新型可穿戴设备揭开人体出汗底层机制
人体出汗看似平常，却隐藏着复杂而精密的生理调控机制。汗液不仅负责散热和维持体温平衡，还能反映人体的水合状态、情绪变化乃至健康水平。过去十多年，研究人员开发了大量可穿戴汗液传感器，用于分析汗液成分与出汗速率，但这些设备测到的往往只是“最终流出来的汗”。真正驱动出汗的核心过程：单个汗腺何时启动、如何喷发、一次释放多少汗液，始终难以被实时观察，尤其是在运动等动态场景下，更缺乏直接、连续的监测手段。
近日，美国加州大学伯克利分校Ali Javey教授课题组开发出一种“光学—电学一体化”可穿戴皮肤传感平台。该系统将显微成像、电导测量与微流控汗液分析集成在同一设备中，首次实现了对汗腺微观分泌行为的实时原位观测。研究发现，皮肤电导信号中的瞬时尖峰，其实对应着汗腺一次次离散的“爆发式出汗”事件；而且随着运动强度增加，人体并非简单地“更多出汗”，而是通过提高汗腺爆发频率、并进一步调节单次出汗量来完成精细控制。这项工作不仅揭示了汗腺工作的底层规律，也为未来可穿戴健康监测、汗液疾病诊断和情绪状态分析提供了全新方向。相关成果以“Wearable optical–electrical skin sensing platform for sweat gland dynamics monitoring”为题发表在《Nature Sensors》上，Yifei Zhan, Seung-Rok Kim, Youngho Song.为共同第一作者。
Yifei Zhan
研究团队首先构建了一个全新的三模态可穿戴平台，可以同时完成皮肤电导（SkinG）记录、汗腺显微观察以及汗液流速测量（图1a）。整个设备由显微摄像头、螺旋电极以及微流控模块组成，被固定在一个轻量化穿戴结构中（图1b-1d）。佩戴时，摄像头会对准皮肤表面，实时拍摄汗腺活动；电极则同步记录皮肤电导变化；微流控模块则负责定量测量汗液流速。为了保证成像质量，设备周围还集成了一圈LED照明系统。真正巧妙之处在于，这三种信号实现了完全同步。研究人员发现，当皮肤处于平静状态时，显微镜下几乎看不到汗液，而皮肤电导也保持稳定；但一旦汗腺突然释放汗液，皮肤表面会立刻出现细小汗滴，与此同时，皮肤电导信号会同步出现一个明显尖峰（图1e）。也就是说，过去只能间接推测的“汗腺活动”，如今第一次被直接拍摄了下来。
图1：展示可穿戴光学—电学汗液监测平台的整体结构，包括显微成像、电导测量与微流控汗液检测模块，并展示汗腺爆发与皮肤电导同步变化现象。
为了验证这一关系，研究人员在受试者静息状态下进行了同步测试（图2a）。实验过程中，受试者完成精神刺激任务，而设备则实时监测手指部位的汗腺活动和皮肤电导变化。结果显示，在180秒的记录中，皮肤电导曲线出现了两个明显尖峰（图2b）。更关键的是，显微图像揭示了这些尖峰背后的真实来源。在最初0秒时，皮肤表面完全干燥；到了60秒，随着第一个电导尖峰出现，皮肤表面突然冒出多个微小汗滴（图2c）。随后，当电导信号逐渐回落时，汗滴又迅速蒸发消失，皮肤重新恢复干燥状态。130秒时，第二轮汗腺爆发再次发生，并对应着另一组电导尖峰。这一结果首次以“看得见”的方式证明：皮肤电导中的瞬态尖峰，本质上就是汗腺爆发式分泌的电学信号。更有意思的是，研究团队还观察到不同汗腺之间存在明显差异。例如，某些汗腺会连续两次参与分泌，而另一些汗腺只在第一次刺激时响应（图2c）。这说明，即使在极小的局部区域内，不同汗腺对神经刺激的响应也并不一致，提示人体汗液调控可能远比想象中更加精细。
图2：在静息状态下，实时观察汗腺爆发与皮肤电导尖峰之间的对应关系，首次直接拍摄到汗腺分泌瞬间。
