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血汗淚的交織史—用眼淚感測血糖的智慧型隱形眼鏡

PanSci_96
・2016/03/06 ・1940字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 613 ・十年級

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文/蔣維倫

「超薄、零觸感」並且「無痛、讓你完全感受不到它的存在」。不不不,別誤會,今天的話題不是限制級,我們要聊的是每位糖尿病患者指尖上的痛——測量血糖

對於普通人來說,一口麵包可能不代表什麼,但在糖尿病患者的眼裡,麵包什麼的,可是最討厭了啊!對他們來說,每口食物都可能會讓血糖飆高,而高濃度的血糖會引發中風、失明或性功能障礙等,因此每次用餐後,都得要扎破手指測量血糖,不僅是每天必作,更是終生都得如此。

測血糖對許多患者來講是個夢魘。圖/科學大爆炸EP.27 - 便當這樣吃就不用怕胖
測血糖對許多患者來講是個夢魘。圖/科學大爆炸EP.27 – 便當這樣吃就不用怕胖

雖然早在古埃及時就發現了糖尿病,但千年來的發展,仍需要鮮血才能夠測量血糖濃度,不僅惱人而且疼痛。那如果不用血,人體上還有什麼體液可供測量呢?

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感動落淚-用淚水寫下的科學發展史

古老的年代裡,電化學(electrochemistry)的科學家們就找到了方程式和糖氧化酶(glucose oxidase, GOD),能夠分析糖的含量

公式

而光是有方程式是不夠的,由於酵素容易被稀釋,迫使科學家只能用巨大的儀器取得數據。直到1995年,由東京大學(University of Tokyo)的Mitsubayashi學者等人將酵素固定化 [1],解決了酵素稀釋的關卡,使研究朝著正確的方向邁出了第一步。

而接續的難關是生理上的限制,淚水的血糖濃度遠比血液低 [2]。因此2003年南京大學(Nanjing University)的Jiuhong Yu學者利用二氧化鈦(TiO2)水膠將酵素包裹於內 [3],將反應的空間,從平面轉化為立體,大幅度地提高反應面積。且因為水膠的通透性極佳,其中的氫鍵又能固定住酵素,因此靈敏度也提升了許多。

2011年,在西雅圖的華盛頓大學(University of Washington),由Huanfen Yao學者組成的團隊,成功的直接在隱形眼鏡上繪製電極圖,他們集結了上述的研究成果,發表了以電化學原理來量測血糖濃度的隱型眼鏡 [4]。該團隊利用光阻材料(photoresist)在直徑不到1公分的鏡片上繪製金屬電極(Ti鈦/Pd鈀/Pt鉑),再將裹有酵素的水膠滴於電極板上,於是一支能感應血糖濃度發出電子訊號的隱型眼鏡就完成了。

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數據的輸出-瞳孔變色片還是無線傳輸?

馬拉松最疲憊的就是最後一哩路,而量測血糖的隱形眼鏡最後一道關卡,怎麼樣才能將數據輸出呢?

時間拉回2003年,當電化學的科學家仍身陷泥沼,鑽研螢光化學的學者已經有了重大的進展了。馬里蘭大學(University of Maryland School of Medicine)的Ramachandram Badugu團隊發表的隱形眼鏡中 [5],帶有特殊的螢光物質,使隱形眼鏡能夠感應血糖,進而發出藍色的螢光(450 nm)。但也許是線性範圍不足,研究漸漸地停滯,反倒是電化學的科學家解決了傳輸的問題。

上述的華盛頓大學團隊,在2011年突破電極縮小化的關卡後,更在隔年解決了訊號輸出的問題,由Yu-Te Liao學者(廖育德,現任中正大學電機工程學系 教授)所主導設計,利用出了僅僅0.6mm × 0.6mm大小的晶片,使用無線傳輸的技術,將血糖濃度的數值傳給外界的接收器,不僅無須外接電源。組成後的成品更相當精巧,鏡片的直徑小於1公分 [6]。

以隱形眼鏡偵測健康狀態的裝置概念圖。圖/Yu-Te Liao
以隱形眼鏡偵測健康狀態的裝置概念圖。圖/Yu-Te Liao

一「眼」看穿未來的疾病

2014年1月17日,由google公布的智慧型隱形眼鏡-Google Smart Contact Lens,背後的技術就是源自於華盛頓大學的Huanfen Yao和Yu-Te Liao等人的研究。同年,瑞士藥廠Novartis(諾華),更宣布旗下的眼科品牌Alcon(愛爾康)獲得Google的授權,將以Smart Contact Lens的技術研究糖尿病、老花眼等疾病。醫療大廠諾華和Google的合作,代表著傳統醫療照護將有重大的革新,藉由微型化電子的技術,未來檢測疾病將可被一「眼」看穿,再也不用讓患者們經歷充滿血與淚的抽血打針了。

