設想2040年的某個場景：12歲的糖尿病患兒咀嚼口香糖時，前臂的臨時紋身即時感應血糖波動，資料同步傳輸至手機和雲端監護系統。成年人運動時佩戴的乳酸監測紋身與持續追蹤血壓的電子貼片，共同構建全天候健康防護網。這些由麻省大學阿默斯特實驗室領銜研發的石墨烯電子紋身（Graphene Electronic Tattoos, GETs），正將科幻場景變為現實。

雖然這種技術尚未實現，但全球實驗室——包括作者所在的麻省大學阿默斯特分校實驗室——正在攻關核心技術。電子紋身的潛在價值巨大：它們能幫助追蹤心血管疾病、代謝紊亂、免疫系統異常和神經退行性疾病等複雜健康狀況。當前美國近半數成年人可能正處於這些疾病的早期階段而不自知，長期健康監測技術將改變疾病防控格局（https://professional.heart.org/en/science-news/-/media/453448D7D79948B39D5851D1FF2A0CFE.ashx）。

透過持續監測飲食、運動、環境暴露和心理狀態等致病因素，配合大規模人群長期追蹤研究，我們將獲得變革性的醫療資料，推動精準治療和預防醫學的發展（https://spectrum.ieee.org/tag/vital-signs）。但實現數週、數月乃至數年的持續監測，需要工程學突破——開發普通人願意長期日常使用的平價感測器。

在作者的二維生物電子實驗室，專注於石墨烯等原子級薄層材料的研究（https://kireevlab.com/）。這類材料獨特的導電性、透明度、輕質化和柔韌性，使其成為理想的無創生物監測載體。團隊正在開發適用於化學和生理感測的石墨烯電子紋身（GETs），任何人都能輕鬆貼膚使用。

西北大學John Rogers團隊開創的"表皮電子學"技術，將矽晶片、感測器、LED、天線等集成於超薄貼片，已應用於新生兒重症監護無線感測系統，讓醫護人員和父母都能更安心地照料嬰兒。雖然現有裝置厚度不足1毫米已能滿足醫療需求，但要實現長期佩戴，我們需要更隱形的解決方案。

2017年，德克薩斯大學奧斯汀分校Deji Akinwande和Nanshu Lu教授團隊研發出厚度僅500奈米的石墨烯電子紋身（https://spectrum.ieee.org/graphene-temporary-tattoo）。其使用方法類似兒童臨時紋身：溼潤轉移紙即可將聚合物支撐的石墨烯貼附皮膚。這種單原子層碳材料不僅具備卓越導電性，其超薄特性（約為頭髮直徑的百分之一）更賦予其完美貼合人體曲線的柔韌性，佩戴者幾乎感受不到存在。

針對石墨烯生物相容性的質疑，近年研究證實：透過化學氣相沉積法或雷射誘導法制備的石墨烯（不同於早期研究的氧化石墨烯薄片）具有生物安全性。2024年《自然·奈米技術》論文顯示（https://pubs.acs.org/doi/10.1021/tx400385x），吸入石墨烯氧化物奈米片未引發毒性反應。我們已在數十名受試者中驗證GETs的安全性，未發現皮膚刺激等不良反應（https://www.nature.com/articles/s41565-023-01572-3）。

我們知道，用於製造電子紋身的單原子厚度的石墨烯片是完全生物相容的。這種石墨烯已經被用於神經植入物，沒有任何毒性跡象，甚至可以促進神經細胞的增殖（https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.5b05647）。我們已經在數十名受試者身上測試了基於石墨烯的紋身，他們沒有出現任何副作用，甚至連輕微的皮膚刺激都沒有。

2017年，Akinwande和Lu製造出第一批石墨烯電子紋身（GETs）時，我（作者，以下簡稱我）剛剛在德國於利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）完成生物電子學博士學位的學習。我加入了Akinwande的實驗室，最近又在我自己位於Amherst的實驗室繼續這項工作。我和我的合作者在提高石墨烯電子紋身的效能方面取得了重大進展；2022年我們發表了一份關於2.0版本的報告，並且我們一直在推動這項技術向前發展（https://www.nature.com/articles/s41699-022-00324-6）。

世界衛生組織資料顯示，心血管疾病是全球頭號死因（https://www.who.int/health-topics/cardiovascular-diseases）。長期監測心率和血壓對高危人群至關重要。其致病因素包括飲食、生活方式和環境汙染。對人們心臟活動（特別是心率和血壓）進行長期追蹤，將是一種監測有發病跡象人群的直接方法。我們的電子紋身將非常適合用於這一目的。

