柔性織物傳感器在智能服裝及可穿戴設備上的應用

近年來，智能可穿戴設備在醫療、軍事、航空航天等領域已經有較為廣泛的應用，隨著智能紡織品技術不斷進步，可穿戴設備也逐漸進入人們的日常生活，在運動輔助與健康管理方面都擁有較大的發展空間。由于人類生理及活動需求，智能可戴設備不僅需要具有穩定的監測、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備的核心模塊，其柔性化是智能可穿戴設備的重要研究方向。本文聚焦柔性織物傳感器在智能服裝及可穿戴設備上的應用，關注最新國內外研究人員不斷對柔性織物傳感器進行改良與創新上的成就！ 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構使其能夠成為智能可穿戴設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合，制成的適應各類可穿戴設備需求的柔性傳感器件。這類傳感器在滿足傳感器物理機械性能的基礎上，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備上的應用前景更為廣泛。

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，由于其對于外力的敏感性較強，故在檢測微小的靜態力時所需能耗較低，且柔性電容式傳感器具備良好的線性響應。

柔性電容式傳感器以導電薄膜、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應力改變材料電阻率的柔性材料和集成電路技術制成的傳感器，通過測量電路中的輸出電信號變化即可得到對應應力的數據變化，因此壓阻式傳感器主要用于壓力、重力等物理量的測量。這類傳感器具有柔軟、結構簡單和靈敏度高等優點，廣泛地應用于航天航空、航海、生物醫學等領域。

常用的材料為石墨烯高聚物、炭黑高聚物、半導體硅和鍺等。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) 納米復合材料。通過將CNF 分散到 PDMS 中，獲得的納米復合材料具有優良的導電性且成本低，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) 導電泡沫，具有極高的壓縮敏感性、機械性能和導電性，可用于檢測微壓或微應變狀態。

電阻式織物壓力傳感器作用機理

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生形變導致材料電極發生變化的原理制成的傳感器，通過測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、質量輕、結構簡單、性能穩定，主要用于壓力和加速度的測試，因此被廣泛應用于生物醫學、電聲學等技術領域。

壓電式傳感器工作原理

常見的壓電材料有陶瓷、石英晶體、聚氟乙烯、錦綸等。有學者通過多步驟合成了四氧化三鐵( Fe3O4 ) /氧化石墨烯( GO) ，從而實現 Fe3O4納米顆粒和氧化石墨烯納米板復合后的高協同作用。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的變化來實現非電量電測的一種裝置。其具有結構簡單、靈敏度高、輸出功率大、阻抗小、抗干擾能力強及測量精度高等一系列優點。

通常電感式傳感器的傳感線圈常采用導電纖維、導電紗線與服裝結合，從而實現人體呼吸監測及動作捕捉等功能。

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性質變化原理制成的傳感器，通過光纖將外界物理量轉變為光信號進行測量。光纖傳感器具有許多優良性能，其能夠代替人們進入一些高危的區域進行信號檢測，如高溫區、核輻射區，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、體積小等優勢，因此將光纖應用于紡織服裝后可用于測量壓力、溫度等物理量，并廣泛應用于航空航天、軍事、通信等領域。有學者利用聚硅氧烷－脲共聚物制備出具有熱塑性的硅樹脂纖維，該纖維的彈性優于傳統的光纖纖維，編入紡織品中不會破壞紡織品原有的彈性及柔軟舒適度。也有學者制備了一種由石墨烯納米片(GNP) 與聚二甲基硅氧烷( PDMS) 復合而成的高度可伸縮光纖，其可以通過光穿過的強烈吸收和散射來量化拉伸應變，具有低檢測極限、快速響應和高重復性等優點。

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構中，通過其敏感性能將待測物理量轉化為電學信號來進行測量。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電復合材料通過沉積、印刷或拼貼等方式附著于織物表面形成導電涂層織物，是現階段最常見的柔性織物傳感器制備方式，具體見表 1，其中沉積和印刷是被廣泛應用的涂覆方式。

