柔性织物传感器在智能服装及可穿戴设备上的应用

近年来，智能可穿戴设备在医疗、军事、航空航天等领域已经有较为广泛的应用，随着智能纺织品技术不断进步，可穿戴设备也逐渐进入人们的日常生活，在运动辅助与健康管理方面都拥有较大的发展空间。由于人类生理及活动需求，智能可戴设备不仅需要具有稳定的监测、辅助功能，还需要具备良好的服用性能。   传感器作为智能可穿戴设备的核心模块，其柔性化是智能可穿戴设备的重要研究方向。本文聚焦柔性织物传感器在智能服装及可穿戴设备上的应用，关注最新国内外研究人员不断对柔性织物传感器进行改良与创新上的成就！  纺织服装作为人体的“第二皮肤”，其柔软、贴体的服用性能以及灵活多变的结构使其能够成为智能可穿戴设备中各类电子元件的良好载体。

柔性织物传感器就是以纺织品作为基底，采用不同方式与传感材料或元件结合，制成的适应各类可穿戴设备需求的柔性传感器件。这类传感器在满足传感器物理机械性能的基础上，也保持了织物的手感以及柔韧性，部分甚至可以洗涤，使其在智能服装及可穿戴设备上的应用前景更为广泛。

智能服饰示意图  

1.

柔性传感器的分类

目前，柔性传感器按照感知机制主要分为5类:柔性电容式传感器、柔性压阻式传感器、柔性压电式传感器、柔性电感式传感器和柔性光纤传感器。

1.1

柔性电容式传感器

柔性电容式传感器主要基于电容器原理而制成的，由于其对于外力的敏感性较强，故在检测微小的静态力时所需能耗较低，且柔性电容式传感器具备良好的线性响应。

柔性电容式传感器以导电薄膜、纤维纱线等柔性材料制成两极板，间隔层通常使用弹性材料制成，将柔性电容式传感器与服装结合后制成的智能纺织品，不仅柔软舒适可弯曲形变，还能感知外界环境变化，灵敏度高且空间分辨率大。

电容式织物压力传感器工作原理  

1.2

柔性压阻式传感器

压阻式传感器是利用一种可通过应力改变材料电阻率的柔性材料和集成电路技术制成的传感器，通过测量电路中的输出电信号变化即可得到对应应力的数据变化，因此压阻式传感器主要用于压力、重力等物理量的测量。这类传感器具有柔软、结构简单和灵敏度高等优点，广泛地应用于航天航空、航海、生物医学等领域。

常用的材料为石墨烯高聚物、炭黑高聚物、半导体硅和锗等。SHOIEB等提出了一种具有压阻传感功能的聚二甲基硅氧烷 ( PDMS) /碳纳米纤维( CNF) 纳米复合材料。通过将CNF 分散到 PDMS 中，获得的纳米复合材料具有优良的导电性且成本低，可用于制作各种形状的传感器。XU 等采用低压氧等离子体处理来修饰和活化聚氨酯支架，制备了聚氨酯( PU) /碳纳米纤维( CNF) @ 炭黑( CB) 导电泡沫，具有极高的压缩敏感性、机械性能和导电性，可用于检测微压或微应变状态。

电阻式织物压力传感器作用机理  

1.3

柔性压电式传感器

压电式传感器是利用外界作用后压电材料发生形变导致材料电极发生变化的原理制成的传感器，通过测量电路中输出电量的变化即可得到作用力的变化。这类传感器频带宽、灵敏度高、质量轻、结构简单、性能稳定，主要用于压力和加速度的测试，因此被广泛应用于生物医学、电声学等技术领域。

压电式传感器工作原理

常见的压电材料有陶瓷、石英晶体、聚氟乙烯、锦纶等。有学者通过多步骤合成了四氧化三铁( Fe3O4 ) /氧化石墨烯( GO) ，从而实现 Fe3O4纳米颗粒和氧化石墨烯纳米板复合后的高协同作用。研究出利用丝素蛋白和聚偏氟乙烯( PVDF) 纳米纤维制备了一种全纤维混合压电式传感器。  

