柔性傳感器在紡織服裝上的應用

吳海燕，李艷梅

(上海工程技術大學 紡織服裝學院，上海 201620)

現今人們對于服裝的需求不再局限于防寒保暖，智能個性化的設計成為現代人們對紡織服裝的新需求，智能服裝的研發逐漸成為熱點，其市場應用也在逐步推廣。

在滿足人們智能個性化需求方面，剛性傳感器與柔性傳感器都發揮了重要的作用。目前對于剛性可穿戴式傳感器材料及設備的研究已較為成熟，并在醫療保健方面發揮了重要的作用。例如Apple Watch Series 4、歐姆龍的Heart Guide對人體心率、血壓等具有實時監測的功能[1]。然而剛性傳感器因其自身材料的特性，無法滿足人們對于智能服裝柔軟舒適、可折疊彎曲、可洗滌等要求，因而柔性傳感器的研究成為了研究熱點。

柔性傳感器是指采用柔性材料制成的傳感器，較剛性傳感器而言，具有體積小、延展性優良、柔軟性好等特點[2]。柔性傳感器的優勢使其在醫療電子、環境監測和智能可穿戴等領域具有良好的應用前景，如在智能可穿戴方面，服裝作為“第二皮膚”是獲取人體信號的最佳媒介，將柔性傳感器與服裝結合后，更易測得人體的相關數據。但是較高的技術要求制約了柔性傳感器的發展，如柔性傳感器因其易拉伸形變的特性導致其穩定性、耐久性等較差。因而如何改善柔性傳感器穩定性不足、耐久性差等缺點，充分發揮柔性傳感器優勢，也成為了國內外的研究熱點。

本文詳細介紹了各類柔性傳感器，分析了近年來國內外各類柔性傳感器在醫療保健、人體監測及運動等領域上的應用，總結了將柔性傳感器應用在紡織服裝上所面臨的挑戰及應對建議，為柔性傳感器與紡織服裝的結合發展提供理論借鑒。

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[3]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。柔性電容式傳感器以導電薄膜、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，還能感知外界環境變化，靈敏度高且空間分辨率大[4]。全勇等[5]利用銀納米線(AgNWs)及聚二甲基硅氧烷(PDMS)制備出微納結構的柔性電容式傳感器，并通過實驗得出AgNWs/PDMS柔性電容式傳感器在微納結構下的靈敏度優于平面結構下的靈敏度。LIANG等[6]以碳海綿(Carbon Sponge,簡稱CS)作為可壓縮基底，通過恒電流沉積及低溫熱處理技術，制備CS-Fe2O3-12電極在電流密度為1 A/g時的最大比電容為294 F/g，且經過10 000次恒電流充放電后，電容量仍然能保持初始值的81%。

1.2 柔性壓阻式傳感器

壓阻式傳感器[7]是利用一種可通過應力改變材料電阻率的柔性材料和集成電路技術制成的傳感器，通過測量電路中的輸出電信號變化即可得到對應應力的數據變化，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、結構簡單和靈敏度高等優點，廣泛地應用于航天航空、航海、生物醫學等領域[8]。常用的材料為石墨烯高聚物、炭黑高聚物、半導體硅和鍺等。SHOIEB等[9]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)納米復合材料。通過將CNF分散到PDMS中,獲得的納米復合材料具有優良的導電性且成本低，可用于制作各種形狀的傳感器。XU等[10]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)導電泡沫，具有極高的壓縮敏感性、機械性能和導電性，可用于檢測微壓或微應變狀態。

1.3 柔性壓電式傳感器

壓電式傳感器[11]是利用外界作用后壓電材料發生形變導致材料電極發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、質量輕、結構簡單、性能穩定，主要用于壓力和加速度的測試，因此被廣泛應用于生物醫學、電聲學等技術領域。常見的壓電材料有陶瓷、石英晶體、聚氟乙烯、錦綸等。ALI[12]通過多步驟合成了四氧化三鐵(Fe3O4)/氧化石墨烯(GO)，從而實現Fe3O4納米顆粒和氧化石墨烯納米板復合后的高協同作用。GUO等[13]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[14]是利用線圈自感或互感系數的變化來實現非電量電測的一種裝置。其具有結構簡單、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點。通常電感式傳感器的傳感線圈常采用導電纖維、導電紗線與服裝結合，從而實現人體呼吸監測及動作捕捉等功能。WIJESIRIWARDANA等[15]將氨綸(萊卡)纖維與導電紗線進行編織，制備出管狀電感式傳感器。

1.5 柔性光纖傳感器

光纖傳感器[16]是利用光學性質變化原理制成的傳感器，通過光纖將外界物理量轉變為光信號進行測量[17]。光纖傳感器具有許多優良性能，其能夠代替人們進入一些高危的區域進行信號檢測，如高溫區、核輻射區，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、體積小等優勢，因此將光纖應用于紡織服裝后可用于測量壓力、溫度等物理量，并廣泛應用于航空航天、軍事、通信等領域[18]。ROTHMAIER等[19]利用聚硅氧烷-脲共聚物制備出具有熱塑性的硅樹脂纖維，該纖維的彈性優于傳統的光纖纖維，編入紡織品中不會破壞紡織品原有的彈性及柔軟舒適度。GUO等[20]制備了一種由石墨烯納米片(GNP)與聚二甲基硅氧烷(PDMS)復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變，具有低檢測極限、快速響應和高重復性等優點。