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Hand holding - zoomed in
Google研發的智慧型隱形眼鏡。圖/Google官方部落格

註:各種體液內的糖濃度 [6]

種類 糖濃度範圍
血液 2-30 mM
尿液 2.78-5.5 mM
唾液 0.008-0.21 mM
汗水 0.277-1.11 mM
淚水 0.1-0.6 mM

  1. Mitsubayashi, K.; Dicks, J.M.; Yokoyama, K.; Takeuchi, T.; Tamiya, E.; Karube, I. (1995) A flexible biosensor for glucose. Electroanalysis 7, 83-87
  2. Prashanth Makaram, Dawn Owens and Juan Aceros (2014) Trends in Nanomaterial-Based Non-Invasive Diabetes Sensing Technologies. Diagnostics, 4, 27-46
  3. Jiuhong Yu, Songqin Liu, Huangxian Ju (2003) Glucose sensor for flow injection analysis of serum glucose based on immobilization of glucose oxidase in titania sol–gel membrane. Biosensors and Bioelectronics, 19(4), 401-409
  4. Huanfen Yao, Angela J. Shum, Melissa Cowan, Ilkka Lähdesmäki, Babak A. Parviz (2011) A contact lens with embedded sensor for monitoring tear glucose level. Biosensors and Bioelectronics 26, 3290-3296
  5. Ramachandram Badugu, Joseph R. Lakowicz, and Chris D. Geddes (2003) A Glucose Sensing Contact Lens: A Non-Invasive Technique for Continuous Physiological Glucose Monitoring. Journal of Fluorescence, 13(5), 371-374
  6. Yu-Te Liao, Member, IEEE, Huanfen Yao, Andrew Lingley, Babak Parviz (2012) A 3-μW CMOS Glucose Sensor for Wireless Contact-Lens Tear Glucose Monitoring. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 47(1), 335-344

 

(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫-智慧生活與前沿科技科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威

審校:陳妤寧

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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聰明的隱形眼鏡,替眼睛做健康檢查!
科技大觀園_96
・2021/07/17 ・2205字 ・閱讀時間約 4 分鐘

戴隱形眼鏡可以幹嘛?除了矯正視力,或讓虹膜看起來變大變漂亮,現在隱形眼鏡還能幫你的眼睛做健康檢查!交通大學電機工程系教授邱俊誠的團隊開發出一款智慧型隱形眼鏡,只要戴上,就能檢測眼球溫度、淚液蒸散速率、滲透壓、眼壓等數據,可提供眼科醫生做為診斷依據,協助研判病患是否有輕微或嚴重的乾眼症或青光眼症狀。

眼疾的檢測更準確,治療方法升級

這項研究對於眼睛的檢測帶來很大的突破,因為它可望讓眼疾的檢測變得方便快速,還能讓治療變得更加精準。乾眼症的成因不只一種,可能是淚液分泌不足,也可能是淚液成分中的油脂不足造成淚液蒸散過快,但過往的檢測方法並不能很有效的區分,因此醫生在給藥時,常常只能用自身經驗,做主觀的判斷。但有了智慧型隱形眼鏡協助檢測,能依據醫生的需求提供更精準的科學數據,也就能讓判斷與投藥更加正確。

邱俊誠團隊開發的智慧型隱形眼鏡,配戴起來如同軟式眼鏡一般舒適,將來有望為眼疾檢測帶來重大突破。圖/邱俊誠提供

而針對青光眼的患者,醫生也可以使用智慧型隱形眼鏡的數據,找出容易眼壓高的時間點,針對這些時間點給予藥物治療。邱俊誠進一步解釋:「這些檢測數據是珍貴的大數據資料,等到累積夠多數據,醫生或藥物開發商就可以分析出更準確的藥物配方。」因此這項研究成果一公布,立刻引起了各界關注。

另一個引起大家注意的重要原因,在於這是第一個可以戴得舒服的智慧型隱形眼鏡。目前全世界大部分的智慧型隱形眼鏡研發,都是以硬式鏡片做為基礎,但邱俊誠說:「我們一開始就是從『可配戴』的角度當出發點,因此是以現有的軟式隱形眼鏡材料矽水膠去做設計。」他們將可測量溫度、濕度、壓力等各種特性的感測器、處理晶片,以及傳輸資料用的天線等元件,就像三明治的內餡一樣夾在鏡片的夾層裡,因此配戴時的感覺,就和普通的隱形眼鏡一樣。

研究團隊把各種感測器、晶片、天線等元件夾在鏡片裡面。圖/邱俊誠提供

一度產生懷疑……真的做得出來嗎?

