柔性可穿戴器件綜述-可穿戴智能織物傳感器

研究背景

近幾十年來(lái)，電子和人工智能技術(shù)得到了極大的發(fā)展。智能傳感設(shè)備的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)物理、化學(xué)和生物信號(hào)的動(dòng)態(tài)捕捉和數(shù)字顯示。隨著 5G 時(shí)代的到來(lái)，可穿戴織物正朝著兼容人工智能(AI)、物聯(lián)網(wǎng)(loT)、多級(jí)云和大數(shù)據(jù)的智能設(shè)備方向發(fā)展，以提供更好的人機(jī)交互體驗(yàn)。理想的智能織物需要多種技術(shù)支持：多功能信號(hào)識(shí)別傳感器、多層次云支持的快速數(shù)據(jù)分析以及終端智能系統(tǒng)的信息反饋。作為前端信息采集器， 輕便靈活、工作范圍大、穩(wěn)定性好、靈敏度高和多功能性是傳感器性能的關(guān)鍵指標(biāo)。好的傳感器應(yīng)便于攜帶，佩戴舒適。傳統(tǒng)的電子產(chǎn)品通常由笨重的金屬和堅(jiān)固的復(fù)合材料組成，無(wú)法滿足輕便靈活的要求，而且狹窄的工作范圍也限制了其在人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)中的應(yīng)用。為了優(yōu)化上述問(wèn)題，一維和二維輕質(zhì)紡織傳感器得到了充分發(fā)展。由于結(jié)構(gòu)獨(dú)特、編織靈活，纖維/紗線 (一維)和織物二維)形式的紡織品具有柔韌性好、重量輕、透氣性好等特點(diǎn)，并且易于與傳統(tǒng)服裝集成。已報(bào)道的基于紡織品的傳感器，如編織結(jié)構(gòu)的電容式壓力傳感器、由光纖編織的熱變色傳感器以及基于納米線涂層纖維的壓力/焦耳熱/微粒過(guò)濾/隔熱多功能傳感器，都顯示出巨大的應(yīng)用潛力。值得注意的是，應(yīng)變作為紡織品最基本的功能，其衍生的基于紡織品的應(yīng)變傳感器在人工電子皮膚和人體健康監(jiān)測(cè)方面有著廣泛的應(yīng)用。

傳統(tǒng)的金屬應(yīng)變傳感器通常傳感模式單一，拉伸范圍較窄，僅為 5-10%。相比之下，紡織品應(yīng)變傳感器的靈活性使其可以彎曲、折疊和拉伸，可設(shè)計(jì)的編織方式為服裝集成提供了可能。例如，CNT/ PU應(yīng)變纖維中的螺旋結(jié)構(gòu)將應(yīng)變范圍擴(kuò)大到1700%。鑒于紡織品應(yīng)變傳感器的巨大應(yīng)用潛力，人們?cè)趥鞲衅鞯南冗M(jìn)制造技術(shù)、多功能集成和智能系統(tǒng)構(gòu)建方面做出了努力。在追求超靈敏應(yīng)變傳感器的過(guò)程中，大多數(shù)研究工作都集中在對(duì)新材料和新結(jié)構(gòu)的探索上。除上述方法外傳感器的傳感機(jī)制也是影響傳感器靈敏度的關(guān)鍵因素。從本質(zhì)上講，傳感器的靈敏度 (用量規(guī)因子GF 表示)取決于外部刺激下信號(hào)變化的幅度，例如電阻應(yīng)變傳感器的電阻變化與其結(jié)構(gòu)變形密切相關(guān)。從理論上講，如果能探索出材料的內(nèi)在特性與電阻變化之間的關(guān)系，就可以在后期直接通過(guò)增強(qiáng)材料的某項(xiàng)機(jī)械特性來(lái)提高傳感器的靈敏度，而不必偶爾尋找新材料。稍顯遺憾的是，現(xiàn)有研究大多更關(guān)注材料和制造技術(shù)的更新，而對(duì)基于紡織品的應(yīng)變傳感器所涉及的傳感機(jī)理關(guān)注甚少，缺乏系統(tǒng)的分類和討論。

研究成果

基于纖維(一維)和織物(二維)的智能紡織傳感器是可穿戴設(shè)備的理想候選產(chǎn)品。它們靈活的編織方式和獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其具有柔性、輕質(zhì)、良好的透氣性以及與服裝集成的可行性。鑒于新型紡織應(yīng)變傳感器的興起，東華大學(xué)吳琪琳教授團(tuán)隊(duì)和加拿大Manitoba大學(xué)邢孟秋院士團(tuán)隊(duì)合作，從空間角度，即一維纖維/紗線和二維織物，闡述了新型材料和制造方法。內(nèi)在傳感機(jī)制是影響傳感器靈敏度的首要因素，傳感信號(hào)的變化趨勢(shì)也與之密切相關(guān)。雖然現(xiàn)有研究涉及各種傳感機(jī)制，但仍缺乏系統(tǒng)的分類和討論。因此，本文從空間角度對(duì)基于紡織品的傳感器的傳感機(jī)制進(jìn)行了闡述。考慮到應(yīng)變傳感器大多以電阻變化為基礎(chǔ)，因此主要關(guān)注電阻型紡織應(yīng)變傳感器的傳感機(jī)理，主要包括纖維變形、隧道效應(yīng)、裂紋擴(kuò)展、織物變形、電接觸和橋接。同時(shí)，還全面討論了通常作為重要數(shù)據(jù)擬合方法的相應(yīng)電阻預(yù)測(cè)模型，這些模型可以再現(xiàn)電阻變化趨勢(shì)，為傳感器性能提供指導(dǎo)。最后，總結(jié)了基于紡織品的應(yīng)變傳感器的多功能性，即多模式信號(hào)檢測(cè)、視覺(jué)交互、能量收集、熱管理和醫(yī)療。希望能為紡織傳感器的多功能集成提供研究啟示。相關(guān)研究以“Fabrication Techniques and Sensing Mechanisms of Textile?Based Strain Sensors: From Spatial 1D and 2D Perspectives”為題發(fā)表在Advanced Fiber Materials期刊上。

圖文導(dǎo)讀

Fig. 1 An over-review of fabrication approach, sensing mechanism and multifunctionality in textile sensors from spatial 1D and 2D perspectives.