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用，因此技術發展也較為成熟。采用真空過濾法將氧化石墨烯附著于絲織物表面，再通過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電涂層制得的柔性織物應變傳感器，且研究發現真絲織物在不同方向上的力學性能和結構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電油墨在滌綸織物表面直接打印導電涂層，制成了具有較高探測系數和測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，并用絲網印刷方式添加聚苯乙烯磺酸鹽( PEDOT: PSS) 形成后涂層來改善織物的導電性能。 涂覆法制備柔性織物傳感器時，生產工藝較為簡單，且容易控制反應條件，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、測量范圍廣等優點；然而由于沉積或印刷過程的均勻性較難控制，涂層的導電性能會受到一定影響，同時也受限于導電材料與織物基體之間的附著強度，存在不耐摩擦及洗滌，重復性和耐用性較差的問題，另外涂層的伸長延展性能較差，會影響織物的手感和服用性能。因此，通過對導電材料進行改性處理增強與織物間的附著強力，或利用織物組織結構作為支撐改變導電材料分布結構等方式來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，織入法是將導電紗線直接進行織造，得到具有傳感性能的導電機織物或針織物?？椚敕ㄖ苽淙嵝钥椢飩鞲衅饕蠹喚€具有良好的導電性能，較低的抗彎剛度，均勻的細度和捻度，良好的強度、延伸性和柔軟性，因此關鍵在于導電紗線的選擇或制備。 目前導電紗線的制備方式有兩類：一種是將本身具有導電能力的纖維直接紡制成紗線，常用的有金屬導電纖維、碳系導電纖維以及有機高分子導電纖維；另一種則是將普通非導電紗線進行特殊處理后使其具備一定的導電性能，常見的有涂覆導電紗線以及復合紡絲制成的導電紗線。 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，現階段主要用于應變傳感器以及壓阻式壓力傳感器的制備。 學者們通過對導電紗線制備過程進行探究和實驗，以改善柔性織物傳感器的傳感和服用性能。有學者利用富銀外殼的復絲結構，將銀納米顆粒加入到具有多絲機構的彈性纖維中，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變織物傳感器。 現階段采用織入法制備柔性織物傳感器還存在一定問題。除導電紗線的制備外，織入法的紡織工序較為繁瑣，生產的時間成本較高；同時由于與普通紗線相比，導電紗線通常強度較低且抗彎剛度較大，織造過程中易發生斷裂或損傷，影響織物傳感器的傳感性能，因此傳感部位需要進行一定的工藝設計來保證其完整性；另外，織物產生形變時造成紗線間的相對滑移也會影響織物傳感器的準確性。 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，同時由于保留了織物組織結構，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，與可穿戴設備的集成也更加靈活多變，是用于人體監測等智能服裝的柔性織物傳感器的較優選擇。因此，簡化織入法生產工藝，對導電纖維進行改性處理提高其可紡性能，對織物進行后整理提高其精確度和準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

封裝法最早應用于傳感器與可穿戴設備的集成，是將傳感器件采用縫合或包埋等較為機械的方式加入到智能服裝或設備中。而將其應用到柔性織物傳感器的制作，就是將柔性導電薄膜或導電納米線等柔性傳感材料通過縫合或包埋的形式加入到織物結構中來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電材料的選擇和織物結構的設計，集成的方式較為簡單，但也存在一些問題。由于傳感器與織物相互獨立，兩者分離易在使用過程中產生相對滑移，且導電材料和織物結構間存在滯后性，這類織物傳感器的測量準確性會受到一定影響；同時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，會降低織物傳感器的服用性能和舒適性。

傳感器的內部組成結構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化生產步驟，是目前最可能實現柔性織物傳感器批量生產的制備方式，且在一體成型的針織監測服裝或可穿戴設備生產中具有一定優勢。因此，對封裝結構進行優化，減少人體活動中可能造成的傳感器滑移，提高測量準確性和精確度，保證使用過程中良好的穩定性和重復性是封裝法制備柔性織物傳感器的優化方向。

3.