從 2011 年開始研發,到 2019 年宣布成功,這條路走了八、九年,邱俊誠表示:「其實並不是沒想過放棄,因為中間有太多困難,讓我一度沮喪,覺得看不到答案。」 

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要做出這款智慧型隱形眼鏡,其中一個困難點在於元件的整合,儘管感測器都已經設計得非常精巧,靈敏度也夠高,但要整合在小小的曲面鏡片裡,還要能有效運作,有許多細節需要考量。邱俊誠舉例說,這些元件的檢測及訊號傳遞,需要從外界以無線電方式提供能量,能量過低無法啟動元件,能量過高可能造成鏡片溫度上升,因此光是能量的傳遞就花了許多時間研究。

另外,「隱形眼鏡是要戴在人眼上運作的,一旦牽涉到人,就會增加許多變異。」邱俊誠以裝在鏡片內的天線舉例,天線的設計必須將人戴上隱形眼鏡後的實際狀況納入考量,因為人眼會帶著隱形眼鏡移動,要如何讓天線的傳輸沒有死角,不因隱形眼鏡轉了一個角度就無法傳輸,讓團隊花費了不少心力。

幸好,邱俊誠的團隊裡有許多優秀的學生,不斷嘗試各種可能,堅持不放棄,邱俊誠說:「最後終於成功的那一刻,真的是五味雜陳。」

智慧型隱形眼鏡還有更多潛力與可能

目前,這款可以檢測眼睛的智慧型隱形眼鏡已經通過動物實驗,在相容性、毒性、敏感性、刺激性的測試都通過考驗,邱俊誠說:「接下來會進入人體實驗,希望在四、五年內讓產品上市。」換句話說,不久的將來,我們到醫院檢查眼睛,或許不再需要點散瞳、打麻醉、把試紙插入眼睛,而是戴上隱形眼鏡,坐等數據自動傳輸到醫師電腦就好。

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而邱俊誠對這款智慧型隱形眼鏡,也希望繼續做更好的調整與設計。目前的鏡片裡沒有電池,能量由外界傳輸提供,因此在檢測時,除了戴隱形眼鏡外,還得戴一個如同一般眼鏡般的裝置來搭配提供能量。邱俊誠說:「我們正在研究如何把電池也整合在隱形眼鏡裡,這樣一來檢測會更方便,看起來也更簡單美觀。」

透過類似一般眼鏡的裝置,為智慧型隱形眼鏡提供能量。圖/邱俊誠提供

在未來,邱俊誠還希望讓智慧型隱形眼鏡有更多功能,舉例來說,如果有一副隱形眼鏡,戴上就能自動調校視力,不論近視幾度,它都會自動改變曲率、厚度,來符合你的度數,這有多好!邱俊誠表示,這種鏡片的困難度在於內部必須要有動力來源才能改變並維持隱形眼鏡的形狀。「雖然困難,但我們已經著手在研究了。」

更甚者,未來在 5G 網路的發展下,智慧型隱形眼鏡可望做到擴增實境(AR),透過隱形眼鏡,可以將世界各角落的即時美景盡收眼底,也能隨時與親朋好友「視訊」,而且就彷彿對方直接在你眼前般真實。相信不久後,我們就能親身體驗到智慧型隱形眼鏡對我們的生活及這個世界帶來的巨大改變。

智慧型隱形眼鏡的未來應用。圖/fatcat11 繪

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科技大觀園_96
82 篇文章 ・ 1126 位粉絲
為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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隱形眼鏡不只是矯正近視,還可以即時監測血糖濃度
活躍星系核_96
・2019/06/10 ・1924字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 551 ・八年級

  • 高翊賢、冷明翰、童筱妍、蘇琬婷、葉曜華

隨著血糖浮動的心情,靠它終於可以舒緩了

號外!號外!大家照過來喔~這款超酷的智慧型隱形眼鏡,不僅輕、薄、短、小,結合了時下最新科技,對於糖尿病患者來說,更是個福音。

憑什麼這樣說呢?就憑它能即時並無痛的監測淚液中的葡萄糖濃度,讓人們不需要時時刻刻擔心在進食或是運動時,可能造成的血糖劇變。糖尿病患者也不用再為了測血糖而挨針受罪了。這款能夠偵測淚液裡葡萄糖濃度的隱眼,除了使用非侵入性的方式外,也不再需要透過鏡片和笨重的儀器連結才能測得數據,可說是方便了不少。

