柔性織物傳感器在智能服裝及可穿戴設(shè)備上的應(yīng)用

近年來(lái)，智能可穿戴設(shè)備在醫(yī)療、軍事、航空航天等領(lǐng)域已經(jīng)有較為廣泛的應(yīng)用，隨著智能紡織品技術(shù)不斷進(jìn)步，可穿戴設(shè)備也逐漸進(jìn)入人們的日常生活，在運(yùn)動(dòng)輔助與健康管理方面都擁有較大的發(fā)展空間。由于人類生理及活動(dòng)需求，智能可戴設(shè)備不僅需要具有穩(wěn)定的監(jiān)測(cè)、輔助功能，還需要具備良好的服用性能。 傳感器作為智能可穿戴設(shè)備的核心模塊，其柔性化是智能可穿戴設(shè)備的重要研究方向。本文聚焦柔性織物傳感器在智能服裝及可穿戴設(shè)備上的應(yīng)用，關(guān)注最新國(guó)內(nèi)外研究人員不斷對(duì)柔性織物傳感器進(jìn)行改良與創(chuàng)新上的成就！ 紡織服裝作為人體的“第二皮膚”，其柔軟、貼體的服用性能以及靈活多變的結(jié)構(gòu)使其能夠成為智能可穿戴設(shè)備中各類電子元件的良好載體。

柔性織物傳感器就是以紡織品作為基底，采用不同方式與傳感材料或元件結(jié)合，制成的適應(yīng)各類可穿戴設(shè)備需求的柔性傳感器件。這類傳感器在滿足傳感器物理機(jī)械性能的基礎(chǔ)上，也保持了織物的手感以及柔韌性，部分甚至可以洗滌，使其在智能服裝及可穿戴設(shè)備上的應(yīng)用前景更為廣泛。

智能服飾示意圖

1.

柔性傳感器的分類

目前，柔性傳感器按照感知機(jī)制主要分為5類:柔性電容式傳感器、柔性壓阻式傳感器、柔性壓電式傳感器、柔性電感式傳感器和柔性光纖傳感器。

1.1

柔性電容式傳感器

柔性電容式傳感器主要基于電容器原理而制成的，由于其對(duì)于外力的敏感性較強(qiáng)，故在檢測(cè)微小的靜態(tài)力時(shí)所需能耗較低，且柔性電容式傳感器具備良好的線性響應(yīng)。

柔性電容式傳感器以導(dǎo)電薄膜、纖維紗線等柔性材料制成兩極板，間隔層通常使用彈性材料制成，將柔性電容式傳感器與服裝結(jié)合后制成的智能紡織品，不僅柔軟舒適可彎曲形變，還能感知外界環(huán)境變化，靈敏度高且空間分辨率大。

電容式織物壓力傳感器工作原理

1.2

柔性壓阻式傳感器

壓阻式傳感器是利用一種可通過(guò)應(yīng)力改變材料電阻率的柔性材料和集成電路技術(shù)制成的傳感器，通過(guò)測(cè)量電路中的輸出電信號(hào)變化即可得到對(duì)應(yīng)應(yīng)力的數(shù)據(jù)變化，因此壓阻式傳感器主要用于壓力、重力等物理量的測(cè)量。這類傳感器具有柔軟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于航天航空、航海、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

常用的材料為石墨烯高聚物、炭黑高聚物、半導(dǎo)體硅和鍺等。SHOIEB等提出了一種具有壓阻傳感功能的聚二甲基硅氧烷 ( PDMS) /碳納米纖維( CNF) 納米復(fù)合材料。通過(guò)將CNF 分散到 PDMS 中，獲得的納米復(fù)合材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電性且成本低，可用于制作各種形狀的傳感器。XU 等采用低壓氧等離子體處理來(lái)修飾和活化聚氨酯支架，制備了聚氨酯( PU) /碳納米纖維( CNF) @ 炭黑( CB) 導(dǎo)電泡沫，具有極高的壓縮敏感性、機(jī)械性能和導(dǎo)電性，可用于檢測(cè)微壓或微應(yīng)變狀態(tài)。

電阻式織物壓力傳感器作用機(jī)理

1.3

柔性壓電式傳感器

壓電式傳感器是利用外界作用后壓電材料發(fā)生形變導(dǎo)致材料電極發(fā)生變化的原理制成的傳感器，通過(guò)測(cè)量電路中輸出電量的變化即可得到作用力的變化。這類傳感器頻帶寬、靈敏度高、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，主要用于壓力和加速度的測(cè)試，因此被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、電聲學(xué)等技術(shù)領(lǐng)域。

