近年來，智能可穿戴設(shè)備在醫(yī)療、軍事、航空航天等領(lǐng)域已經(jīng)有較為廣泛的應(yīng)用，隨著智能紡織品技術(shù)不斷進(jìn)步，可穿戴設(shè)備也逐漸進(jìn)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(fā)展空間。由于人類生理及活動需求，智能可戴設(shè)備不僅需要具有穩(wěn)定的監(jiān)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(shè)備的核心模塊，其柔性化是智能可穿戴設(shè)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(shè)備上的應(yīng)用，關(guān)注最新國內(nèi)外研究人員不斷對柔性織物傳感器進(jìn)行改良與創(chuàng)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(jié)構(gòu)使其能夠成為智能可穿戴設(shè)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(jié)合，制成的適應(yīng)各類可穿戴設(shè)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(chǔ)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(shè)備上的應(yīng)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(tài)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(yīng)。

柔性電容式傳感器以導(dǎo)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(jié)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(huán)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(yīng)力改變材料電阻率的柔性材料和集成電路技術(shù)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(yīng)應(yīng)力的數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)簡單和靈敏度高等優(yōu)點，廣泛地應(yīng)用于航天航空、航海、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

常用的材料為石墨烯高聚物、炭黑高聚物、半導(dǎo)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(fù)合材料。通過將CNF 分散到 PDMS 中，獲得的納米復(fù)合材料具有優(yōu)良的導(dǎo)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(dǎo)電泡沫，具有極高的壓縮敏感性、機械性能和導(dǎo)電性，可用于檢測微壓或微應(yīng)變狀態(tài)。

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(fā)生形變導(dǎo)致材料電極發(fā)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(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定，主要用于壓力和加速度的測試，因此被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、電聲學(xué)等技術(shù)領(lǐng)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(xué)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(xiàn) Fe3O4納米顆粒和氧化石墨烯納米板復(fù)合后的高協(xié)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(shù)的變化來實現(xiàn)非電量電測的一種裝置。其具有結(jié)構(gòu)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(yōu)點。

通常電感式傳感器的傳感線圈常采用導(dǎo)電纖維、導(dǎo)電紗線與服裝結(jié)合，從而實現(xiàn)人體呼吸監(jiān)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(xué)性質(zhì)變化原理制成的傳感器，通過光纖將外界物理量轉(zhuǎn)變?yōu)楣?a target="_blank">信號進(jìn)行測量。光纖傳感器具有許多優(yōu)良性能，其能夠代替人們進(jìn)入一些高危的區(qū)域進(jìn)行信號檢測，如高溫區(qū)、核輻射區(qū)，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(yōu)勢，因此將光纖應(yīng)用于紡織服裝后可用于測量壓力、溫度等物理量，并廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、通信等領(lǐng)域。有學(xué)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(yōu)于傳統(tǒng)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(xué)者制備了一種由石墨烯納米片(GNP) 與聚二甲基硅氧烷( PDMS) 復(fù)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(yīng)變，具有低檢測極限、快速響應(yīng)和高重復(fù)性等優(yōu)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(jié)構(gòu)中，通過其敏感性能將待測物理量轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號來進(jìn)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(dǎo)電復(fù)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(dǎo)電涂層織物，是現(xiàn)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(yīng)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(yīng)用，因此技術(shù)發(fā)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(dǎo)電涂層制得的柔性織物應(yīng)變傳感器，且研究發(fā)現(xiàn)真絲織物在不同方向上的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)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(dǎo)電油墨在滌綸織物表面直接打印導(dǎo)電涂層，制成了具有較高探測系數(shù)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(wǎng)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(dǎo)電性能。 涂覆法制備柔性織物傳感器時，生產(chǎn)工藝較為簡單，且容易控制反應(yīng)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(yōu)點；然而由于沉積或印刷過程的均勻性較難控制，涂層的導(dǎo)電性能會受到一定影響，同時也受限于導(dǎo)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(fù)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(dǎo)電材料進(jìn)行改性處理增強與織物間的附著強力，或利用織物組織結(jié)構(gòu)作為支撐改變導(dǎo)電材料分布結(jié)構(gòu)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(dǎo)電紗線直接進(jìn)行織造，得到具有傳感性能的導(dǎo)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(dǎo)電性能，較低的抗彎剛度，均勻的細(xì)度和捻度，良好的強度、延伸性和柔軟性，因此關(guān)鍵在于導(dǎo)電紗線的選擇或制備。 目前導(dǎo)電紗線的制備方式有兩類：一種是將本身具有導(dǎo)電能力的纖維直接紡制成紗線，常用的有金屬導(dǎo)電纖維、碳系導(dǎo)電纖維以及有機高分子導(dǎo)電纖維；另一種則是將普通非導(dǎo)電紗線進(jìn)行特殊處理后使其具備一定的導(dǎo)電性能，常見的有涂覆導(dǎo)電紗線以及復(fù)合紡絲制成的導(dǎo)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(xiàn)階段主要用于應(yīng)變傳感器以及壓阻式壓力傳感器的制備。 學(xué)者們通過對導(dǎo)電紗線制備過程進(jìn)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(xué)者利用富銀外殼的復(fù)絲結(jié)構(gòu)，將銀納米顆粒加入到具有多絲機構(gòu)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(yīng)變織物傳感器。 現(xiàn)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(dǎo)電紗線的制備外，織入法的紡織工序較為繁瑣，生產(chǎn)的時間成本較高；同時由于與普通紗線相比，導(dǎo)電紗線通常強度較低且抗彎剛度較大，織造過程中易發(fā)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(jìn)行一定的工藝設(shè)計來保證其完整性；另外，織物產(chǎn)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(zhǔn)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(jié)構(gòu)，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(shè)備的集成也更加靈活多變，是用于人體監(jiān)測等智能服裝的柔性織物傳感器的較優(yōu)選擇。因此，簡化織入法生產(chǎn)工藝，對導(dǎo)電纖維進(jìn)行改性處理提高其可紡性能，對織物進(jìn)行后整理提高其精確度和準(zhǔn)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(yīng)用于傳感器與可穿戴設(shè)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(shè)備中。而將其應(yīng)用到柔性織物傳感器的制作，就是將柔性導(dǎo)電薄膜或?qū)щ娂{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(jié)構(gòu)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(dǎo)電材料的選擇和織物結(jié)構(gòu)的設(shè)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(chǎn)生相對滑移，且導(dǎo)電材料和織物結(jié)構(gòu)間存在滯后性，這類織物傳感器的測量準(zhǔn)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(nèi)部組成結(jié)構(gòu)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(chǎn)步驟，是目前最可能實現(xiàn)柔性織物傳感器批量生產(chǎn)的制備方式，且在一體成型的針織監(jiān)測服裝或可穿戴設(shè)備生產(chǎn)中具有一定優(yōu)勢。因此，對封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，減少人體活動中可能造成的傳感器滑移，提高測量準(zhǔn)確性和精確度，保證使用過程中良好的穩(wěn)定性和重復(fù)性是封裝法制備柔性織物傳感器的優(yōu)化方向。

