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为了研究出合乎未来发展趋势的先锋技术，采用智能隐形眼镜与植入式镜片来诊断、监测并治疗各类疾病，工程师们可谓殚精竭虑。两家全球最大跨国公司的声明，让人们开始关注这项新技术。谷歌旗下现名Verily生命科学的公司，以及瑞士制药巨头诺华制药下属的眼部护理部门爱尔康，针对糖尿病患者联合设计开发智能隐形眼镜，并进行商业化。如果该项目能达成既定的目标，那么在日常生活中，糖尿病患者就不必再通过扎破手指的方式来测量血糖值了；这些采用嵌入式微电子技术的镜片，会利用眼镜佩戴者的眼泪来测定其血糖情况。
除了Verily和爱尔康，其他机构也在推进智能镜片技术的发展。在全球的许多实验室中，生物工程师们在用于诊断疾病的智能镜片研发以及无干扰地连续监测病情方面，早已取得了长足进步。实际上，已有两款智能隐形眼镜产品进军欧洲市场，帮助治疗青光眼（全球发病率最高的眼病之一）。
所有的工作都基于两类基本的智能镜片：隐形眼镜（与用于视力矫正的镜片相似）和人工晶体（可通过手术植入眼内）。很明显，前者用指尖就可以放入眼中，因此很容易佩戴；这类镜片也允许使用更多型号的物理与生物型微传感器，因为传感器磨损后可以更换镜片。而人工晶体可以在无须患者采取任何行动的前提下实现长期监测。
只在显微镜下可见或是半透明的新型柔性电子元件的问世，或许有利于生产这两类镜片。材料科学的进步，使得运用水凝胶等材料制作镜片成为可能。水凝胶可以承受眼部运动所产生的压力，同时可以透过氧气，滋养眼睛。虽然依然存在严峻的技术挑战，但我们已开始探索人类的眼睛——不是为了得到情感暗示，而是为了获取医学启示。
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为了让患者佩戴舒适，眼球内部或覆盖在眼球上的智能镜片的直径应在14毫米左右、厚度在100~200微米之间。这个小小的弯曲盘状物必须集成传感器与微电子电路，管理电耗情况、控制传感器的运行，并向外部设备（如智能手机）传递传感器读数。在使用这些微型镜片时，如何确保电源供应及传感器读数的可靠性，是最大的挑战。
对附着在人类眼球上的一片薄薄的塑料片进行充电可不是一个简单的任务。传统的电池体积过大，并且必须重新设计它们的封装方式，以确保不会泄漏任何会伤害佩戴者的化学物质。因此，无线能量传输装置显得更加有吸引力。但无线能量传输的一大缺陷是，电源必须贴近镜片，通常只有几厘米的距离。为了谨慎地解决这一问题，一些试验系统（包括在瑞士南部应用科技大学内，由我的实验室所研发的系统）把功率发射器镶嵌在镜框中。
近场电感耦合是无线传输能量最方便的途径；通过基座给电动牙刷充电，以及通过星巴克的充电板给智能耳机充电，利用的都是这种方法。对于智能镜片来说，传输线圈可以置于眼镜中，而接收线圈可以嵌在靠近镜片外环的位置。近场电感耦合的工作频率低，通常只有几兆赫，因此电力传输不会威胁到眼部组织。一些实验室采用远场电感耦合进行试验，通过微波向镜片传送功率。但是这些系统所需的工作频率较高（通常有几千兆赫），需要一些防范措施才能不破坏眼部组织。
一种更具前景的方式是让镜片自己供电。在比利时根特大学，赫伯特•德斯梅特（Herbert De Smet）的实验室已经成功将一些迷你光伏电池置入镜片，用于收集太阳能。还有一些研究人员正在探索如何使用压电元件将眼部运动所产生的振动转变为电能。例如，近期三星公司申请了一项关于压电式智能镜片的专利。另一个比较前卫的想法是使用燃料电池，将人类眼泪中的化学物质转化为电力。当然，要将这些前卫的电力技术真正运用到现实生活中，还需要一段时间。
在设计智能镜片生物传感器的过程中，又出现了另一项挑战。智能隐形眼镜（尤其是一次性镜片）需要精确度高但制造成本低的传感器；而可折叠的智能人工晶体所需的传感器，应该能够在眼内持续运行至少10年，以避免反复手术。借助酶促反应检测生物标记物（如眼液中的葡萄糖或乳酸盐）的生物传感器无法长时间有效，因为此类传感器的酶活性会随着时间的推移而降低。因此，一些研究团队致力于纳米级生物传感器的研究，将数百个甚至是数千个传感器嵌入一个镜片中，从而延长镜片的使用寿命。最终，纳米级传感器可以实现足够的灵敏度，能够检测出目标化学物的单个分子；一根石墨烯银纳米线的直径和一个葡萄糖分子的直径差不多。