壓電式傳感器工作原理

常見(jiàn)的壓電材料有陶瓷、石英晶體、聚氟乙烯、錦綸等。有學(xué)者通過(guò)多步驟合成了四氧化三鐵( Fe3O4 ) /氧化石墨烯( GO) ，從而實(shí)現(xiàn) Fe3O4納米顆粒和氧化石墨烯納米板復(fù)合后的高協(xié)同作用。研究出利用絲素蛋白和聚偏氟乙烯( PVDF) 納米纖維制備了一種全纖維混合壓電式傳感器。

1.4

柔性電感式傳感器

電感式傳感器是利用線圈自感或互感系數(shù)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的一種裝置。其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、輸出功率大、阻抗小、抗干擾能力強(qiáng)及測(cè)量精度高等一系列優(yōu)點(diǎn)。

通常電感式傳感器的傳感線圈常采用導(dǎo)電纖維、導(dǎo)電紗線與服裝結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)人體呼吸監(jiān)測(cè)及動(dòng)作捕捉等功能。

柔性電感式傳感器 研究成果圖

1.5

柔性光纖傳感器

光纖傳感器是利用光學(xué)性質(zhì)變化原理制成的傳感器，通過(guò)光纖將外界物理量轉(zhuǎn)變?yōu)楣?a target="_blank">信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。光纖傳感器具有許多優(yōu)良性能，其能夠代替人們進(jìn)入一些高危的區(qū)域進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)，如高溫區(qū)、核輻射區(qū)，還能接收人的感官所感受不到的外界信息。

此外光纖傳感器還具有靈敏度高、形狀可塑性強(qiáng)、體積小等優(yōu)勢(shì)，因此將光纖應(yīng)用于紡織服裝后可用于測(cè)量壓力、溫度等物理量，并廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、通信等領(lǐng)域。有學(xué)者利用聚硅氧烷－脲共聚物制備出具有熱塑性的硅樹脂纖維，該纖維的彈性優(yōu)于傳統(tǒng)的光纖纖維，編入紡織品中不會(huì)破壞紡織品原有的彈性及柔軟舒適度。也有學(xué)者制備了一種由石墨烯納米片(GNP) 與聚二甲基硅氧烷( PDMS) 復(fù)合而成的高度可伸縮光纖，其可以通過(guò)光穿過(guò)的強(qiáng)烈吸收和散射來(lái)量化拉伸應(yīng)變，具有低檢測(cè)極限、快速響應(yīng)和高重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)。

柔性光纖傳感器成果圖

2.

制備方式

柔性織物傳感器以紡織品作為柔性基底，采用不同制備方式將傳感材料加入紡織品結(jié)構(gòu)中，通過(guò)其敏感性能將待測(cè)物理量轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號(hào)來(lái)進(jìn)行測(cè)量。目前制備柔性織物傳感器的方式主要有涂覆法、織入法和封裝法。

2.1

涂覆法

涂覆法是指將金屬顆粒、碳基材料或高分子導(dǎo)電復(fù)合材料通過(guò)沉積、印刷或拼貼等方式附著于織物表面形成導(dǎo)電涂層織物，是現(xiàn)階段最常見(jiàn)的柔性織物傳感器制備方式，具體見(jiàn)表 1，其中沉積和印刷是被廣泛應(yīng)用的涂覆方式。