測量心率是較為容易的任務，因為當肌肉去極化和復極化以產生每次心跳時，心臟組織會產生明顯的電訊號。為了檢測這種心電圖訊號，我們將一對石墨烯電子紋身放置在人的皮膚上，可以是靠近心臟的胸部，也可以是雙臂上。第三個紋身被放置在其他位置並用作參考點。在所謂的差分放大過程中，放大器接收來自所有三個電極的訊號，但會忽略同時出現在參考電極和測量電極中的訊號，只放大代表兩個測量電極之間差值的訊號。透過這種方式，我們將相關的心臟電活動從人體周圍的電生理噪聲中分離出來。我們一直在使用像OpenBCI這樣的公司生產的現成放大器，這些放大器被封裝成無線裝置。

透過紋身持續測量血壓要困難得多。我們與得克薩斯大學奧斯汀分校的Akinwande以及得克薩斯A&M大學（現就職於麻省理工學院林肯實驗室）的Roozbeh Jafari合作開展了這項工作。令人驚訝的是，如今醫生使用的血壓監測儀與100年前醫生使用的並沒有太大區別。你自己幾乎肯定也使用過這樣的裝置。這種儀器使用一個袖帶，通常綁在上臂上，袖帶充氣對動脈施加壓力，直至暫時阻斷血流，然後袖帶緩慢放氣。在放氣過程中，儀器記錄心臟推動血液透過動脈時的搏動，並測量最高（收縮壓）和最低（舒張壓）壓力。雖然袖帶在醫生辦公室使用效果很好，但它無法在人活動時提供連續讀數或進行測量。在醫院環境中，護士會在夜間叫醒患者來測量血壓，而家用裝置需要使用者積極主動地監測自己的血壓水平。

我們開發了一種新系統，僅使用貼上式石墨烯電子紋身就能持續且不引人注意地測量血壓。正如我們在2022年的一篇論文中所描述的那樣，石墨烯電子紋身並非直接測量壓力（https://www.nature.com/articles/s41565-022-01145-w）。相反，它測量的是生物電阻抗——人體對電流的電阻。我們使用幾個石墨烯電子紋身注入小幅度電流（目前為50微安），電流穿過皮膚到達下方的動脈；位於動脈另一側的石墨烯電子紋身隨後測量組織的阻抗。動脈內富含離子的血液溶液比周圍的脂肪和肌肉導電性更好，所以動脈是注入電流的最低電阻路徑。隨著血液在動脈中流動，其容量會隨著每次心跳而略有變化。這些血容量的變化會改變阻抗水平，然後我們將其與血壓關聯起來。

雖然生物阻抗和血壓之間存在明顯的相關性，但這並非一種線性關係——所以這就輪到機器學習發揮作用了。為了訓練一個模型來理解這種相關性，我們進行了一系列實驗，同時仔細地用石墨烯電子紋身監測實驗物件的生物阻抗，並用指套式裝置監測他們的血壓。當實驗物件進行握力練習、將手浸入冰冷的水中以及做其他改變血壓的任務時，我們記錄了相關資料。

在這些模型訓練實驗中，我們的石墨烯紋身是不可或缺的。生物阻抗可以用任何型別的電極來記錄——帶有一排鋁電極的腕帶就可以完成這項工作。然而，所測量的生物阻抗和血壓之間的相關性非常精確且微妙，僅僅將電極移動幾毫米（就像稍微移動一下腕帶那樣）就會使資料變得毫無用處。在整個記錄過程中，我們的石墨烯紋身將電極保持在完全相同的位置。

一旦我們有了經過訓練的模型，我們就再次使用石墨烯電子紋身錄這些相同受試者的生物阻抗資料，然後從這些資料中推匯出他們的收縮壓、舒張壓和平均血壓。我們透過連續5個多小時測量他們的血壓來測試我們的系統，這一測量時長是之前研究的10倍。測量結果非常令人鼓舞。這些紋身產生的讀數比血壓監測腕帶更準確，並且其效能達到了IEEE可穿戴無袖帶血壓監測儀標準下最高精度等級的標準。

雖然我們對自己取得的進展感到滿意，但仍有更多工作要做。每個人的生物特徵模式都是獨一無二的——一個人的生物阻抗和血壓之間的關係也是因人而異的。所以目前我們必須為每個受試者重新校準系統。我們需要開發更好的數學分析方法，使機器學習模型能夠描述這些訊號之間的一般關係。

一旦我們有了經過訓練的模型，我們就再次使用石墨烯電子紋身記錄這些相同受試者的生物阻抗資料，然後從這些資料中推匯出他們的收縮壓、舒張壓和平均血壓。我們透過連續5個多小時測量他們的血壓來測試我們的系統，這一測量時長是之前研究的10倍。測量結果非常令人鼓舞。這些紋身產生的讀數比血壓監測腕帶更準確，並且其效能達到了IEEE可穿戴無袖帶血壓監測儀標準下最高精度等級的標準（https://standards.ieee.org/ieee/1708/5927/）。

雖然我們對自己取得的進展感到滿意，但仍有更多工作要做。每個人的生物特徵模式都是獨一無二的——一個人的生物阻抗和血壓之間的關係也是因人而異的。所以目前我們必須為每個受試者重新校準系統。我們需要開發更好的數學分析方法，使機器學習模型能夠描述這些訊號之間的一般關係。