南韓科學家創新設計,突破舊有智慧隱眼的困境

其實利用隱形眼鏡作為偵測器並非新想法。在 2014 年一月,Google便宣布要研發「Google Contact Lens」,希望能透過淚液監測葡萄糖濃度。但最大的問題在於,融合了電子元件的智慧隱眼,其不透明、硬度高的元件不僅會影響視野,隱眼也容易變形而損壞。

為了解決這個問題,來自南韓蔚山國家科學技術學院(UNIST)及成均館大學的研究團隊,提出了新型智慧隱眼的構想,並於今年一月發表在《Science Advances》期刊中。此隱眼(如下圖A)整合葡萄糖偵測器、LED顯示像素以及無線電力傳輸系統,利用LED視覺化即時的血糖濃度,便不需要額外的裝置了!

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圖A  隱形眼鏡結構示意圖。天線:接收交流訊號;整流器:將交流訊號轉換為直流;葡萄糖偵測器:偵測淚液中葡萄糖濃度;LED顯示像素:即時顯示淚液中葡萄糖濃度。圖/ Park et al, 2018

利用混合結構與折射率的配合,避免傷害並提供更清晰的視野

針對電子元件容易損壞的問題,研究團隊改良了部分隱眼的結構:

將電子元件置於加固基板(reinforced islands),天線及電路則置於彈性層(elastic substrate)中。加固基板鑲嵌入彈性層,形成混合結構(hybrid substrate)。(如下圖B)

當隱形眼鏡形變時,彈性層會吸收受力,將電子元件保護在加固基板中,便解決了元件容易損壞的問題,也增加了隱眼的壽命及穩定性。

圖B  混合結構:隱形眼鏡被拉伸時,彈性層也隨之擴大,但加固基板仍維持原狀,保護其中的電子元件不受影響。圖/ Park et al, 2018

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其中,加固基板是由光感化合物聚合(photo-patternable polymer)所形成;彈性層則選用軟式隱眼的常規材料──矽膠彈性體。研究團隊最大化彈性層的面積,以提供更高的透氧性,避免智慧隱眼對使用者的傷害。

針對視野的清晰度的改善,研究團隊從兩方面著手:

第一,利用銀奈米纖維製作天線及電路。這種材料相當透明,不會遮蔽使用者視野,同時具有出色的延展性,可以降低使用者眼睛的異物感。

第二,研究團隊使用折射率相仿的加固基板與彈性層製作隱眼,避免因折射率差異造成的光線散射,藉此降低霧度,讓視野更清晰。(如下圖C)

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圖C  將折射率差異不同的混合結構置於相機前拍攝照片。左為折射率差異低的影像,視野清晰;右為折射率差異高的影像,視野模糊。(點圖放大)圖/ Park et al, 2018

隱眼中的偵測器:即時提醒血糖濃度異常

要了解葡萄糖偵測器,先來看看反應式:

Glucose + O2 → H2O2 + Gluconolactone

偵測器中的氧化酶,可以氧化淚液中的葡萄糖。產生的過氧化氫再被分解,生成的氧、質子與電子會影響偵測到的電阻,藉此監控葡萄糖濃度。為了避免偵測器因過氧化氫累積而變得不敏感,研究團隊更將過氧化氫酶置於偵測器中,即時分解過氧化氫,讓偵測器的靈敏度可以維持,不出現延遲的狀況。

因此只要眼睛正常分泌淚水,眨眼時便能將淚液收集於隱眼中,利用非侵入性的方式持續偵測淚液中的代謝物。而此團隊設計的隱眼,在正常情況下,綠色的 LED 顯示器會一直亮著;但若葡萄糖濃度超過閾值,則會關閉 LED 顯示,提醒使用者血糖濃度異常。

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圖D  淚液中葡萄糖濃度高於閾值時,LED顯示像素關閉。圖/ Park et al, 2018

此外,這款隱眼可透過無線的操作穩定其溫度,不會突然加熱傷害使用者的雙眼,以確保穿戴者眼睛的安全。此團隊的研究中,也有使用活兔進行活體測試,證明其無明顯的不良影響。

儘管淚液葡萄糖濃度與血液葡萄糖濃度的關係還有待更近一步的研究,但這款智慧隱眼,仍為醫學臨床領域與物理新科技的結合譜出了新的樂章,希望能夠無線、持續、非侵入性地監測生理狀況,同時可用以偵測有關眼睛或是其他疾病的生物標誌物,也提供了應用在其他領域的可能性,像是擴增實境(AR),或是透過鏡片來投藥,避免使用者可能忘記吃藥的麻煩。

參考文獻

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia