MIT中国研究员一把剪刀制备新型消化道测压仪，每厘米造价1.6元，计划至少开展100人次以上的临床实验

经过 70℃ 高温、7 天生理盐水浸泡、10 多次高温灭菌处理，压力传感器的性能依然保持不变。

而该器件的制备，竟然只需一把剪刀、一管速干硅胶、一根注射器、一圈铜线，再加硅胶导管和液态金属？就凭这些简易工具和材料，居然可以研发出一款压力传感器，并借此发表顶刊论文？是的，麻省理工学院（MIT）研究员南科望和合作者做到了。

图 | 结型压力传感器（quipu-inspired, liquid metal-enabled pressure transducers，QUILT）（来源：Nature Biomedical Engineering）

审稿人评价称：“我惊讶于看上去如此简单的系统，竟可以在医学领域找到有说服力的应用。”

另据悉，南科望曾先后师从两位美国“四院院士”约翰·罗杰斯（John Rogers）和罗伯特·朗格（Robert Langer），今年他即将回到故乡杭州入职浙江大学。

图 | 南科望（右），博士毕业前与导师约翰·罗杰斯（John Rogers）在位于美国伊利诺伊大学香槟校区办公室内的合影（来源：南科望）

此次研究中，该团队研发出一种简单易用、一次性无需消毒、低成本的消化道测压技术，借此开发出一款基于硅胶/液态金属合成材料的结型压力传感器（quipu-inspired, liquid metal-enabled pressure transducers，QUILT）。制备上，每厘米长度的造价仅为 1.6 元，按食道全长计算也不超过 40 元，这远低于同类设备 10 万美金的售价。

如下图，该传感器基于二进制的结传感器编排方式，只需 3 个独立通道，就能分辨来自 7 个不同位置的压力信号，与同类器件相比，其通道数减少一半以上，从而能进一步降低仪器制作成本和硬件要求。南科望表示：“它能推动消化道动力障碍诊断的家庭化和普及化，有望让消化道检测和测体重、测体温一样方便。”

图 | 受奇普结绳记事启发的、基于二进制的结传感器编排方式，可以实现最多 7 个位置的压力空间分辨（来源：Nature Biomedical Engineering）

3 月 21 日，相关论文以《受奇普启发的硅胶/液态金属合成材料的低成本消化道测压仪》（Low-cost gastrointestinal manometry via silicone–liquid-metal pressure transducers resembling a quipu）为题，发表在 Nature Biomedical Engineering 上。第一作者为南科望和萨哈布·巴巴伊（Sahab Babaee）博士。

图 | 相关论文（来源：Nature Biomedical Engineering）

纯手工制作，可广泛用于欠发达地区

人或动物的消化器官，把食物变成、可被机体吸收的养料的这一过程，便叫消化。最近，我们经常能从电视看到三位中国宇航员在空间站的影像。那么你是否也曾好奇，在失重环境中为何宇航员在非直立的情况下，依然能正常吞咽食物？答案就在消化道。消化道是连接口腔和肛门的管道，全长 6 到 9 米，其输送食物并非依靠地心引力，而是靠消化道壁、如同波浪般的蠕动运动完成。

消化道含有约一亿个神经元，堪比人的“第二大脑”，它能下意识地操控肌肉，源源不断地将输送食物。然而，这一复杂系统在运行时难免会出错、即出现消化道动力障碍，进而会引发胃食管反流、胃轻瘫、肠梗阻等疾病。

消化道动力障碍所引起的消化道疾病，已逐渐成为发病率最高的疾病之一。西方统计数据显示，超 30% 的成年人患有至少一种由消化道动力障碍引起的疾病。美国每年在消化道动力障碍相关疾病上的医疗开支，达到惊人的 1300 亿美元。

那么，如何诊断消化道动力障碍？目前医学界公认的诊断手段是高精度消化道测压仪 HRM（high-resolution manometry）。这是细长导管一样的仪器，上面遍布压力传感器，可通过鼻腔、口腔、肛门等深入消化道中，并实时测绘人在吞咽、排泄过程中消化道内压力的空间分布。

图｜高精度消化道测压仪示意图（来源：南科望）

然而，一台 HRM 价格动辄 10 万美金以上，且维护、运行成本较高。为降低成本，一根测压导管往往要被重复使用数百次，这会增大患者交叉感染的概率，甚至会因感染并发症去世。此外，这类仪器的生产、诊断标准目前被西方国家垄断，造成了中国在消化道动力障碍诊断上被“卡脖子”的尴尬现状。