在美國心臟協會的支援下，我的實驗室目前正在研究石墨烯電子紋身（GET）的另一項很有前景的應用：測量動脈僵硬度和動脈內斑塊堆積情況，這兩者都是心血管疾病的風險因素。如今，醫生通常使用超聲和磁共振成像（MRI）等診斷工具來檢查動脈僵硬度和斑塊，這些都要求患者前往醫療機構，使用昂貴的裝置，並且依賴訓練有素的專業人員來操作流程和解讀結果。

有了石墨烯電子紋身，醫生能夠輕鬆、快速地對身體多個部位進行測量，從而獲得區域性和整體的情況。由於我們可以將紋身貼在任何地方，我們就能從用當今工具難以觸及的主要動脈（如頸部的頸動脈）獲取測量資料。石墨烯電子紋身還能極快地讀出電測量結果。並且我們相信，我們可以利用機器學習將生物電阻抗測量結果與動脈僵硬度和斑塊相關聯——這只是進行一系列定製實驗並收集必要資料的問題。

將石墨烯電子紋身用於這些測量，將使研究人員能夠更深入地探究動脈僵化和斑塊堆積與高血壓發展之間的關聯。在大量人群中長時間追蹤這些資訊，將有助於臨床醫生了解最終導致重大心臟疾病的問題——或許還能幫助他們找到預防這些疾病的方法。

在另一個工作領域，我的實驗室剛剛開始研發用於汗液生物感測的石墨烯紋身。當人們出汗時，汗液會將鹽分和其他化合物帶到皮膚上，感測器能夠檢測到健康或疾病的標誌物。我們最初聚焦於皮質醇，這是一種與壓力、中風以及內分泌系統多種疾病相關的激素。接下來，我們希望利用我們的紋身來檢測汗液中的其他化合物，如葡萄糖、乳酸、雌激素和炎症標誌物。

一些實驗室已經推出了用於汗液生物感測的無源或有源電子貼片。無源系統使用一種化學指示劑，當它與汗液中的特定成分發生反應時會變色。有源電化學裝置通常使用三個電極，能夠檢測多種濃度範圍的物質併產生準確的資料，但它們需要龐大的電子元件、電池和訊號處理單元。而且這兩種型別的貼片都使用笨重的微流體腔室來收集汗液。

在我們用於汗液檢測的石墨烯電子紋身中，我們將石墨烯用作電晶體。我們透過新增某些分子（如抗體）來修飾石墨烯表面，這些分子被設計用於結合特定目標。當目標物質與抗體相互作用時，會產生一個可測量的電訊號，進而改變石墨烯電晶體的電阻。這種電阻變化會被轉換為讀數，以表明目標分子的存在及其濃度。

我們已經成功開發出獨立的石墨烯生物感測器，它能夠檢測食物毒素、測量鐵蛋白（一種儲存鐵的蛋白質），還能區分新冠病毒和流感病毒（https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.3c07707）。那些獨立的感測器看起來像晶片，我們把它們放在桌面上，然後將液體滴在上面進行實驗。在美國國家科學基金會（U.S. National Science Foundation）的支援下，我們現在正在將這種基於電晶體的感測方法整合到石墨烯電子紋身可穿戴生物感測器中，這種感測器可以貼在皮膚上直接接觸汗液。

我們還透過新增微孔來改進我們的石墨烯電子紋身，以便讓水分傳輸，這樣汗液就不會在石墨烯電子紋身下面積聚並干擾其功能。現在我們正在努力確保有足夠的汗液從汗腺導管流出並進入紋身，從而使目標物質能夠與石墨烯發生反應。

要將我們的技術轉化為使用者友好型產品，存在一些工程方面的挑戰。最重要的是，我們需要弄清楚如何將這些智慧電子紋身整合到現有的電子網路中。目前，我們必須將石墨烯電子紋身連線到標準電子電路上，以提供電流、記錄訊號以及傳輸和處理資訊。這意味著佩戴紋身的人必須與一個微型計算晶片連線，然後這個晶片再無線傳輸資料。在未來的五到十年內，我們希望將電子紋身與智慧手錶整合。這種整合將需要一種混合互連結構，以將柔性的石墨烯紋身連線到智慧手錶的剛性電子元件上。

從長遠來看，我設想二維石墨烯材料將被用於全整合電子電路、電源和通訊模組。像Imec和Intel這樣的微電子巨頭已經在尋求用二維材料而非矽來製造電子電路和節點。

也許20年後，我們將擁有能夠與人體軟組織整合的二維電子電路。想象一下，嵌入皮膚的電子裝置持續監測與健康相關的生物標誌物，並透過細微、使用者友好的顯示屏提供即時反饋。這一進步將為每個人提供一種便捷且無創的方式來獲取資訊並主動管理自身健康，開啟人類自我認知的新時代。