3.

柔性傳感器在智能服裝中的優(yōu)勢及弊端

3.1

柔性傳感器在智能服裝中的優(yōu)勢

柔性傳感器可檢測人體在任何環(huán)境、任何時間和任何狀態(tài)下的身體狀況， 相較于傳統(tǒng)的檢測手段，其突出優(yōu)勢表現(xiàn)在受客觀因數(shù)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(yōu)勢明顯，可根據(jù)人體運動時肌肉產(chǎn)生的拉伸及不同受力點來檢測人體肌肉發(fā)力情況，并敏銳地捕捉其變化，可作為專業(yè)體育訓(xùn)練的檢測服，以調(diào)整不科學(xué)的運動方式，提高身體運動機能水平，并能有效指導(dǎo)運動服設(shè)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(yōu)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(shù)據(jù)，其多運用在老年智能服裝及醫(yī)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(yōu)勢明顯，多用于兒童的智能服裝。當(dāng)兒童體溫出現(xiàn)不正常趨勢時，感應(yīng)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(shè)備，讓孩子能夠及時就醫(yī)。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(yōu)勢明顯，對于有害物質(zhì)及乙醇等氣體能夠做出及時反應(yīng)。

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(yīng)用，與功能性服裝產(chǎn)品相比，成本價格較高，社會基礎(chǔ)設(shè)施程度與柔性傳感器發(fā)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(chǎn)品。與硬件傳感器相比，柔性傳感器采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性相對較差，柔性傳感器需緊身穿著才能保證其人體數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，如果傳感器不貼身，便無法保證數(shù)據(jù)的可靠性，喪失了柔性傳感器的靈敏性。與傳統(tǒng)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(yīng)器在服裝上的運用而言，柔性化是傳感器的一大進(jìn)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(fā)展過程中不可 忽視的局限性。 為了進(jìn)入市場， 規(guī)模性生產(chǎn)是降低其成本的關(guān)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(chǎn)技術(shù)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(huán)境中的技術(shù)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(yīng)集中于新面料的試驗， 復(fù)合新型面料才是柔性傳感器的發(fā)展方向；針對柔性傳感器靈敏度方面的不足，應(yīng)對感應(yīng)器件在柔性基底上的分布密度進(jìn)行加大，其達(dá)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(yīng)用中的發(fā)展前景

在特殊職業(yè)中，智能服裝的發(fā)展前景良好，多種柔性傳感器在智能服裝中的應(yīng)用將發(fā)揮巨大的實用效益。針對沙漠環(huán)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(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，利于工作人員隨時掌握自身的健康狀況及環(huán)境情況。在這個過程中，人員信息與網(wǎng)絡(luò)同步，當(dāng)人員發(fā)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(dāng)極地工作人員或探險人員出現(xiàn)身體異常時，感應(yīng)器會及時感知，并將身體健康信息及坐標(biāo)位置傳輸給救援隊，使其能在第一時間得到救援。

結(jié) 語

柔性傳感器在智能服裝中的應(yīng)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(fā)展趨勢適應(yīng)于社會發(fā)展態(tài)勢。一項技術(shù)從萌發(fā)到成熟，其速度的周期是越來越短的，并呈指數(shù)式縮短。 科學(xué)技術(shù)引領(lǐng)傳統(tǒng)行業(yè)的發(fā)展，智能服裝技術(shù)引領(lǐng)傳統(tǒng)服裝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而柔性傳感器決定了智能服裝的發(fā)展。高新科技發(fā)展的時代孕育了大量的智能產(chǎn)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(chǎn)品功能都是由傳感器實現(xiàn)的。傳感器在更柔軟、更環(huán)保的同時，采集人體及環(huán)境信息數(shù)據(jù)也更加準(zhǔn)確，且與增強現(xiàn)實技術(shù)無縫對接，可幫助穿著者及使用者提高生活質(zhì)量及工作效率。

審核編輯 ：李倩