柔性傳感器在智能服裝中的優勢及弊端

3.1

柔性傳感器在智能服裝中的優勢

柔性傳感器可檢測人體在任何環境、任何時間和任何狀態下的身體狀況， 相較于傳統的檢測手段，其突出優勢表現在受客觀因數的制約較小。 柔性壓力傳感器運用在檢測人體運動狀況的智能服裝中優勢明顯，可根據人體運動時肌肉產生的拉伸及不同受力點來檢測人體肌肉發力情況，并敏銳地捕捉其變化，可作為專業體育訓練的檢測服，以調整不科學的運動方式，提高身體運動機能水平，并能有效指導運動服設計的不斷完善。柔性濕度傳感器運用在檢測人體汗液的智能服裝中優勢明顯，老年人的身體健康狀況可由汗液反映，此傳感器可以及時地檢測出穿著者的身體健康數據，其多運用在老年智能服裝及醫療檢測智能服裝中。 柔性溫度傳感器運用在檢測感知力低下人群的智能服裝中優勢明顯，多用于兒童的智能服裝。當兒童體溫出現不正常趨勢時，感應器會及時檢測到異樣信息，然后傳遞到父母手機或電腦終端設備，讓孩子能夠及時就醫。柔性氣味傳感器運用在檢測外部危險氣體的智能服裝中優勢明顯，對于有害物質及乙醇等氣體能夠做出及時反應。

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用，與功能性服裝產品相比，成本價格較高，社會基礎設施程度與柔性傳感器發展速度不匹配是其成本無法下降的原因，使其止步于高昂的實驗產品。與硬件傳感器相比，柔性傳感器采集數據的準確性相對較差，柔性傳感器需緊身穿著才能保證其人體數據采集的準確性，如果傳感器不貼身，便無法保證數據的可靠性，喪失了柔性傳感器的靈敏性。與傳統服用面料相比，其舒適度較低，柔性傳感器的舒適度與硬性感應器在服裝上的運用而言，柔性化是傳感器的一大進步，但這也是相對而言，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。以上的幾點都是其發展過程中不可 忽視的局限性。 為了進入市場， 規模性生產是降低其成本的關鍵，針對柔性傳感器價格方面的不足，采用廉價的新型材料、簡易的加工工藝及成熟的生產技術均能有效降低成本，其前期試驗投入不可小覷，此項目在社會大環境中的技術成熟到一定程度后， 成本便會降低。針對柔性傳感器舒適度方面的不足，應集中于新面料的試驗， 復合新型面料才是柔性傳感器的發展方向；針對柔性傳感器靈敏度方面的不足，應對感應器件在柔性基底上的分布密度進行加大，其達到一定密度要求、并具有一定的緊身性時，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用中的發展前景

在特殊職業中，智能服裝的發展前景良好，多種柔性傳感器在智能服裝中的應用將發揮巨大的實用效益。針對沙漠環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工作人員的生命特征，也能對外部惡劣環境進行監測，利于工作人員隨時掌握自身的健康狀況及環境情況。在這個過程中，人員信息與網絡同步，當人員發生危險時，利于搜救，有效降低傷亡率。針對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人體溫度狀況和人體生命特征，當極地工作人員或探險人員出現身體異常時，感應器會及時感知，并將身體健康信息及坐標位置傳輸給救援隊，使其能在第一時間得到救援。

結 語

柔性傳感器在智能服裝中的應用讓穿著者隨時隨地了解自己的身體狀況，可做日常生活服裝穿著，其發展趨勢適應于社會發展態勢。一項技術從萌發到成熟，其速度的周期是越來越短的，并呈指數式縮短。 科學技術引領傳統行業的發展，智能服裝技術引領傳統服裝產業的發展，而柔性傳感器決定了智能服裝的發展。高新科技發展的時代孕育了大量的智能產品，除智能服裝外，還有智能頭箍、智能眼鏡和智能手表等， 但這些產品功能都是由傳感器實現的。傳感器在更柔軟、更環保的同時，采集人體及環境信息數據也更加準確，且與增強現實技術無縫對接，可幫助穿著者及使用者提高生活質量及工作效率。

審核編輯 ：李倩