Fig. 2 Classification of conductive materials.

Fig. 3 Fabrication technologies of 1D fiber/yarn.

Fig. 4 Microstructure design on fiber/yarn.

Fig. 5 Integration techniques of 2D fabrics based on weaving, knitting and braiding.

Fig. 6 Coating, printing, carbonization and 3D-like structure design on fabrics.

Fig. 7 Sensing mechanisms of different types of textile-based strain sensors.

總結(jié)與展望

基于紡織品的智能應(yīng)變傳感器具有質(zhì)輕、柔韌、穩(wěn)定性好、工作范圍大、靈敏度高等特點(diǎn)，可在滿足佩戴舒適性要求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)人體健康監(jiān)測(cè)。本文從空間角度將基于紡織品的應(yīng)變傳感器分為一維纖維/紗線和二維織物。本文對(duì)一維紗線和二維織物傳感器中常用的導(dǎo)電材料和新型制造方法進(jìn)行了分類和討論，如涂層、紡紗和微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、編織、針織、印花和織物碳化等。鑒于各種紡織傳感器的復(fù)雜機(jī)理和缺乏全面的分類，還從空間角度對(duì)其內(nèi)在傳感機(jī)理進(jìn)行了分類，并收集了相應(yīng)的預(yù)測(cè)模型。此外，還闡述了紡織品傳感器的多功能性，包括多模式信號(hào)檢測(cè)、視覺(jué)交互、能量收集、熱管理和醫(yī)療。預(yù)計(jì)這將為傳感器的綜合開發(fā)提供啟示。

織物傳感器的傳感機(jī)制是決定其信號(hào)強(qiáng)度和變化趨勢(shì)的關(guān)鍵因素。然而，用于解讀信號(hào)變化的完整傳感機(jī)制體系尚未建立，尤其是對(duì)于復(fù)雜的二維織物。一些特殊織物的信號(hào)變化可能涉及多種傳感機(jī)制，需要根據(jù)拉伸過(guò)程中導(dǎo)電通路的變化進(jìn)行仔細(xì)分析。大多數(shù)模型的計(jì)算過(guò)程只能被視為實(shí)驗(yàn)電阻的再現(xiàn)，而不是模型預(yù)測(cè)。我們希望建立一個(gè)只涉及材料特征參數(shù)的預(yù)測(cè)模型。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的前提是傳感器具有良好的可重復(fù)性。

可穿戴機(jī)器人是紡織品傳感器未來(lái)發(fā)展的一個(gè)流行趨勢(shì)。覆蓋在機(jī)器人表面的紡織品可以像仿生皮膚一樣監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)和外部刺激。傳感器的光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)和濕度響應(yīng)可以通過(guò)材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，而不僅僅局限于應(yīng)變傳感。一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是，在功能集成時(shí)應(yīng)充分考慮信號(hào)的干擾。一種有效的策略是選擇具有不同響應(yīng)信號(hào)的材料。另一種策略是優(yōu)化信號(hào)解耦，如建立特征信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)。此外，功能集成要求在功能器件之間建立穩(wěn)定的導(dǎo)線連接。一方面，焊接接頭和導(dǎo)線會(huì)影響佩戴舒適度。另一方面，過(guò)多的觸點(diǎn)可能無(wú)法承受長(zhǎng)時(shí)間的機(jī)械變形，最終導(dǎo)致傳感器失效。

大規(guī)模生產(chǎn)也是集成傳感器普及的關(guān)鍵一步。目前，大多數(shù)集成傳感器仍局限于實(shí)驗(yàn)室，依賴于耗時(shí)的制造技術(shù)和精密設(shè)備。大多數(shù)集成傳感器的長(zhǎng)度有限 (從厘米到米)。關(guān)于已實(shí)現(xiàn)連續(xù)工業(yè)化生產(chǎn)的集成傳感器的報(bào)道很少。因此，很難保證集成傳感器的性能始終如。雖然一步式熱拉伸顯示出大規(guī)模生產(chǎn)的潛力，但熔體材料的選擇和預(yù)成型材料的分層組裝不利于通用生產(chǎn)平臺(tái)。有必要為連續(xù)制造建立相應(yīng)的自動(dòng)化生產(chǎn)平臺(tái)，這需要材料科學(xué)領(lǐng)域和機(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域的協(xié)同努力。此外，還應(yīng)致力于研究制造參數(shù)與器件性能之間的關(guān)系，從而促進(jìn)集成器件的工業(yè)化生產(chǎn)。

織物傳感器在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用是另一個(gè)前景廣闊的發(fā)展方向。理想的傳感器可以作為藥物載體，在心臟監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常時(shí)將藥物送入皮膚。一些微小的纖維傳感器可以注入人體皮下，作為人體組織的支撐結(jié)構(gòu)和組織細(xì)胞生長(zhǎng)的介質(zhì)，最終實(shí)現(xiàn)醫(yī)療目的。然而，實(shí)現(xiàn)這些功能的前提條件是材料具有良好的生物相容性，而這是建立在日積月累的生物實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的。雖然紡織品傳感器在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域還很少受到關(guān)注，但預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)，它將迎來(lái)一個(gè)蓬勃發(fā)展的時(shí)期。





審核編輯：劉清