该如何降低消化道测压仪的硬件门槛？南科望等人受到古印加结绳记事法——奇普（quipu）的启发，开发出了本次器件。作为消化道测压仪，QUILT 在动物体内做活体验证后，展现出了与 HRM 相当的优异性能。

更重要的是，纯手工即可制成 QUILT，完全不依赖先进生产设备。使用方法也很简单，在 QUILT 两端接上普通万用表就可以显示压力变化。

如此低廉的造价和使用成本，让 QUILT 可被大量投放于经济较落后的地区。即使在发达国家，其便宜好用的优点也可让消化道测压仪的测压导管、由重复使用变为一次性使用，从而改善传统 HRM 的不足。

南科望表示，三位审稿人都对该工作的创新程度予以高度认可。其中一人说道：“这种类型的压力传感器毫无疑问是独特的，我之前从未见过...... 我为作者从生活中发掘工程创新的热情和奇思妙想感到高兴。”

另外一名有行医背景的审稿人则补充道：“祝贺作者在活体动物模型上取得的成功，验证了该器件的初步功效。期待未来看到更多该系统在人体临床测试中的表现。”

因疫情爆发，被迫回归“原始社会式”科研

在立项初期，该团队原计划基于微纳柔性电路加工技术，去开发高性能的压力传感器，以用于消化道的压力检测。谁料新冠疫情爆发，实验室全面关停，项目几近夭折。无奈之下，他们从实验室翻找出一些简单工具和材料，搬回家中继续研发。

图 | 完成 QUILT 开发的工具和材料（来源：Nature Biomedical Engineering）

这段“回归原始社会”的研发经历，后来被认为是降低 QUILT 成本的关键灵感来源。

研究人员先将导电性能优越的液态金属注入硅胶导管中，并将两端封住制成简易的压力传感器。当导管的某处受到足够大的压力挤压时，该处导管就会受压变形、管内液态金属截面积减小，这会导致导管两端电阻升高，从而实现压力感应。其中使用的液态金属是镓-铟共晶，对人体无害，在不少电商网站均可买到。

尽管满足了制备简单、造价低的要求，但该传感器仍无法作为消化道测压仪使用，因为器件压力灵敏度不高，无法检测人类消化道内不超过 35 千帕的微小压力变化。此外，器件的空间分辨率也比较低，无法区分压力来源的空间位置，而这是诊断消化道疾病时的必备信息。

后来，南科望了解到古印加的结绳记事法奇普（quipu）。这是古印加人运用不同颜色、样式的结进行计数和传递信息的方法。受此启发，他尝试在注有液态金属的硅胶导管上打结。

图 | 古印加结绳记事法—奇普（quipu）（来源：维基百科）

‍图 | 在注有液态金属的硅胶导管上打结（来源：南科望）

这时，神奇的事情发生了，打结区域在受到压力时，其电阻变化率显著提高，是未打结区域的 1000 多倍。空间分辨率也随之提高，并且只有压力作用在管结的正上方，电阻才会显著变化。如此便一举解决了上述问题，也让 QUILT 具备了作为消化道测压仪的条件。

图 | 注有液态金属的硅胶导管打结后，器件的压力灵敏度和空间分辨率显著提高（来源：南科望）

随后，该团队运用有限元力学仿真，进一步研究此现象背后的机理。他们发现，打结不仅能增加导管受压力作用的有效面积，还能减少导管的初始横截面积，使其在受到相同的压力下可以更快闭合，进而显著提高压力灵敏度。

其还发现，不同种类的结、会产生不同的压力灵敏度，变化幅度可超 20 倍，这说明它能应对多场景需求。经过一系列测试，他们最终确定单结（Overhand Knot）是消化道测压仪的最优解，原因是该形状对压力的响应较为线性，受不同方向压力的影响相对较小，并且制备简单。

‍图 | 该团队在测试不同种类的结对压力灵敏度的影响（来源：Nature Biomedical Engineering）

接下来，要对 QUILT 进行压力测试。结果表明，在某些极端环境下的，QUILT 的压力稳定性较强。

‍‍‍图 | QUILT 的压力测试：从左往右依次为：加热、生理盐水浸泡、高温灭菌处理（来源：Nature Biomedical Engineering）

QUILT 的另一大优势是，可通过独特的信号编排方式、并使用较少的独立通道数，去实现指定的空间分辨率。

‍在麻醉的活猪食管内，该团队对 QUILT 和 HRM 进行了基准测试比较，结果发现 QUILT 展示出与 HRM 相近的压力测试精度、误差在 20% 以内。空间分辨率为 0.5 厘米、时间分辨率为 0.14Hz，这两项数据甚至优于 HRM，验证了其作为消化道测压仪的有效性。

