苹果手表无创测血糖的背后，可能隐藏了半导体国产替代的新机会

2023-03-07 10:03

作者：Levin

物联网智库原创

导读

据爆料，苹果公司利用硅光技术实现了“无创”测血糖，未来还可以搭载到智能手表当中。

近日，根据苹果知名爆料人Mark Gurman和其他知情者的说法，苹果公司在人体血糖监测上取得了一个突破性进展，实现了无创血糖监测，并且还实现了设备的初步小型化。

据国际权威数据，当前全球有超过5亿成年人有糖尿病，需要注意饮食和运动，时刻关注血液中葡萄糖的含量，一旦血糖过高，这些患者就会出现健康问题，甚至危及生命。不过，以当前的医疗科技水平来说，长期监测血糖含量还没有特别高科技的方法，“扎针” 是目前最普遍和有效的方法。虽然有一些新技术出现，例如将设备通过软针插到上臂就可以持续监测血糖变化，但“扎针”这一步骤依旧不可避免。

无创血糖监测有望搭载至苹果手表

按照知情人的说法，苹果工程师正在开发一种大小和iPhone类似的原型设备，可以绑在肱二头肌上，不用“扎针”就可以在用户处于糖尿病前期时发出警告。相比于设备体积的缩小，“无创”具有更重要的意义，可以大幅度减轻糖尿病患者的痛苦。根据消息，苹果内部人士称，这个被称作“E5”的项目希望在不刺破人体皮肤来取血的情况下连续测量体内的葡萄糖含量，在数百人身上对比测试后，苹果证明其无创检测血糖的技术方向可行，而苹果的最终目标是将血糖监测系统添加到Apple Watch上。

2014年9月时，第一代Apple Watch正式对外公布。当时，Apple Watch还必须配合iPhone来使用，相当于iPhone的一个配件。如今，Apple Watch已经发展到了第八代，可以配合eSIM当做独立设备使用，而且ECG心电图、心脏健康、血氧监测等健康功能也逐步落地，让手表“不仅仅只是手表”。如果关于血糖监测系统的最终目标能够实现，意味着苹果手表将从让你更时尚的“可选消费品”变成全球大多数糖尿病患者的“必需品”。

据了解，“无创”的血糖监测系统主要依赖苹果设计的硅光芯片和传感器，利用光的反射来检测血糖含量，具体来说：特定波长的光线能够透过皮肤，而在皮肤下方有组织液的区域内，有从毛细血管中渗透出来的、与血糖有关的物质，光照射到这些物质上会反射回来，而波长和强度根据遇到的物质不同而不同，最后，传感器收集光信号，再利用特定的算法来估算血糖含量。

不过，利用这种方式来估测血糖，可能受到很多因素的影响，因此苹果内部将自己研发的无创且持续血糖监测技术视为一种 “预防措施”，用来提醒那些可能有糖尿病或者糖尿病早期患者持续健康饮食、合理运动。至少从1975年开始，研究人员就一直在研究监测血糖水平的方法。到现在为止，即使花费了数亿美元，人类至今还没有造出一种在临床或商业上可行的产品，能够足够准确地持续监测血糖。而经过超12年时间的秘密打造，苹果研发的系统现在已经进入了概念验证阶段，同时苹果公司认为该技术是可行的，但实际大规模推广使用需要缩小到更加实用的尺寸才行。如果功能和体积能得到进一步完善，这项突破将是糖尿病患者的福音，同时有助于巩固苹果在医疗健康领域的地位。

值得一提的是，研究出这一技术的部门是被誉为苹果最隐蔽的团队——探索性设计小组(XDG)，该小组隶属于苹果硬件技术团队，与苹果传统部门不同的是，XDG被允许以更大的财务自由来探索一切可能性，他们似乎不需要给出最后的产品，而是将验证一个想法是否可行作为工作的目标。XDG中有数百名工程师，但在XDG内从事一个项目的人员，却不能和XDG内另一个项目的员工交流工作。

与Alphabet旗下的“登月工厂”部门一样，XDG负责许多颇具创意的项目。2015年，XDG开启了无创血糖检测的项目，成为XDG最重要的项目之一。2019年时，苹果手表的销量超过了出现了百年的整个瑞士手表行业。与此同时，苹果手表历年来新功能的推出还带动了各类竞品的争相模仿，如有心率检测、ECG等功能的手环和智能手表。而未来苹果手表上的无创、可持续检测血糖功能，或许也会经历同样的过程。