表 1 ：涂覆法具體分類 目前，涂覆法在各類柔性器件的制備中被廣泛應(yīng)用，因此技術(shù)發(fā)展也較為成熟。采用真空過(guò)濾法將氧化石墨烯附著于絲織物表面，再通過(guò)熱壓法將氧化石墨烯還原為石墨烯并在絲織物表面形成導(dǎo)電涂層制得的柔性織物應(yīng)變傳感器，且研究發(fā)現(xiàn)真絲織物在不同方向上的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)使得傳感器具有異向傳感性能。 有的采用分配器印刷方式使用導(dǎo)電油墨在滌綸織物表面直接打印導(dǎo)電涂層，制成了具有較高探測(cè)系數(shù)和測(cè)試范圍的近距離電容式柔性織物傳感器。有的則在滌綸( PET) 織物上噴涂石墨溶液噴霧制備電容式柔性織物壓力傳感器電極，并用絲網(wǎng)印刷方式添加聚苯乙烯磺酸鹽( PEDOT: PSS) 形成后涂層來(lái)改善織物的導(dǎo)電性能。 涂覆法制備柔性織物傳感器時(shí)，生產(chǎn)工藝較為簡(jiǎn)單，且容易控制反應(yīng)條件，在涂覆材料和附著方式等方面具有較多選擇，具有更廣泛的研究空間。涂覆法制備得到的柔性織物傳感器通常具有靈敏度高、線性度好、測(cè)量范圍廣等優(yōu)點(diǎn)；然而由于沉積或印刷過(guò)程的均勻性較難控制，涂層的導(dǎo)電性能會(huì)受到一定影響，同時(shí)也受限于導(dǎo)電材料與織物基體之間的附著強(qiáng)度，存在不耐摩擦及洗滌，重復(fù)性和耐用性較差的問(wèn)題，另外涂層的伸長(zhǎng)延展性能較差，會(huì)影響織物的手感和服用性能。因此，通過(guò)對(duì)導(dǎo)電材料進(jìn)行改性處理增強(qiáng)與織物間的附著強(qiáng)力，或利用織物組織結(jié)構(gòu)作為支撐改變導(dǎo)電材料分布結(jié)構(gòu)等方式來(lái)改善柔性織物傳感器耐用性和服用性能，是提升柔性織物傳感器性能研究的有利方向。

2.2

織入法

與涂覆法相比，織入法是將導(dǎo)電紗線直接進(jìn)行織造，得到具有傳感性能的導(dǎo)電機(jī)織物或針織物?？椚敕ㄖ苽淙嵝钥椢飩鞲衅饕蠹喚€具有良好的導(dǎo)電性能，較低的抗彎剛度，均勻的細(xì)度和捻度，良好的強(qiáng)度、延伸性和柔軟性，因此關(guān)鍵在于導(dǎo)電紗線的選擇或制備。 目前導(dǎo)電紗線的制備方式有兩類：一種是將本身具有導(dǎo)電能力的纖維直接紡制成紗線，常用的有金屬導(dǎo)電纖維、碳系導(dǎo)電纖維以及有機(jī)高分子導(dǎo)電纖維；另一種則是將普通非導(dǎo)電紗線進(jìn)行特殊處理后使其具備一定的導(dǎo)電性能，常見(jiàn)的有涂覆導(dǎo)電紗線以及復(fù)合紡絲制成的導(dǎo)電紗線。 織入法制備得到的柔性織物傳感器具有更好的拉伸性和延展性，現(xiàn)階段主要用于應(yīng)變傳感器以及壓阻式壓力傳感器的制備。 學(xué)者們通過(guò)對(duì)導(dǎo)電紗線制備過(guò)程進(jìn)行探究和實(shí)驗(yàn)，以改善柔性織物傳感器的傳感和服用性能。有學(xué)者利用富銀外殼的復(fù)絲結(jié)構(gòu)，將銀納米顆粒加入到具有多絲機(jī)構(gòu)的彈性纖維中，再注入銀離子，織造得到具有高度可拉伸性能和靈敏度的應(yīng)變織物傳感器。 現(xiàn)階段采用織入法制備柔性織物傳感器還存在一定問(wèn)題。除導(dǎo)電紗線的制備外，織入法的紡織工序較為繁瑣，生產(chǎn)的時(shí)間成本較高；同時(shí)由于與普通紗線相比，導(dǎo)電紗線通常強(qiáng)度較低且抗彎剛度較大，織造過(guò)程中易發(fā)生斷裂或損傷，影響織物傳感器的傳感性能，因此傳感部位需要進(jìn)行一定的工藝設(shè)計(jì)來(lái)保證其完整性；另外，織物產(chǎn)生形變時(shí)造成紗線間的相對(duì)滑移也會(huì)影響織物傳感器的準(zhǔn)確性。 然而織入法制得的柔性織物傳感器仍然具備較高的靈敏度和線性度，同時(shí)由于保留了織物組織結(jié)構(gòu)，因而具有更貼近服裝的手感、舒適性和良好的耐用性、耐水洗等服用性能，與可穿戴設(shè)備的集成也更加靈活多變，是用于人體監(jiān)測(cè)等智能服裝的柔性織物傳感器的較優(yōu)選擇。因此，簡(jiǎn)化織入法生產(chǎn)工藝，對(duì)導(dǎo)電纖維進(jìn)行改性處理提高其可紡性能，對(duì)織物進(jìn)行后整理提高其精確度和準(zhǔn)確性是研究織入法制備柔性織物傳感器的重要方向。