1.4

柔性电感式传感器 

电感式传感器是利用线圈自感或互感系数的变化来实现非电量电测的一种装置。其具有结构简单、灵敏度高、输出功率大、阻抗小、抗干扰能力强及测量精度高等一系列优点。

通常电感式传感器的传感线圈常采用导电纤维、导电纱线与服装结合，从而实现人体呼吸监测及动作捕捉等功能。

柔性电感式传感器 研究成果图  

1.5

柔性光纤传感器

光纤传感器是利用光学性质变化原理制成的传感器，通过光纤将外界物理量转变为光信号进行测量。光纤传感器具有许多优良性能，其能够代替人们进入一些高危的区域进行信号检测，如高温区、核辐射区，还能接收人的感官所感受不到的外界信息。

此外光纤传感器还具有灵敏度高、形状可塑性强、体积小等优势，因此将光纤应用于纺织服装后可用于测量压力、温度等物理量，并广泛应用于航空航天、军事、通信等领域。有学者利用聚硅氧烷－脲共聚物制备出具有热塑性的硅树脂纤维，该纤维的弹性优于传统的光纤纤维，编入纺织品中不会破坏纺织品原有的弹性及柔软舒适度。也有学者制备了一种由石墨烯纳米片(GNP) 与聚二甲基硅氧烷( PDMS) 复合而成的高度可伸缩光纤，其可以通过光穿过的强烈吸收和散射来量化拉伸应变，具有低检测极限、快速响应和高重复性等优点。 

柔性光纤传感器成果图  

2.

制备方式

柔性织物传感器以纺织品作为柔性基底，采用不同制备方式将传感材料加入纺织品结构中，通过其敏感性能将待测物理量转化为电学信号来进行测量。目前制备柔性织物传感器的方式主要有涂覆法、织入法和封装法。

2.1

涂覆法

涂覆法是指将金属颗粒、碳基材料或高分子导电复合材料通过沉积、印刷或拼贴等方式附着于织物表面形成导电涂层织物，是现阶段最常见的柔性织物传感器制备方式，具体见表 1，其中沉积和印刷是被广泛应用的涂覆方式。

表 1 ：涂覆法具体分类   目前，涂覆法在各类柔性器件的制备中被广泛应用，因此技术发展也较为成熟。采用真空过滤法将氧化石墨烯附着于丝织物表面，再通过热压法将氧化石墨烯还原为石墨烯并在丝织物表面形成导电涂层制得的柔性织物应变传感器，且研究发现真丝织物在不同方向上的力学性能和结构使得传感器具有异向传感性能。   有的采用分配器印刷方式使用导电油墨在涤纶织物表面直接打印导电涂层，制成了具有较高探测系数和测试范围的近距离电容式柔性织物传感器。有的则在涤纶( PET) 织物上喷涂石墨溶液喷雾制备电容式柔性织物压力传感器电极，并用丝网印刷方式添加聚苯乙烯磺酸盐( PEDOT: PSS) 形成后涂层来改善织物的导电性能。   涂覆法制备柔性织物传感器时，生产工艺较为简单，且容易控制反应条件，在涂覆材料和附着方式等方面具有较多选择，具有更广泛的研究空间。涂覆法制备得到的柔性织物传感器通常具有灵敏度高、线性度好、测量范围广等优点；然而由于沉积或印刷过程的均匀性较难控制，涂层的导电性能会受到一定影响，同时也受限于导电材料与织物基体之间的附着强度，存在不耐摩擦及洗涤，重复性和耐用性较差的问题，另外涂层的伸长延展性能较差，会影响织物的手感和服用性能。因此，通过对导电材料进行改性处理增强与织物间的附着强力，或利用织物组织结构作为支撑改变导电材料分布结构等方式来改善柔性织物传感器耐用性和服用性能，是提升柔性织物传感器性能研究的有利方向。  