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对于全世界4.22亿糖尿病患者来说，配有微传感器、可持续测量葡萄糖水平的智能隐形眼镜是一项能够改变命运的技术。在今天，大部分的糖尿病患者每天要多次扎破手指来测量体内的血糖情况——这是一件必须要做的事，因为血糖水平会随着饮食、运动及其他日常活动的进行而产生波动。甚至是那些利用皮下电极进行持续监测的血糖监视器，也需要患者每天多次扎破手指进行校正。谷歌在2014年宣布启动其智能镜片研发项目时，项目负责人指出，一些糖尿病患者把自己每天的血糖管理比喻为“一项兼职工作”。
隐形眼镜可以通过滋润眼球的泪液看到人体内部的情况。在糖尿病的监测方面，大部分智能镜片都采用传感器来测量基础泪液中的葡萄糖浓度。眼泪可以滋润眼角膜，清洗眼角膜上积攒的灰尘。
为了通过眼泪测量葡萄糖水平，人们已经研发出了多种传感器。其中最为著名的便是巴巴可•帕尔维兹（Babak Parviz）所设计的电化学传感器；设计该传感器时他是华盛顿大学的一名电气工程教授，后来成为谷歌公司的一名董事，启动了Verily-爱尔康的智能镜片项目。该传感器采用酶来催化葡萄糖，生成过氧化氢，过氧化氢随后在电极上进行氧化，释放电子，形成的电流与葡萄糖浓度成正比。
而其他类型的传感器采用荧光粒子或胶态晶体粒子，提供一个光学读数，显示当前的葡萄糖含量。例如，使用者可以照着镜子查看智能镜片上一些小点的颜色。
在这些技术转变为商用产品前，研究人员依然需要解答若干个科学问题。第一个问题与基础泪液中的微量葡萄糖有关：一般来说，泪液中的糖水平大约在0.1到0.6毫摩尔之间，而血液中的糖水平大约在4到6毫摩尔。因此，一些研究人员认为泪液所包含的信息不足以监测糖尿病患者的病情。另一些人利用质谱分析法检测泪液的研究成果进行反驳（质谱分析法是分析化学的黄金标准），强调泪液中的糖水平虽然很低，但是十分稳定。可惜的是，我们不可能将一台质谱仪放到智能镜片上，且生物化学传感器的精准度也无法与质谱分析法相媲美。
科学家们的另一个争论点是血液与泪液糖水平的相关性。动物实验结果表明，当血液中的糖水平出现波动时，泪液中的糖水平上升或下降的平均迟延时间为13分钟。如果这种延迟是稳定的，那么这种关联关系就可以用于智能镜片系统的校准过程。但是，如果延迟时间是不稳定的，那就很难去构建一个能让糖尿病患者信赖的泪液监测系统了。
此外，泪液分为3种，即能够滋润眼部的基础泪液、眼部刺激造成的泪液，以及因为情感触动而流出的发自肺腑的泪液。对于它们的化学成分，人们也有疑问：这3种泪液的糖含量有很大的差异吗？如果差异很大，那么当使用者开始哭泣或是眼睛进入灰尘等异物时，葡萄糖读数就会突升或骤降。
尽管存在上述这些悬而未决的问题，智能隐形眼镜在医学监测方面依然显示出巨大的潜力。实际上，除了葡萄糖，研究人员也已开始对眼睛中的其他物质进行研究，可能用于诊断其他疾病。例如，泪液中的乳酸盐是败血症的早期征兆，这种急性传染病是医院中的常见杀手。
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一般来说，青光眼患者首先会失去周边视觉，然后黑暗逐渐侵袭他的视觉世界。世界上有6700万人正遭受着青光眼的折磨，这一疾病也是造成不可逆的视力损失与失明的主要原因。最先进入商业化市场的两种智能镜片产品，分别是能够帮助患者应对这一灾难性疾病的隐形眼镜和植入式镜片。
医生们都知道，较高的眼压（IOP）会破坏视神经，是青光眼的最大风险因素。目前，眼科医师在视力检查过程中，使用一种叫做眼压计的工具来测量眼压；这种眼压计会向眼内输送一股空气，或是向经过麻醉的眼球表面按压一枚探针。要想长期监测眼压，患者就需要反复寻医就诊，这给患者有效控制疾病带来了不便。
智能镜片的效果会更好，因为它们采用嵌入式传感器持续地测量眼压。对于健康的人类眼睛来说，眼压应在1300到2800帕斯卡；而患有眼疾的人，眼压在500到6500帕斯卡之间。此外，一个人的眼压会随着眼睛的生理节律而波动，通常，人在夜晚躺在床上时，眼压达到最高值。对于眼科医生来说，获取24小时的有效眼压读数是很有价值的，因为这一读数可以真实地反应出患者的眼压情况。
