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，電子和人工智能技術得到了極大的發展。智能傳感設備的出現實現了對物理、化學和生物信號的動態捕捉和數字顯示。隨著 5G 時代的到來，可穿戴織物正朝著兼容人工智能(AI)、物聯網(loT)、多級云和大數據的智能設備方向發展，以提供更好的人機交互體驗。理想的智能織物需要多種技術支持：多功能信號識別傳感器、多層次云支持的快速數據分析以及終端智能系統的信息反饋。作為前端信息采集器， 輕便靈活、工作范圍大、穩定性好、靈敏度高和多功能性是傳感器性能的關鍵指標。好的傳感器應便于攜帶，佩戴舒適。傳統的電子產品通常由笨重的金屬和堅固的復合材料組成，無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動檢測中的應用。為了優化上述問題，一維和二維輕質紡織傳感器得到了充分發展。由于結構獨特、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，并且易于與傳統服裝集成。已報道的基于紡織品的傳感器，如編織結構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/微粒過濾/隔熱多功能傳感器，都顯示出巨大的應用潛力。值得注意的是，應變作為紡織品最基本的功能，其衍生的基于紡織品的應變傳感器在人工電子皮膚和人體健康監測方面有著廣泛的應用。

傳統的金屬應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，紡織品應變傳感器的靈活性使其可以彎曲、折疊和拉伸，可設計的編織方式為服裝集成提供了可能。例如，CNT/ PU應變纖維中的螺旋結構將應變范圍擴大到1700%。鑒于紡織品應變傳感器的巨大應用潛力，人們在傳感器的先進制造技術、多功能集成和智能系統構建方面做出了努力。在追求超靈敏應變傳感器的過程中，大多數研究工作都集中在對新材料和新結構的探索上。除上述方法外傳感器的傳感機制也是影響傳感器靈敏度的關鍵因素。從本質上講，傳感器的靈敏度 (用量規因子GF 表示)取決于外部刺激下信號變化的幅度，例如電阻應變傳感器的電阻變化與其結構變形密切相關。從理論上講，如果能探索出材料的內在特性與電阻變化之間的關系，就可以在后期直接通過增強材料的某項機械特性來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，現有研究大多更關注材料和制造技術的更新，而對基于紡織品的應變傳感器所涉及的傳感機理關注甚少，缺乏系統的分類和討論。

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備的理想候選產品。它們靈活的編織方式和獨特的結構使其具有柔性、輕質、良好的透氣性以及與服裝集成的可行性。鑒于新型紡織應變傳感器的興起，東華大學吳琪琳教授團隊和加拿大Manitoba大學邢孟秋院士團隊合作，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。內在傳感機制是影響傳感器靈敏度的首要因素，傳感信號的變化趨勢也與之密切相關。雖然現有研究涉及各種傳感機制，但仍缺乏系統的分類和討論。因此，本文從空間角度對基于紡織品的傳感器的傳感機制進行了闡述?？紤]到應變傳感器大多以電阻變化為基礎，因此主要關注電阻型紡織應變傳感器的傳感機理，主要包括纖維變形、隧道效應、裂紋擴展、織物變形、電接觸和橋接。同時，還全面討論了通常作為重要數據擬合方法的相應電阻預測模型，這些模型可以再現電阻變化趨勢，為傳感器性能提供指導。最后，總結了基于紡織品的應變傳感器的多功能性，即多模式信號檢測、視覺交互、能量收集、熱管理和醫療。希望能為紡織傳感器的多功能集成提供研究啟示。相關研究以“Fabrication Techniques and Sensing Mechanisms of Textile?Based Strain Sensors: From Spatial 1D and 2D Perspectives”為題發表在Advanced Fiber Materials期刊上。

圖文導讀

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.

總結與展望

基于紡織品的智能應變傳感器具有質輕、柔韌、穩定性好、工作范圍大、靈敏度高等特點，可在滿足佩戴舒適性要求的同時實現人體健康監測。本文從空間角度將基于紡織品的應變傳感器分為一維纖維/紗線和二維織物。本文對一維紗線和二維織物傳感器中常用的導電材料和新型制造方法進行了分類和討論，如涂層、紡紗和微結構設計、編織、針織、印花和織物碳化等。鑒于各種紡織傳感器的復雜機理和缺乏全面的分類，還從空間角度對其內在傳感機理進行了分類，并收集了相應的預測模型。此外，還闡述了紡織品傳感器的多功能性，包括多模式信號檢測、視覺交互、能量收集、熱管理和醫療。預計這將為傳感器的綜合開發提供啟示。

織物傳感器的傳感機制是決定其信號強度和變化趨勢的關鍵因素。然而，用于解讀信號變化的完整傳感機制體系尚未建立，尤其是對于復雜的二維織物。一些特殊織物的信號變化可能涉及多種傳感機制，需要根據拉伸過程中導電通路的變化進行仔細分析。大多數模型的計算過程只能被視為實驗電阻的再現，而不是模型預測。我們希望建立一個只涉及材料特征參數的預測模型。實現這一目標的前提是傳感器具有良好的可重復性。

可穿戴機器人是紡織品傳感器未來發展的一個流行趨勢。覆蓋在機器人表面的紡織品可以像仿生皮膚一樣監測運動和外部刺激。傳感器的光學、電學、熱學和濕度響應可以通過材料選擇和結構設計來實現，而不僅僅局限于應變傳感。一個關鍵問題是，在功能集成時應充分考慮信號的干擾。一種有效的策略是選擇具有不同響應信號的材料。另一種策略是優化信號解耦，如建立特征信號數據庫。此外，功能集成要求在功能器件之間建立穩定的導線連接。一方面，焊接接頭和導線會影響佩戴舒適度。另一方面，過多的觸點可能無法承受長時間的機械變形，最終導致傳感器失效。

大規模生產也是集成傳感器普及的關鍵一步。目前，大多數集成傳感器仍局限于實驗室，依賴于耗時的制造技術和精密設備。大多數集成傳感器的長度有限 (從厘米到米)。關于已實現連續工業化生產的集成傳感器的報道很少。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模生產的潛力，但熔體材料的選擇和預成型材料的分層組裝不利于通用生產平臺。有必要為連續制造建立相應的自動化生產平臺，這需要材料科學領域和機械自動化領域的協同努力。此外，還應致力于研究制造參數與器件性能之間的關系，從而促進集成器件的工業化生產。

織物傳感器在生物醫學領域的應用是另一個前景廣闊的發展方向。理想的傳感器可以作為藥物載體，在心臟監測數據異常時將藥物送入皮膚。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構和組織細胞生長的介質，最終實現醫療目的。然而，實現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驗基礎之上的。雖然紡織品傳感器在生物醫學領域還很少受到關注，但預計在不久的將來，它將迎來一個蓬勃發展的時期。





審核編輯：劉清