接下来，研究人员进一步探究：皮肤电导尖峰的大小，是否能够反映汗腺实际参与的程度。为此，他们利用计算机视觉算法自动识别显微图像中的“活跃汗腺”，并统计单位面积内发生爆发的汗腺数量（图3a）。结果发现，参与爆发的汗腺越多，皮肤电导尖峰幅度就越高。当只有少量汗腺工作时，电导尖峰较弱；而大量汗腺同时分泌时，则会形成明显更强的电信号。经过50分钟定量分析后，研究团队得到了一个高度线性的关系：汗腺爆发密度与皮肤电导尖峰幅值之间的相关系数高达R²=0.92（图3b）。
图3：分析汗腺爆发密度与皮肤电导尖峰幅值之间的关系，证明参与工作的汗腺越多，电导信号越强。
如果说静息实验验证了机制，那么运动场景则是真正考验可穿戴设备性能的关键。因为运动过程中，人体会持续晃动、出汗增加，同时环境变化也更加复杂。为此，研究人员让受试者在室内自行车上进行骑行测试，并将设备佩戴在手腕部位（图4a）。此前研究表明，手腕更适合在运动过程中测量皮肤电导。研究人员发现，即使在运动过程中，汗液也并不是连续流出的，而依然表现为“离散式爆发”。在0秒时，汗腺处于安静状态；到了7秒，某个汗腺突然喷出汗液，同时电导曲线立即出现尖峰（图4b、4c）。随后汗液蒸发，电导回落；19秒时，同一个汗腺再次发生爆发，并再次对应新的电导峰值。这意味着，无论静息还是运动，汗腺工作的基本模式始终一致：并非持续渗出，而是一次次脉冲式释放。
图4：在骑行运动过程中，观察到汗腺依然以离散式“爆发”方式分泌汗液，并与电导尖峰同步对应。
随后，研究团队进行了更长时间的运动实验。受试者以20 km/h速度持续骑行30分钟，同时记录汗腺爆发频率和皮肤电导变化（图5a）。结果发现，在运动开始后，汗腺活动迅速增强，爆发频率快速上升，并在约10分钟后趋于饱和。皮肤电导尖峰频率则几乎完全同步变化。定量分析显示，皮肤电导尖峰频率与汗腺爆发频率之间存在极强线性关系，相关系数达到R²=0.94（图5b）。而在10位受试者的重复实验中，这一规律依然稳定存在，总体相关系数达到R²=0.92（图5c）。换句话说，仅通过简单测量皮肤电导，未来或许就能实时推测人体汗腺的实际活动状态。
图5：运动实验中，汗腺爆发频率与皮肤电导尖峰频率高度线性相关，且该规律在多位受试者中均成立。
研究团队并未止步于“汗腺是否工作”，而是进一步提出一个更深层的问题：人体在高强度运动时，到底如何增加出汗量？为了解答这一问题，他们同步记录了汗液流速、皮肤电导以及汗腺平均爆发频率（图6a）。结果发现，在运动初期，随着出汗量增加，汗腺爆发频率迅速上升；但约10分钟后，爆发频率便达到平台期，不再明显增加。然而此时，总体汗液流速却还在持续增长。这说明，人体并不是单纯依靠“更频繁地爆发”来增加汗液，而是启动了另一种调控方式。进一步分析后，研究团队计算了每次汗腺爆发对应的“单位汗液体积”（burst volume）。结果发现，在高出汗阶段，虽然爆发频率变化不大，但单次爆发释放的汗液体积却持续增加（图6c）。
图6：揭示人体调控出汗的“双模式机制”：先提高汗腺爆发频率，再增加单次爆发的汗液体积，以满足更高散热需求。
小结与展望
研究团队表示，这种可穿戴光学—电学汗液监测平台，为实时研究单个汗腺动态打开了全新窗口。未来，如果进一步缩小光学模块和电子系统尺寸，设备有望发展成柔性贴片，实现长期、无感化连续监测，用于多汗症、无汗症等疾病诊断。此外，该平台还可能拓展到汗液成分分析，例如同步检测钠离子、乳酸、皮质醇等指标，从而构建更全面的人体生理监测系统。
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