2.2

织入法

与涂覆法相比，织入法是将导电纱线直接进行织造，得到具有传感性能的导电机织物或针织物。织入法制备柔性织物传感器要求纱线具有良好的导电性能，较低的抗弯刚度，均匀的细度和捻度，良好的强度、延伸性和柔软性，因此关键在于导电纱线的选择或制备。     目前导电纱线的制备方式有两类：一种是将本身具有导电能力的纤维直接纺制成纱线，常用的有金属导电纤维、碳系导电纤维以及有机高分子导电纤维；另一种则是将普通非导电纱线进行特殊处理后使其具备一定的导电性能，常见的有涂覆导电纱线以及复合纺丝制成的导电纱线。  织入法制备得到的柔性织物传感器具有更好的拉伸性和延展性，现阶段主要用于应变传感器以及压阻式压力传感器的制备。   学者们通过对导电纱线制备过程进行探究和实验，以改善柔性织物传感器的传感和服用性能。有学者利用富银外壳的复丝结构，将银纳米颗粒加入到具有多丝机构的弹性纤维中，再注入银离子，织造得到具有高度可拉伸性能和灵敏度的应变织物传感器。     现阶段采用织入法制备柔性织物传感器还存在一定问题。除导电纱线的制备外，织入法的纺织工序较为繁琐，生产的时间成本较高；同时由于与普通纱线相比，导电纱线通常强度较低且抗弯刚度较大，织造过程中易发生断裂或损伤，影响织物传感器的传感性能，因此传感部位需要进行一定的工艺设计来保证其完整性；另外，织物产生形变时造成纱线间的相对滑移也会影响织物传感器的准确性。   然而织入法制得的柔性织物传感器仍然具备较高的灵敏度和线性度，同时由于保留了织物组织结构，因而具有更贴近服装的手感、舒适性和良好的耐用性、耐水洗等服用性能，与可穿戴设备的集成也更加灵活多变，是用于人体监测等智能服装的柔性织物传感器的较优选择。因此，简化织入法生产工艺，对导电纤维进行改性处理提高其可纺性能，对织物进行后整理提高其精确度和准确性是研究织入法制备柔性织物传感器的重要方向。

2.3

封装法

封装法最早应用于传感器与可穿戴设备的集成，是将传感器件采用缝合或包埋等较为机械的方式加入到智能服装或设备中。而将其应用到柔性织物传感器的制作，就是将柔性导电薄膜或导电纳米线等柔性传感材料通过缝合或包埋的形式加入到织物结构中来制作具有织物基底的柔性传感器。

智能服饰包埋示意图   封装法制备柔性织物传感器主要考虑的是柔性导电材料的选择和织物结构的设计，集成的方式较为简单，但也存在一些问题。由于传感器与织物相互独立，两者分离易在使用过程中产生相对滑移，且导电材料和织物结构间存在滞后性，这类织物传感器的测量准确性会受到一定影响；同时为使织物能较为紧密地包裹传感器件，传感部位的拉伸性和柔韧性受限，会降低织物传感器的服用性能和舒适性。

传感器的内部组成结构和贴在织物上的示意图   然而将具有柔性的传感器件直接集成到织物中的方式能够简化生产步骤，是目前最可能实现柔性织物传感器批量生产的制备方式，且在一体成型的针织监测服装或可穿戴设备生产中具有一定优势。因此，对封装结构进行优化，减少人体活动中可能造成的传感器滑移，提高测量准确性和精确度，保证使用过程中良好的稳定性和重复性是封装法制备柔性织物传感器的优化方向。

3.

