动不同的“汗液画像”。
乳酸方面，两组都是先升后降，但无氧运动明显更高：平均 30.58 毫摩尔每升，峰值 38.56；有氧运动平均 16.52，峰值 28.11。钠离子浓度在两组间差别不大。
出汗速度则呈现另一种格局。无氧运动开始时出汗较快，之后逐渐下降；有氧运动先升后降，整体更高，平均 0.78 微升每分钟，峰值 1.18；无氧运动平均 0.42，峰值 0.65。从达峰时间看，有氧运动中乳酸在第 8 分钟达峰，无氧运动中则是第 11 分钟。
基于这些数据，团队提出了一个“双参数”的运动强度判读方法：以出汗速度和汗液乳酸为两个坐标，用 25 毫摩尔每升和 0.5 微升每分钟两条阈值线，再加上对角线，把图分成 6 个区。无氧运动的数据点大多落在“高乳酸、低出汗”的 A 区，有氧运动则集中在“低乳酸、高出汗”的 D 区。
此外，结合出汗速度和钠浓度，系统还能估算累计出汗量和钠流失。结果显示，有氧运动的累计出汗量和钠流失都更高，两组的钠流失都在第 15 到 27 分钟达到高峰。
团队还让志愿者把传感前端贴在前臂上 4 个小时，揭下后皮肤未见明显红肿、变色或损伤，轻微压痕 30 分钟后基本消失。
结语
值得注意的是，这项研究目前更像一次工程层面的概念验证，论文也明确列出了多项局限。
首先，人体实测只有一名受试者。论文强调，6 区运动强度模型中的阈值，是根据这一位受试者的数据分布划定的，只是一种个体化的分析示例，而非通用的运动强度分级标准。团队计划未来开展大规模临床试验，建立人群层面的校准算法。
其次，汗液乳酸能在多大程度上反映运动强度，学界本身仍有讨论。论文援引的研究显示汗液乳酸阈与血乳酸阈相关，但也有不少研究认为，汗液中的乳酸相当一部分来自汗腺自身的代谢，与血乳酸并不同步（编辑注）。这项研究没有同步采血对照，因此“有氧区”“无氧区”的划分，目前还缺少金标准验证。
第三，一些数据细节值得进一步推敲（编辑注）。论文报告的钠离子电极灵敏度约为 119.6 毫伏每十倍浓度，而对单价离子而言，室温下的理论值约为 59 毫伏，两者相差约一倍，论文对此未作解释。此外，蛇形通道的总容量为 41.8 微升，而从图中读取，有氧运动 51 分钟的累计出汗量已接近 42 微升（编辑据图读取）。这意味着在出汗更多或时间更长的运动中，出汗速度的测量窗口可能不够用。
第四，测量条件仍有简化。电化学校准在 25 摄氏度左右的室温下完成，而运动时皮肤表面的温度可能不同，团队表示未来将加入温度补偿。人工汗液浸泡测试只有 12 小时，真实汗液的酸碱度和成分更复杂，长期可靠性还有待验证。论文也提到，出汗过慢时汗液更新慢、易蒸发，出汗过快时可能溢出，气泡、灰尘和皮屑也可能堵塞通道。
此外，微流控贴片目前用 3D 打印制作，团队计划未来改为注塑成型以便量产；4 小时的佩戴观察也不能替代标准的皮肤刺激和致敏测试。
路还很长。但至少，在汗液和电路之间，那个最容易松动的“插头”，已经有了一个工业级的答案。
参考资料
Xue, T., Lin, W., Zhou, J. et al. A mechanically robust wearable sweat analysis platform with plug-and-play interconnects for continuous biomarker profiling. Microsyst Nanoeng 12, 321 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01436-5
撰文及审核 | 医工学人理事会