2.3

封裝法

封裝法最早應(yīng)用于傳感器與可穿戴設(shè)備的集成，是將傳感器件采用縫合或包埋等較為機(jī)械的方式加入到智能服裝或設(shè)備中。而將其應(yīng)用到柔性織物傳感器的制作，就是將柔性導(dǎo)電薄膜或?qū)щ娂{米線等柔性傳感材料通過(guò)縫合或包埋的形式加入到織物結(jié)構(gòu)中來(lái)制作具有織物基底的柔性傳感器。

智能服飾包埋示意圖 封裝法制備柔性織物傳感器主要考慮的是柔性導(dǎo)電材料的選擇和織物結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，集成的方式較為簡(jiǎn)單，但也存在一些問(wèn)題。由于傳感器與織物相互獨(dú)立，兩者分離易在使用過(guò)程中產(chǎn)生相對(duì)滑移，且導(dǎo)電材料和織物結(jié)構(gòu)間存在滯后性，這類織物傳感器的測(cè)量準(zhǔn)確性會(huì)受到一定影響；同時(shí)為使織物能較為緊密地包裹傳感器件，傳感部位的拉伸性和柔韌性受限，會(huì)降低織物傳感器的服用性能和舒適性。

傳感器的內(nèi)部組成結(jié)構(gòu)和貼在織物上的示意圖 然而將具有柔性的傳感器件直接集成到織物中的方式能夠簡(jiǎn)化生產(chǎn)步驟，是目前最可能實(shí)現(xiàn)柔性織物傳感器批量生產(chǎn)的制備方式，且在一體成型的針織監(jiān)測(cè)服裝或可穿戴設(shè)備生產(chǎn)中具有一定優(yōu)勢(shì)。因此，對(duì)封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，減少人體活動(dòng)中可能造成的傳感器滑移，提高測(cè)量準(zhǔn)確性和精確度，保證使用過(guò)程中良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性是封裝法制備柔性織物傳感器的優(yōu)化方向。

3.

柔性傳感器在智能服裝中的優(yōu)勢(shì)及弊端

3.1

柔性傳感器在智能服裝中的優(yōu)勢(shì)

柔性傳感器可檢測(cè)人體在任何環(huán)境、任何時(shí)間和任何狀態(tài)下的身體狀況， 相較于傳統(tǒng)的檢測(cè)手段，其突出優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在受客觀因數(shù)的制約較小。 柔性壓力傳感器運(yùn)用在檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)狀況的智能服裝中優(yōu)勢(shì)明顯，可根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉產(chǎn)生的拉伸及不同受力點(diǎn)來(lái)檢測(cè)人體肌肉發(fā)力情況，并敏銳地捕捉其變化，可作為專業(yè)體育訓(xùn)練的檢測(cè)服，以調(diào)整不科學(xué)的運(yùn)動(dòng)方式，提高身體運(yùn)動(dòng)機(jī)能水平，并能有效指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)服設(shè)計(jì)的不斷完善。柔性濕度傳感器運(yùn)用在檢測(cè)人體汗液的智能服裝中優(yōu)勢(shì)明顯，老年人的身體健康狀況可由汗液反映，此傳感器可以及時(shí)地檢測(cè)出穿著者的身體健康數(shù)據(jù)，其多運(yùn)用在老年智能服裝及醫(yī)療檢測(cè)智能服裝中。 柔性溫度傳感器運(yùn)用在檢測(cè)感知力低下人群的智能服裝中優(yōu)勢(shì)明顯，多用于兒童的智能服裝。當(dāng)兒童體溫出現(xiàn)不正常趨勢(shì)時(shí)，感應(yīng)器會(huì)及時(shí)檢測(cè)到異樣信息，然后傳遞到父母手機(jī)或電腦終端設(shè)備，讓孩子能夠及時(shí)就醫(yī)。柔性氣味傳感器運(yùn)用在檢測(cè)外部危險(xiǎn)氣體的智能服裝中優(yōu)勢(shì)明顯，對(duì)于有害物質(zhì)及乙醇等氣體能夠做出及時(shí)反應(yīng)。