柔性传感器在智能服装中的优势及弊端

3.1

柔性传感器在智能服装中的优势

柔性传感器可检测人体在任何环境、任何时间和任何状态下的身体状况， 相较于传统的检测手段，其突出优势表现在受客观因数的制约较小。    柔性压力传感器运用在检测人体运动状况的智能服装中优势明显，可根据人体运动时肌肉产生的拉伸及不同受力点来检测人体肌肉发力情况，并敏锐地捕捉其变化，可作为专业体育训练的检测服，以调整不科学的运动方式，提高身体运动机能水平，并能有效指导运动服设计的不断完善。柔性湿度传感器运用在检测人体汗液的智能服装中优势明显，老年人的身体健康状况可由汗液反映，此传感器可以及时地检测出穿着者的身体健康数据，其多运用在老年智能服装及医疗检测智能服装中。     柔性温度传感器运用在检测感知力低下人群的智能服装中优势明显，多用于儿童的智能服装。当儿童体温出现不正常趋势时，感应器会及时检测到异样信息，然后传递到父母手机或电脑终端设备，让孩子能够及时就医。柔性气味传感器运用在检测外部危险气体的智能服装中优势明显，对于有害物质及乙醇等气体能够做出及时反应。    

3.2

柔性传感器在智能服装中的局限性及改善

柔性传感器在智能服装中的应用，与功能性服装产品相比，成本价格较高，社会基础设施程度与柔性传感器发展速度不匹配是其成本无法下降的原因，使其止步于高昂的实验产品。与硬件传感器相比，柔性传感器采集数据的准确性相对较差，柔性传感器需紧身穿着才能保证其人体数据采集的准确性，如果传感器不贴身，便无法保证数据的可靠性，丧失了柔性传感器的灵敏性。与传统服用面料相比，其舒适度较低，柔性传感器的舒适度与硬性感应器在服装上的运用而言，柔性化是传感器的一大进步，但这也是相对而言，柔性传感器的薄膜材料与真正柔软的衣着面料还是存在一定差异。以上的几点都是其发展过程中不可 忽视的局限性。     为了进入市场， 规模性生产是降低其成本的关键，针对柔性传感器价格方面的不足，采用廉价的新型材料、简易的加工工艺及成熟的生产技术均能有效降低成本，其前期试验投入不可小觑，此项目在社会大环境中的技术成熟到一定程度后， 成本便会降低。针对柔性传感器舒适度方面的不足，应集中于新面料的试验， 复合新型面料才是柔性传感器的发展方向；针对柔性传感器灵敏度方面的不足，应对感应器件在柔性基底上的分布密度进行加大，其达到一定密度要求、并具有一定的紧身性时，便能限制外在因素的干扰，使智能服装具备灵敏性。    

3.3

柔性传感器在智能服装应用中的发展前景

在特殊职业中，智能服装的发展前景良好，多种柔性传感器在智能服装中的应用将发挥巨大的实用效益。针对沙漠环境工作人员穿着的智能服装，温度传感器及湿度传感器不仅能够检测工作人员的生命特征，也能对外部恶劣环境进行监测，利于工作人员随时掌握自身的健康状况及环境情况。在这个过程中，人员信息与网络同步，当人员发生危险时，利于搜救，有效降低伤亡率。针对极地工作人员穿着的智能服装，温度传感器及压力传感器可以分别检测人体温度状况和人体生命特征，当极地工作人员或探险人员出现身体异常时，感应器会及时感知，并将身体健康信息及坐标位置传输给救援队，使其能在第一时间得到救援。        

结 语

柔性传感器在智能服装中的应用让穿着者随时随地了解自己的身体状况，可做日常生活服装穿着，其发展趋势适应于社会发展态势。一项技术从萌发到成熟，其速度的周期是越来越短的，并呈指数式缩短。    科学技术引领传统行业的发展，智能服装技术引领传统服装产业的发展，而柔性传感器决定了智能服装的发展。高新科技发展的时代孕育了大量的智能产品，除智能服装外，还有智能头箍、智能眼镜和智能手表等， 但这些产品功能都是由传感器实现的。传感器在更柔软、更环保的同时，采集人体及环境信息数据也更加准确，且与增强现实技术无缝对接，可帮助穿着者及使用者提高生活质量及工作效率。

审核编辑 ：李倩