纖維材料與可穿戴技術的融合與創新

王 棟， 卿 星， 蔣海青1,， 鐘衛兵， 李沐芳1,

(1. 武漢紡織大學 湖北省紡織新材料及其應用重點實驗室, 湖北 武漢 430200； 2. 武漢紡織大學 材料科學與工程學院, 湖北 武漢 430200； 3. 東華大學 化學化工與生物工程學院, 上海 201620)

在柔性可穿戴產品商品化，人工智能、智能制造等新興產業群蓬勃發展的大背景下，全球市場逐漸涌現出一批被廣泛應用于健康監測、移動通信、軍事、體育、教育和娛樂等領域的智能可穿戴產品，如蘋果智能手表、小米智能手環、索尼智能頭盔、耐克智能鞋等，但傳統攜帶式可穿戴電子設備無法滿足人們對產品質輕、柔順、體積小、穿著舒適、功能齊全等全方位需求。

纖維材料是紡織品的基本組成單元，具有柔軟、輕便、吸濕、透氣、可編織等特點，基于紡織、材料、電子、通信、生物、能源等多學科交叉領域的柔性智能可穿戴紡織品為解決上述柔性智能可穿戴領域面臨的困境提供了新的解決思路。本文綜述了可穿戴技術的發展進程，纖維材料與智能可穿戴技術的融合方式與發展前景；介紹了纖維材料與智能可穿戴技術在脈搏及運動監測型應變傳感器、離子檢測與葡萄糖傳感等生化檢測型有機電化學晶體管、超級電容器及微生物燃料電池等領域的創新應用。

1 可穿戴技術

1.1 可穿戴技術概述

可穿戴技術萌芽于20世紀60年代，是一種將多媒體、傳感器和無線通信等技術嵌入服裝且滿足手勢和眼動等操作需求的技術[1]，該技術經過半個多世紀跌宕起伏的發展，已成為21世紀最引人矚目的技術熱點之一[2-3]。2012年谷歌眼鏡的發布標志著智能可穿戴設備元年開啟，隨后幾年由于全球互聯網技術、電子封裝技術、人機交互技術、機械加工工藝和系統集成等技術迅猛發展，一系列可穿戴智能產品逐漸問世[4-5]。目前絕大多數實驗室研制的智能可穿戴前沿產品普遍無法克服性能缺陷或批量生產難題，市面上主流的智能可穿戴產品大多面臨產品功能單一、續航能力低、價格昂貴、穿著舒適性差或可“戴”不可“穿”等困境，無法滿足大眾需求，同時嚴重限制了可穿戴產品市場空間。基于以上問題，學術界、工業界甚至各國軍方關于智能可穿戴產品討論十分熱烈，但全球智能可穿戴市場卻一直引而不發。

1.2 纖維基柔性智能可穿戴技術發展前景

柔性智能可穿戴技術是涉及多個交叉學科的系統工程。利用纖維材料制備柔性智能可穿戴產品的常見方法有3種：第一，研發智能纖維或智能紗線，通過針織、機織等織造方法直接生產智能可穿戴紡織品；第二，利用后整理等技術手段賦予普通纖維或紡織品適用于可穿戴產品的特殊功能；第三，將外接智能器件無縫融合到紡織品中。與其他智能可穿戴產品基材相比，一維結構的纖維材料具有價格低，質量輕，體積小，易編織等優點，且柔性可彎曲的纖維基器件可滿足人體三維扭曲形變需求，實現器件與人體皮膚最大程度上的貼合，改善產品散熱、透氣、導濕等穿著舒適性難題，為解決當前柔性智能可穿戴領域面臨的困境提供了新的解決思路。綜上，纖維的智能化發展、可穿戴技術與智能纖維、智能紡織品的融合創新是突破柔性智能可穿戴產業發展瓶頸的客觀需求和必然趨勢。

2 纖維基可穿戴應變傳感器

近年來，人類健康意識隨著經濟社會快速發展顯著增強，笨重而固定的醫療監護設備已遠遠無法滿足消費者需求[6]。應變傳感器因尺寸小、質量輕、響應時間短、分辨率高等優點在人體生理信號檢測[7]、表情識別[8]、醫療保健和運動實時監測[9]等領域均具有廣闊應用前景。