3.2

柔性傳感器在智能服裝中的局限性及改善

柔性傳感器在智能服裝中的應(yīng)用，與功能性服裝產(chǎn)品相比，成本價(jià)格較高，社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施程度與柔性傳感器發(fā)展速度不匹配是其成本無(wú)法下降的原因，使其止步于高昂的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品。與硬件傳感器相比，柔性傳感器采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性相對(duì)較差，柔性傳感器需緊身穿著才能保證其人體數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，如果傳感器不貼身，便無(wú)法保證數(shù)據(jù)的可靠性，喪失了柔性傳感器的靈敏性。與傳統(tǒng)服用面料相比，其舒適度較低，柔性傳感器的舒適度與硬性感應(yīng)器在服裝上的運(yùn)用而言，柔性化是傳感器的一大進(jìn)步，但這也是相對(duì)而言，柔性傳感器的薄膜材料與真正柔軟的衣著面料還是存在一定差異。以上的幾點(diǎn)都是其發(fā)展過(guò)程中不可 忽視的局限性。 為了進(jìn)入市場(chǎng)， 規(guī)模性生產(chǎn)是降低其成本的關(guān)鍵，針對(duì)柔性傳感器價(jià)格方面的不足，采用廉價(jià)的新型材料、簡(jiǎn)易的加工工藝及成熟的生產(chǎn)技術(shù)均能有效降低成本，其前期試驗(yàn)投入不可小覷，此項(xiàng)目在社會(huì)大環(huán)境中的技術(shù)成熟到一定程度后， 成本便會(huì)降低。針對(duì)柔性傳感器舒適度方面的不足，應(yīng)集中于新面料的試驗(yàn)， 復(fù)合新型面料才是柔性傳感器的發(fā)展方向；針對(duì)柔性傳感器靈敏度方面的不足，應(yīng)對(duì)感應(yīng)器件在柔性基底上的分布密度進(jìn)行加大，其達(dá)到一定密度要求、并具有一定的緊身性時(shí)，便能限制外在因素的干擾，使智能服裝具備靈敏性。

3.3

柔性傳感器在智能服裝應(yīng)用中的發(fā)展前景

在特殊職業(yè)中，智能服裝的發(fā)展前景良好，多種柔性傳感器在智能服裝中的應(yīng)用將發(fā)揮巨大的實(shí)用效益。針對(duì)沙漠環(huán)境工作人員穿著的智能服裝，溫度傳感器及濕度傳感器不僅能夠檢測(cè)工作人員的生命特征，也能對(duì)外部惡劣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利于工作人員隨時(shí)掌握自身的健康狀況及環(huán)境情況。在這個(gè)過(guò)程中，人員信息與網(wǎng)絡(luò)同步，當(dāng)人員發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，利于搜救，有效降低傷亡率。針對(duì)極地工作人員穿著的智能服裝，溫度傳感器及壓力傳感器可以分別檢測(cè)人體溫度狀況和人體生命特征，當(dāng)極地工作人員或探險(xiǎn)人員出現(xiàn)身體異常時(shí)，感應(yīng)器會(huì)及時(shí)感知，并將身體健康信息及坐標(biāo)位置傳輸給救援隊(duì)，使其能在第一時(shí)間得到救援。

結(jié) 語(yǔ)

柔性傳感器在智能服裝中的應(yīng)用讓穿著者隨時(shí)隨地了解自己的身體狀況，可做日常生活服裝穿著，其發(fā)展趨勢(shì)適應(yīng)于社會(huì)發(fā)展態(tài)勢(shì)。一項(xiàng)技術(shù)從萌發(fā)到成熟，其速度的周期是越來(lái)越短的，并呈指數(shù)式縮短。 科學(xué)技術(shù)引領(lǐng)傳統(tǒng)行業(yè)的發(fā)展，智能服裝技術(shù)引領(lǐng)傳統(tǒng)服裝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而柔性傳感器決定了智能服裝的發(fā)展。高新科技發(fā)展的時(shí)代孕育了大量的智能產(chǎn)品，除智能服裝外，還有智能頭箍、智能眼鏡和智能手表等， 但這些產(chǎn)品功能都是由傳感器實(shí)現(xiàn)的。傳感器在更柔軟、更環(huán)保的同時(shí)，采集人體及環(huán)境信息數(shù)據(jù)也更加準(zhǔn)確，且與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)無(wú)縫對(duì)接，可幫助穿著者及使用者提高生活質(zhì)量及工作效率。

審核編輯 ：李倩