背景介紹

智能紡織品為感知日常生活中的身體運動參數(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，在電子紡織品中實現(xiàn)完全無縫的一體成型制備。然而，當前的平面編織傳感器只被用來感測水平面中的應(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)既可以檢測垂直方向的壓力，也可以檢測經(jīng)紗/緯紗水平方向的應(yīng)變，可以感知2kPa以下的壓力。該論文從機械性能、穩(wěn)定性以及對汗液、洗滌等外部因素的反應(yīng)等方面對三種尺寸的間隔針織傳感器進行了測試。然后，評估了材料選擇對傳感器性能的影響并總結(jié)了材料選擇的經(jīng)驗。

此外，本研究對單個傳感器和多個傳感器陣列在幾種精細或大運動傳感的應(yīng)用場景進行了測試。測試結(jié)果表明，機器一體成型的針織壓阻傳感器可以從多方向檢測的肢體動作（垂直方向、經(jīng)線和緯線水平方向）。此外，這種針織傳感器是可定制的，可以輕松無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

現(xiàn)有的針織結(jié)構(gòu)傳感器難以滿足運動全方位檢測的應(yīng)變和壓力傳感要求因為：（1）平面/二維針織傳感器只能傳感水平面上的變形。然而，人體運動學涉及多方向運動參數(shù)的動態(tài)檢測，而單向運動監(jiān)測幾乎不能滿足復(fù)雜運動監(jiān)測任務(wù)的需要。因此，需要三維的針織結(jié)構(gòu)用于復(fù)雜運動參數(shù)的感知。（2） 人體對可穿戴產(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/紡織品傳感器無法滿足可穿戴產(chǎn)品的小規(guī)模測量要求。因此，需要開發(fā)小量程的紡織品傳感器，以實現(xiàn)舒適的身體穿戴。

該論文設(shè)計并評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)用于各種身體運動檢測。

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試-三種尺寸；（d） 測量三個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、該項目的間隔針織傳感器和TPU膜的透氣性測試結(jié)果；（d）間隔針織傳感器的排汗測試；以及（e）間隔編織傳感器的洗滌測試。

圖6. 間隔編織傳感器在實時精細運動監(jiān)測中的應(yīng)用：（a）手指彎曲，（b）頸部彎曲，以及（c）運動后呼吸。大運動的實時檢測：（d）膝蓋彎曲，（e）手腕上下彎曲，（f）手臂彎曲60°、90°、145°，（g）使用傳感陣列檢測由多個間隔編織傳感器制成的智能手表表帶上的互動手勢，以及（h）使用上衣上的間隔編織傳感器陣列檢測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，并被選作封面報道。該研究得到了國家自然科學基金項目、廣東省自然科學基金項目等項目支持。

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

第一作者：Mengqi Jiang






審核編輯：劉清