傳統應變傳感器很難與人體皮膚緊密貼合，其靈敏性、透氣性差，難以滿足可穿戴設備發展要求[10]。近年來基于柔性聚合物的新型可穿戴應變傳感器發展迅猛[11]，其中聚二甲基硅氧烷(PDMS)因質地柔軟[12]、輕薄、低模、化學性質穩定[13]、回彈性能好[14]等優勢被廣泛應用于柔性可穿戴應變傳感器。然而這類彈性體結構致密，即使構筑再完美的微觀結構，也很難貼合于人體皮膚或人形機器人的不規則表面，進而形成褶皺影響器件性能。而纖維基應變傳感器可保證器件對人體有良好的貼合性。

Zhong等[15]利用納米纖維構筑了表面具有規整凸起狀微觀陣列結構的電阻式壓力傳感器。通過微陣列中的聚烯烴彈性體(POE)納米纖維支架感知極小的壓力并形成互鎖結構，造成膜間距減小，導電通路增多，電阻降低；反之則電阻增大。該納米纖維基膜傳感器摩擦因數較大，可有效解決與皮膚間貼合性差等問題。將所制備的傳感膜裁剪成創口貼大小貼在手腕上，再通過藍牙設備將脈搏產生的壓力信號傳輸到手機上，即可實現對人體脈搏的實時監測。同時，傳感器檢測的脈搏信號與專業心電設備測得的心電圖信號波形及其相似，說明其在柔性可穿戴式人體生理信號檢測領域具有巨大的實際應用前景。

基于連續束狀納米纖維的制備方法[16]，Zhong等[17]嘗試設計了可直接制備成拉伸應變傳感器的束狀納米纖維基智能紗線，該紗線具有導電、回彈性及形變可逆等特點。通過解纏結和表面作用力將銀納米線固定到制備好的納米纖維束表面或者淺層，進而形成可逆的導電通路。將該纖維基傳感器放置在膝關節處、脖子或眼睛周圍，可有效監測人體不同的運動狀態、發音或表情引起的強弱拉力信號。這表明該傳感器在運動監測、表情識別、甚至醫療美容等領域具有可觀的應用前景。另外，這種紗線可被編織成各式各樣的智能紡織品，如將該紗線傳感器織到襪子里，當測試者站立、踮腳或跳躍時傳感器通過藍牙可輸出非常明顯的信號變化。

3 纖維基可穿戴有機電化學晶體管

有機電化學晶體管(OECTs)因工作電壓低(小于1 V)，可有效防止電解質水解，其柵電極和源漏極可分開制備，融入織物組織的可操作性強，可被應用于柔性可穿戴領域[18-19]。其中柵極材料經過特殊處理后可被應用于生化物質檢測，如唾液[20]、葡萄糖[21]、酒精[22]、乳酸[23]、離子[24]、多巴胺[25]等。

3.1 離子傳感領域

纖維基有機電化學晶體管(FECTs)所用導電纖維電極不僅擁有優異的電學性能，同時兼具纖維材料良好的柔順性和可編織性，在柔性傳感、生化檢測、健康管理、智能醫療等新興產業應用前景廣受矚目[21,26]。

Wang等[26]先將納米纖維(NFs)與錦綸(PA6)復合，再通過原位聚合聚吡咯(PPy)后得到導電纖維。使用NFs可增大纖維比表面積，誘導形成PPy納米線。由該導電纖維組裝成的FECTs器件的溝道電流(Ids)對K+、Ca2+、Pb2+和Al3+均有明顯響應，對Pb2+響應靈敏性最佳，其電流變化率由大到小為Pb2+、K+、Ca2+、Al3+。通過研究不同Pb2+濃度對器件轉移曲線影響時發現：隨著Pb2+濃度增加，Ids逐漸減小。器件對不同Pb2+濃度溶液響應程度各不相同，因此其可用于Pb2+檢測。由此可見，FECTs可有效檢測金屬離子，為實現基于健康監測的柔性智能可穿戴器件開拓了新思路。

3.2 葡萄糖傳感領域

健康人體血糖濃度值為3.8～6.1 mmol/L[27]、而糖尿病患者血糖濃度往往高于9 mmol/L[28]。目前絕大多數血糖儀均為侵入式，易造成創口感染，消費者迫切希望研發一款非侵入式唾液或汗液血糖檢測儀。