‍图 | QUILT 和 HRM 在活猪体内的基准测试，验证了其作为消化道测压仪的有效性（来源：Nature Biomedical Engineering）

计划至少开展 100 人次以上的临床实验

目前，全球潜在消化道动力障碍人口达 19~25 亿，但作为标准诊断手段的消化道测压仪的市场规模在 2021 年仅为 9 亿美元，甚至不及内窥镜市场规模的 3.3%。主要阻碍在于设备价格昂贵、运行维护复杂、诊断标准不统一等。可以想象，在发展中国家和欠发达地区，消化道测压仪的普及率和覆盖率会更低。

而该团队希望 QUILT 可推动消化道动力障碍诊断的家庭化，随着消化道测压仪的普及，伴随而来的另一好处是消化道动力障碍方面医疗大数据的建立，也将促进诊断标准统一、疾病成因研究和机器学习辅助诊断。

都说艺术来源于生活，科学也是同理。五年前，南科望曾去秘鲁旅游，造访了马丘比丘、奥扬泰坦博等古印加遗迹，对古印加文明运用各色各样的绳结记录信息的方式留下了深刻印象，这也是此次依靠绳结改善传感器信息记录的灵感来源。

图 | 南科望在秘鲁（来源：南科望）

基于本次工作，南科望正在和 MIT 人工智能实验室（CSAIL，Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory）的合作者开发低成本、高时空分辨率的可穿戴柔性压力传感阵列器件，并结合机器学习算法改善消化道运动障碍的诊断。

同时，他也在和美国哈佛医学院附属的布莱根妇女医院展开合作，计划至少开展 100 人次以上的临床实验，以验证该器件的临床转化潜力。

先后师从两位美国四院院士，本科就已发表三篇 SCI 论文

据介绍，南科望是浙江杭州人。出生在教师之家，父母均为高校老师。受此影响，他从小就对理工科展现出浓厚兴趣，初中就开始学习科研写作，决心追随父母脚步成为一名科研工作者。

高中从杭州外国语学校毕业后，入学“南方哈佛”——美国莱斯大学材料工程系读本科，期间发表 3 篇科研论文，同时获得该校工学校友会 Senior Merit Award，该奖项每届每专业仅授予一人。

本科毕业后，他加入伊利诺伊大学香槟分校约翰·罗杰斯（John Rogers）教授课题组攻读机械工程博士，从事具有仿生特性的三维柔性电路在生物医学传感领域的研究。

罗杰斯教授是美国国家工程院、科学院、发明院和医学院的四院院士，曾是贝尔实验室凝聚态物理研究所有史以来最年轻的主任，也是美国跨领域最高奖项之一麦克阿瑟天才奖的得主。尽管荣誉等身，他仍然每天早晨 4 点起床投入工作，数十年如一日，甚至在平安夜当晚还会发回修改后的论文手稿。南科望被这种近乎“疯狂”的工作态度深深感染，仅用四年半便获得博士学位，还获得了国家优秀自费留学生奖学金等荣誉。

博士毕业后，他先后在哈佛大学和 MIT 从事博后研究，并于 2021 年晋升为研究员。同时他还在 David H. Koch 癌症研究中心和哈佛医学院附属的布莱根妇女医院兼职。

目前，其导师是乔瓦尼·特拉弗索（Giovanni Traverso）教授和美国四院院士罗伯特·朗格（Robert Langer）教授。后者是美国新冠疫苗公司 Moderna 的创立人之一，也是有史以来论文总被引量最高的工科教授。

赴美求学 11 年，所学专业从材料变成机械、再到生物医学工程，发表二十余篇著作论文，申请美国专利两项……回看这一路，南科望觉得自己是幸运的。

2022 年底，他即将入职浙江大学组建自己的实验室，研究方向主要为柔性电子在生物医疗传感、脑机接口、药械结合等方面的应用。

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参考：

1、Nan, K., Babaee, S., Chan, W.W. et al. Low-cost gastrointestinal manometry via silicone–liquid-metal pressure transducers resembling a quipu. Nat. Biomed. Eng (2022). https://doi.org/10.1038/s41551-022-00859-5