代谢率是评估人体生理状态的关键指标，当前主流的代谢监测手段却存在诸多局限：直接测热法难以适配运动等动态场景，基于呼吸分析的间接测热法需佩戴密封呼吸面罩，不仅操作繁琐，还无法实现进食、睡眠等日常场景的连续监测。同时，皮肤作为人体重要的生理界面，其释放的 CO₂与全身代谢的定量关联尚未被探明，缺乏可穿戴的皮肤 CO₂检测技术，成为无创连续代谢监测领域的核心研究挑战。

    加州大学伯克利分校团队研发出可穿戴皮肤 CO₂嗅探系统，核心采用商用光声 CO₂传感器（SCD41） 搭配定制无线 PCB 电路板，通过3D 打印制作半开放检测腔体（刚性部件用数字 ABS 混合材料、皮肤接触端用 Agilus30 Clear 软材料），辅以 VHB 双面胶密封定型；核心工艺结合光声传感原理与有限元法（FEM）仿真，前者通过红外 LED 与麦克风捕捉 CO₂振动吸收产生的压力波实现检测，后者完成腔体 CO₂浓度到皮肤 CO₂通量的定量转换；核心策略是搭建半开放腔体的可穿戴检测装置，通过人体试验同步测量皮肤 CO₂、呼出 CO₂与代谢率，建立三者间的定量关联，实现以皮肤 CO₂为指标的无创代谢监测。

可穿戴皮肤 CO₂嗅探装置设计与初步验证

    装置集成了 CO₂传感器、无线 PCB、3D 打印半开放腔体，整体实现微型化、可穿戴化（图A）。光声传感与半开放腔体的工作机制：腔体富集皮肤释放的低通量 CO₂，通风口避免气体饱和，传感器通过红外激发与麦克风检测实现 CO₂定量（图B）。通过定功率骑行试验，首次实现皮肤 CO₂动态监测，发现其随运动功率提升而升高，运动后恢复至静息水平，呈现与代谢活动匹配的变化趋势（图D）。

有限元法（FEM）仿真实现皮肤 CO₂通量定量表征

    稳态下半开放腔体的 CO₂浓度分布仿真结果，明确了 136 nmol m⁻² s⁻¹ 通量下腔体的 CO₂富集规律（图A）。对比封闭与半开放腔体的 CO₂动态变化，封闭腔体 CO₂持续累积，半开放腔体可达到稳定状态，且实测数据与仿真结果高度吻合（图B）。通过仿真建立了皮肤 CO₂通量与腔体稳态相对 CO₂浓度（Δskin CO₂） 的线性关系，为从装置检测值到生理通量值的定量转换提供了校准依据（图C）。

皮肤 CO₂与呼出 CO₂、代谢率的定性关联验证

    同步检测试验平台中，受试者佩戴呼吸面罩连接代谢车（测呼出 CO₂、代谢率），同时前臂佩戴可穿戴装置（测皮肤 CO₂），在定功率骑行中完成多指标同步采集（图A）。静息（30min）和运动（30min）阶段，皮肤 CO₂与呼出 CO₂、代谢率呈现完全一致的变化趋势：静息期保持稳定，运动期快速上升并维持高稳态水平，初步验证了皮肤 CO₂与全身代谢活动的定性关联（图B）。

皮肤 CO₂与呼出 CO₂、代谢率的定量关联确立

    通过装置检测静息和运动阶段的稳态 Δskin CO₂，结合 FEM 仿真的线性校准关系，分别计算出静息和运动状态下的皮肤 CO₂通量（图A）。基于 9 名受试者的试验数据，建立了皮肤 CO₂释放率与呼出 CO₂呼出率的定量关联，二者呈强线性相关（R²=0.89），尽管皮肤 CO₂量比呼出 CO₂低 3-4 个数量级（图B）。进一步确立皮肤 CO₂通量与代谢率的线性相关关系（R²=0.79），直接证明皮肤 CO₂可作为反映全身代谢率的有效无创指标（图C）。

    该研究不仅验证了皮肤作为代谢监测生理界面的可行性，还为可穿戴气体传感技术的发展提供了新思路，未来通过优化主动气体处理、传感器集成等技术，有望进一步提升检测精度，拓展至饮食诱导产热、基础代谢率评估、肺部疾病辅助诊断等更多生理和临床应用场景，在运动健康、慢病管理、精准医疗等领域具有广阔的应用前景。