一種具有三向傳感能力機(jī)器一體成型的三維間隔結(jié)構(gòu)壓阻針織傳感器

背景介紹

智能紡織品為感知日常生活中的身體運(yùn)動(dòng)參數(shù)提供了高舒適度的感知方式及界面。針織作為一種傳統(tǒng)的紡織品制造方法，在電子紡織品中實(shí)現(xiàn)完全無(wú)縫的一體成型制備。然而，當(dāng)前的平面編織傳感器只被用來(lái)感測(cè)水平面中的應(yīng)變。本研究提出了一種新型的具有三向傳感能力的機(jī)器一體成型的三維間隔結(jié)構(gòu)壓阻針織傳感器。該結(jié)構(gòu)既可以檢測(cè)垂直方向的壓力，也可以檢測(cè)經(jīng)紗/緯紗水平方向的應(yīng)變，可以感知2kPa以下的壓力。該論文從機(jī)械性能、穩(wěn)定性以及對(duì)汗液、洗滌等外部因素的反應(yīng)等方面對(duì)三種尺寸的間隔針織傳感器進(jìn)行了測(cè)試。然后，評(píng)估了材料選擇對(duì)傳感器性能的影響并總結(jié)了材料選擇的經(jīng)驗(yàn)。

此外，本研究對(duì)單個(gè)傳感器和多個(gè)傳感器陣列在幾種精細(xì)或大運(yùn)動(dòng)傳感的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，機(jī)器一體成型的針織壓阻傳感器可以從多方向檢測(cè)的肢體動(dòng)作（垂直方向、經(jīng)線(xiàn)和緯線(xiàn)水平方向）。此外，這種針織傳感器是可定制的，可以輕松無(wú)縫地集成到針織服裝中。這種針織傳感器結(jié)構(gòu)具備通用性，可以由多種材料制成，用于高靈敏度的多向應(yīng)變/壓力傳感，使其成為可穿戴應(yīng)用的高兼容性傳感器結(jié)構(gòu)，可用于大規(guī)模生產(chǎn)。

圖1.面向一體集成和穿戴應(yīng)用的間隔結(jié)構(gòu)針織三向壓阻傳感器示意圖。

文章亮點(diǎn)

現(xiàn)有的針織結(jié)構(gòu)傳感器難以滿(mǎn)足運(yùn)動(dòng)全方位檢測(cè)的應(yīng)變和壓力傳感要求因?yàn)椋海?）平面/二維針織傳感器只能傳感水平面上的變形。然而，人體運(yùn)動(dòng)學(xué)涉及多方向運(yùn)動(dòng)參數(shù)的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，而單向運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)幾乎不能滿(mǎn)足復(fù)雜運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)任務(wù)的需要。因此，需要三維的針織結(jié)構(gòu)用于復(fù)雜運(yùn)動(dòng)參數(shù)的感知。（2） 人體對(duì)可穿戴產(chǎn)品的舒適度閾值有要求（最高2000-3500Pa），大多數(shù)現(xiàn)有的商業(yè)薄膜/紡織品傳感器無(wú)法滿(mǎn)足可穿戴產(chǎn)品的小規(guī)模測(cè)量要求。因此，需要開(kāi)發(fā)小量程的紡織品傳感器，以實(shí)現(xiàn)舒適的身體穿戴。

該論文設(shè)計(jì)并評(píng)估了一種基于一體成型編織技術(shù)的三維間隔編織壓阻傳感器，用于2kPa以下小測(cè)量范圍和多向壓力/應(yīng)變傳感。由于立體的間隔結(jié)構(gòu)，壓縮或拉伸導(dǎo)致該間隔件編織傳感器變形，可導(dǎo)致其電阻變化，使其成為敏感的壓力/應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖2）。該傳感器既可以響應(yīng)垂直方向上的壓力，也可以響應(yīng)水平方向（經(jīng)紗和緯紗方向）上的應(yīng)變。該傳感器采用機(jī)器一體成型編織技術(shù)，可以用不同材料，制造出不同尺寸，定制成的一體式可穿戴設(shè)備，應(yīng)用于各種身體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)。

圖2.（a） 間隔針織傳感器的三向傳感結(jié)構(gòu)示意圖；（b） 傳感器模型的截面圖；（c） 間隔物編織傳感器的表面SEM圖像和（d）截面圖；（e） 不同尺寸的間隔物編織傳感器樣品的表面和（f）截面圖；（g） 在垂直方向上壓縮的針織傳感器的模型效果圖；以及（h）在緯紗水平方向上拉伸的針織傳感器的模型效果圖。

部分圖文解析

圖3. 間隔針織傳感器的基本傳感性能：（c） 壓力傳感器的靈敏度測(cè)試-三種尺寸；（d） 測(cè)量三個(gè)尺寸傳感器在水平方向上的應(yīng)變傳感。

圖4.（a） 織物壓力傳感器的靈敏度比較；（b） 針織應(yīng)變傳感器之間的應(yīng)變系數(shù)比較。

圖5.（a-b）在穩(wěn)定性循環(huán)測(cè)試之前和之后的間隔物編織傳感器的SEM圖像；（c） 純棉織物、該項(xiàng)目的間隔針織傳感器和TPU膜的透氣性測(cè)試結(jié)果；（d）間隔針織傳感器的排汗測(cè)試；以及（e）間隔編織傳感器的洗滌測(cè)試。

圖6. 間隔編織傳感器在實(shí)時(shí)精細(xì)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用：（a）手指彎曲，（b）頸部彎曲，以及（c）運(yùn)動(dòng)后呼吸。大運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)：（d）膝蓋彎曲，（e）手腕上下彎曲，（f）手臂彎曲60°、90°、145°，（g）使用傳感陣列檢測(cè)由多個(gè)間隔編織傳感器制成的智能手表表帶上的互動(dòng)手勢(shì)，以及（h）使用上衣上的間隔編織傳感器陣列檢測(cè)駕駛員的身體是否處于放松或?qū)Ｗ顟B(tài)。

發(fā)表

該工作以“Three-directional Spacer-knitted Piezoresistant Strain and Pressure Sensor for Electronic Integration and On-body Applications”為題發(fā)表在期刊ACS Applied Materials & Interfaces上，并被選作封面報(bào)道。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、廣東省自然科學(xué)基金項(xiàng)目等項(xiàng)目支持。

通訊作者：Ziqian Bai，南方科技大學(xué)，Shouxiang Jiang，香港理工大學(xué)

第一作者：Mengqi Jiang






審核編輯：劉清