苹果手表背后的“未来芯片”

在当前的血糖监测领域，国际上更推荐的方法是CGM（Continuous Glucose Monitoring，连续血糖监测），该方案通过通过植入皮下感应器24小时连续监测葡萄糖水平，并将其中的数据发送到电脑，以软件分析患者的血糖状况。

而早在2010年完成对RareLight的收购后，苹果就开始研究替代性的血糖监控技术，采取的是完全区别于传统采血测量的“光学吸收光谱”（Optical Absorption Spectroscopy）技术，“无创”更是依赖于苹果设计的硅光芯片和传感器。

如果未来真正可以将硅光芯片集成到苹果手表当中，这一应用将成为硅光技术从工业市场“下沉”到消费电子市场的成功案例，硅光技术也将实实在在融入到生活中的方方面面，在医疗健康、高性能计算、智慧生活等方面为社会发展提供助力。

相比于使用晶体管的传统芯片来说，硅光芯片设计的核心是用“光”来代替“电”，利用硅光子技术将光电功能通过半导体工艺集成到硅基芯片中，当电流流到转换模块时，通过光电效应把电信号转换为光信号，进而发射到电路板上铺设的超细光纤中，当光信号到另一块芯片后再转换为电信号，提升芯片间的连接速度。与主要依赖于普通硅材料不同，硅光子技术采用的基础材料是玻璃。由于光对于玻璃来说是透明的，不会发生干扰现象，理论上可以通过在玻璃中集成光波导通路来传输信号，很适合于计算机内部和多核之间的大规模通信。

其实，“以光代电”的产品在日常生活中已经很常见，例如光纤就是用光信号传播取代早期的铜缆传播电信号，极大提升了网络的带宽。不过，如果仅使用光信号来通信，会大大受限于光学设备的体积，很难把复杂的光电转换模块缩小到纳米尺寸，在芯片级的尺度上使用。虽然在实验室中不断有突破出现，但良率和成本始终无法达到量产的要求，同时，PCIe等总线技术的发展使得带宽不断提高，也让这条技术路线淡出了大家的视线。

不过，随着集成电路的制程已经接近摩尔定律的极限，硅光子技术又重新走入了厂商的视线。硅光子技术最大的优势在于拥有相当高的传输速率，可使处理器内核之间的数据传输速度快100倍甚至更高。此外，用光代替电进行信息传输，功耗也远低于传统方式，对散热的要求大幅度降低。

从时间上来看，2019年后是硅光发展的起飞阶段，各大厂商逐渐把过去几十年的学术成果开始往产业上转移，开启了真正意义上硅光子技术的批量生产。根据英特尔的硅光子产业发展规划，硅光模块产业已经进入快速发展期，而英特尔作为硅光子领域的“带头人”，他们的硅光产品也最早脱离实验室，以批量生产的方式交付给客户。

从应用的角度来看，除了可穿戴设备之外，硅光技术在未来的应用主要还有以下几个方面：

云计算

硅光技术不仅能大幅提高芯片互联带宽，还远比传统电路节省能源和散热需求，对云计算产业意义重大。当芯片间信号通路改用光路后，大量芯片的联合计算性能会成倍增长，同时总体能耗明显下降，大大提高了服务器集群的效率。在云计算与大数据方面，400G、800G的高速光模块也将持续推动云计算数据中心建设，满足大量数据交换需求。

激光雷达

在自动驾驶方面，硅光芯片的的应用目前主要集中于激光雷达方向。车载激光雷达技术需要多路激光发射和接收，所以对于多路信号控制十分依赖，而这恰恰是硅光芯片的优势，高度集成性和电光效应相位调谐能力使得它非常适宜在车载激光雷达上取代传统芯片。

量子计算

在量子通信领域，硅光芯片则凭借其特性实现了对纠缠态光子的操纵控制。2021年7月时，中国科大教授潘建伟、张军等联合浙江大学储涛教授研究组，就通过研制硅基光子集成芯片和优化实时后处理，实现了速率高达18.8Gbps的实时量子随机数发生器。

5G承载网络一般分为城域接入层、城域汇聚层、城域核心层/省内干线等，可以实现5G业务的前传、中传和回传功能，但实现不同的功能特性需要采用不同规格的光模块和光芯片。光模块不仅是5G网络物理层的基础构成单元，也是基站和传输设备中的核心部件，可以满足5G时代针对无人驾驶、VR、远程医疗等领域对通信的速率和时延的更高要求。

各国都在硅光芯片领域“备战”