针对青光眼的商业化隐形眼镜来自总部设在瑞士洛桑市的Sensimed公司。该公司生产的Triggerfish镜片已经在33个国家投入使用，最近获得了美国的监管审批。这种柔性的一次性镜片采用压阻式应变传感器来测量眼压。当眼角膜受到泪液从内向外的压迫而进行伸展时，传感器可检测到眼角膜尺寸的细微变化；24小时内，镜片每隔5分钟获取一次压力读数。镜片利用近场感应，以无线形式向接收器传输数据，接收器被安置在环绕着患者眼部的一条黏性胶带内。一根电线将接收器与患者佩戴的记录装置连接起来（记录装置被放在患者脖子周围的袋子中）。
利用Sensimed公司的设备，医生可对潜在青光眼患者以及青光眼患者进行诊断和定期检查，追踪病情进展。迄今为止，这就是Triggerfish镜片在其应用领域的终点；该系统太笨重，无法长期佩戴。
世界上首款植入眼内的商业化智能镜片是来自德国汉诺威公司的植入式眼科产品，其Eyemate镜片于2017年5月在欧洲通过了监管审批。尽管与日抛镜片相比，需要通过手术进行植入的镜片似乎没那么方便，但手术并不是主要的劣势。镜片植入可以在常规的白内障手术（每年都有数百万人接受的快速外科手术）中进行。在手术中，眼睛会被切开一个小口，因白内障而变得浑浊的晶体被取出来，然后用一个人工晶体进行替换。这个晶体位于虹膜色环的后方，因此是看不到的。青光眼患者接受该手术时，可以植入内置压力传感器及微电子元件的Eyemate人工晶体。然后患者将带着一个手提装置回家，定期把它举起来放在眼前，收集已记录的眼压数据，并通过电感耦合对人工晶体进行充电。
即便如此，既然智能隐形眼镜能更方便地解决疾病带来的难题，何必去考虑手术植入呢？最明显的原因在于，植入式镜片能够实现长期监测，而不仅仅只是24小时的监测。另一个主要原因是精确性：Triggerfish隐形眼镜通过测量眼角膜的变形程度，然后将测量数据与眼压值进行关联，间接测量眼压，这是Triggerfish的劣势之一，因为这一关联程序会导致误差的出现。相比之下，Eyemate人工晶体能够直接测量出眼压的具体数值，生成更精确的数据。该晶状体上配置的8个小型压力传感器类似于平板电容器。每一个传感器均有一个刚性平板以及一个柔性膜片。当眼内的压力推动该膜片，使其更接近平板时，传感器的总电容量就会改变，然后生成一个模拟信号，在芯片上转化为数字信号。
在我的实验室中，我们一直在用智能人工晶体进行试验，用于青光眼监测及其他应用领域。通过压阻式应变传感器，我们的人工晶体可以直接测量眼压；此类传感器配有一些能够在压力作用下进行伸展的电导体，因此可以改变电阻，显示眼压读数。此外，我们还利用一个植入晶体来检测眼房水（充满了眼角膜后方眼房的液体）内的葡萄糖浓度。但我们所尝试的生物化学型传感器持续时间短，在长期使用方面不具备实用性。
尽管智能隐形眼镜与人工晶体仍面临着严峻的科技挑战，但其在疾病诊断监测方面的潜力确保了研究工作将会继续进行。再过10年，你将会看到用于医疗领域的各类智能隐形眼镜产品被推出。同时，世界各地的研究人员也会继续探索眼泪中的生物标记物，研发新的能量采集与贮存技术，制作新型的柔性电子器件，打造出更可靠的生物传感器。还有一些研究人员也在研究设计镜片，试图利用微流体元件来按需输送药物，治疗疾病。随着新技术的问世，我们对人体生物学的理解将会达到前所未有的高度。
医学范畴外的启示
医学领域是智能镜片最迫切、最明显的应用领域，但该技术最终可能会带来更广泛的影响。当生物工程师们发现了适于制造镜片的材料，并解决了封装和供电等相关问题后，该技术可面向的潜在消费者就可能会被重新定义。
Verily生命科学公司和爱尔康启动了一项与视力纠正相关的智能镜片研发项目，与糖尿病监测项目同期进行。两家公司联手，共同研究自动对焦镜片，使佩戴者的视线可聚焦在近处物体上，取代上年纪的人常用的老花镜。
带有一个显示屏的智能镜片甚至有可能打开一个更大的市场。这些镜片可以让使用者体验增强现实，其中的虚拟数据可以与佩戴者的自然视角相互重叠。科技公司认识到了该领域的潜力。例如，三星公司在2016年为配有一个显示屏与摄像头的智能镜片申请了专利。不同的眨眼模式可以让佩戴者捕捉到任意视图，然后将该信息发送至智能手机。
作者： Diego Barrettino
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