Wang等[29]在普通PA6纖維表面復合還原氧化石墨烯(rGO)薄膜后通過原位聚合PPy后獲得相互交錯的三維網狀PPy納米線作為活性材料，PPy納米線直徑約200～300 nm。PPy/rGO/PA6纖維經葡萄糖氧化酶和生物相容性膜溶液處理后制備FECTs柵電極，然后將其組裝成葡萄糖傳感器。葡萄糖濃度范圍為1～1×106nmol/L時該傳感器可在0.5 s內產生明顯電流響應，且5 s 內可達到相對平衡狀態；葡萄糖濃度范圍為1～5 000 nmol/L，傳感器在該區間展現出明顯的線性相關性，相關系數高達0.936 8，特異性曲線顯示器件對2種常用干擾物質尿酸(UA)和氨基酸(AA)無特殊反應，但對葡萄糖溶液響應明顯；且檢測同一濃度葡萄糖溶液具有優異重現性。該FECTs基葡萄糖傳感器檢測下限可低至1 nmol/L，滿足非侵入式唾液血糖儀檢測要求。

4 纖維基可穿戴超級電容器

超級電容器具有能量密度大、功率密度高、循環穩定性優異、環境友好等特點，被認為是最高效的能量儲存器件之一[30]。隨著智能可穿戴技術的不斷發展，傳統的剛性電極超級電容器已經無法滿足使用需求，纖維基柔性可穿戴超級電容器引起人們廣泛關注。

Liu等[31]使用纖維基材料制備超級電容器前對基材進行了各種功能化處理，在聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)非織造布上涂覆NFs，涂覆后電極表面比表面積、活性物含量均大幅提升；調節表面活性劑用量，通過化學氧化法在納米纖維表面合成顆粒狀、棒狀和線狀導電高分子。結果表明線狀的導電高分子電化學性能優于顆粒狀或棒狀。將含線狀導電高分子電極材料組裝成全固態柔性超級電容器器件，發現電極在彎曲狀態下不會造成電阻的變化；不同的彎曲狀態不會影響器件容量和穩定性，說明該器件的柔順性極好，且性能穩定，適合應用于可穿戴技術。

5 纖維基微生物燃料電池

微生物燃料電池可將生物質能轉化成電能，對緩解能源緊缺，解決環境污染具有重要的意義。普通微生物燃料電池存在能量密度低、循環穩定性差等缺點。陽極材料是決定微生物燃料電池性能優異與否的決定因素，而纖維由于具有較高的比表面和孔隙率，可作為微生物有機質的優質載體，采用纖維基柔性電極制備微生物燃料電池陽極材料在柔性可穿戴能源供給、儲能及轉化領域具有重要意義。

Tao等[32]將NFs涂覆在PET基材表面，原位聚合PPy后得到微生物燃料電池(MFCs)陽極材料PPy/NFs/PET。結果表明線狀導電高分子更有利于電子傳遞，也為微生物的生長繁殖提供了更多的活性中心，對葡萄糖的氧化分解效率也更高。在相同的電流密度下負載納米纖維陽極材料輸出功率是未負載納米纖維陽極材料輸出功率的16.8倍。當加入葡萄糖后系統的負載分壓會達到一個平衡值，但隨著時間的延長，葡萄糖的不斷消耗分解，系統的負載分壓就會開始下降，重新補充葡萄糖后系統分壓又會重新升高，涂覆納米纖維的PPy/NFs/PET陽極具有更高的系統負載分壓，這表明PPy/NFs/PET陽極組成的系統具有更強的電能輸出能力。

6 結束語

隨著可穿戴產品智能終端化概念廣泛普及，柔性智能可穿戴技術已成為學術界和投資界的新風口。纖維基柔性智能可穿戴產品憑借著其獨特的一維結構，在可三維扭曲變形，可集成、可編織性，穿著舒適性等方面表現出明顯優勢，發展潛力巨大，可被廣泛應用于健康監測、智能醫療、生化傳感和能量轉化與存儲等新興行業。同時，纖維基柔性智能可穿戴技術必然是一門學科交叉型技術，要真正實現該技術，需要多學科的共同努力將可穿戴技術無縫融合到紡織服裝領域，讓服裝具有像生命體一樣的感知、變化、記憶、伺服、記憶、甚至學習等功能，真正成為人類的第2層皮。

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