2 柔性傳感器的應用

2.1 柔性電容式傳感器的應用

YAPICI 等[21]基于電容耦合原理研發了一種石墨烯紡織電極，并在信號保真度、頻率響應和接觸阻抗方面與傳統銀(Ag)/氯化銀(AgCl)凝膠電極進行比較，證明了該電極在進行神經活動測量中有較好的穩定性。雖然該紡織電極接觸阻抗高于傳統Ag/AgCl凝膠電極，但對信號保真度無顯著影響，且與傳統Ag/AgCl凝膠電極相比，該紡織電極對皮膚無傷害、成本較低，故可應用于心臟活動、肌肉活動和神經活動的個性化監測。

SHI等[22]利用“三明治結構”的電容式壓力傳感器，設計了一款柔性鍵盤。陣列式可穿戴鍵盤具有很高的靈敏度，能夠清晰地區分每個像素施加的壓力，并實現了與傳統鍵盤類似的功能。“三明治結構”圖見圖1。

圖1 “三明治結構”圖

2016年美國牛仔品牌利瓦伊斯率先推出一款由美國麻省理工大學媒體實驗室研發的音樂外套，不僅能播放、儲存音樂，還能收聽電臺[23]。音樂播放功能主要是由一個全布料電容鍵盤控制，只需輕輕一按，衣服就會開始播放音樂。此外，音樂外套還是一個環保的“音樂播放器”，其能量來源主要依靠太陽能、風能等可持續能源。

2.2 柔性壓阻式傳感器的應用

SONG等[24]利用二維材料(MXene)與聚二甲基硅氧烷(PDMS)復合制成具有良好彎曲性能的中空壓阻式柔性傳感器，在輕觸和重壓狀態下，該傳感器具有不同的響應。并將傳感器應用于面部肌肉運動、不同角度的手指彎曲、不同速度的手腕彎曲以及眼皮運動試驗中，實驗結果表明在不同的運動狀態下，該壓阻式傳感器輸出的電阻數值會發生明顯的變化。因此將柔性壓阻式傳感器在與紡織品結合制成智能可穿戴設備后，可在人體監測、面部情緒識別方面發揮重要作用。

LIU等[25]基于硅橡膠與碳化三聚氰胺海綿結合制備了柔性壓力傳感器，并將該傳感器應用于足底壓力檢測。實驗結果表明，在行走、跑步、上坡及下坡狀態時，該柔性傳感器所反應出的電阻變化有所不同，故該柔性傳感器可用于足底運動狀態的分類。

2.3 柔性壓電式傳感器的應用

2016年，谷歌公司聯合 Levi′s推出了一款智能夾克Project Jacquard[26]。Jacquard左手袖克夫處采用了新型可觸控布料代替了傳統布料，穿著者可以根據自己的喜好設定手機指令，后者只需通過觸摸衣服即可完成操控，例如在騎車或者開車時使用手機存在一定安全隱患，將這種新型可觸控面料與衣服相結合，可降低因看手機屏幕發生危險的概率。

CHEN等[11]利用絲素蛋白和聚偏氟乙烯(PVDF)納米纖維在導電織物上制備了一種全纖維混合壓電增強摩擦的壓電式傳感器，該傳感器可通過手勢與相應電信號之間的相關性來識別各種類型的身體運動，實現人體的運動監測，可應用于老年人和危險地區工作者防摔預警。

2.4 柔性電感式傳感器的應用

劉官正等[27]利用電感傳感器制成呼吸監測腰帶，并對穿著者不同生活狀態下的呼吸進行監測。結果表明該電感式呼吸監測腰帶可用于日常生活狀態下的呼吸監測。

硅谷新創公司Lumo Bodytech公司研發的Lumo Run智能跑步姿勢追蹤器[28]，將智能跑步短褲和帽子組合在一個柔性傳感器上，來監測運動指標，例如穿著者的跑步節奏、足部與地面接觸時間、骨盆旋轉的角度和步伐長度。該智能裝備還支持實時教練，將回饋實時發送到耳機，及時幫助改善跑步形式降低受傷的概率。

2.5 柔性光纖傳感器的應用

相較于電傳感器，光纖傳感器在軍事領域[29]、醫療領域[30-31]中發揮著極其重要的作用，尤其在人類活動監測方面發揮著巨大作用。KREBBER等[30]研發出了一款光纖布拉格光柵(FBG)傳感器可穿戴系統，利用胸部呼吸傳感器和腹部呼吸傳感器進行人體呼吸監測，可以進行連續呼吸運動監測，從而便于醫療機構工作人員對病人進行實時呼吸監測。

GUO 等[20]利用石墨烯納米片(GNP)-聚二甲基硅氧烷(PDMS)納米復合材料制備了一種光纖傳感器，該傳感器可廣泛用于人類活動監測，從微妙的手腕脈沖到大規模的關節彎曲監測，以及在運動神經元疾病的診斷及評估中發揮作用。

3 結束語

本文重點介紹了柔性電容式傳感器、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的工作原理及其應用的研究進展。目前，柔性傳感器因其成本低，延展性能優良和適應服裝柔性需求的特性在醫療保健、人體監測等方面得到快速的發展，在一定程度上滿足了人們對服裝智能化的需求，同時也為人們的日常生活提供了便利。

然而，柔性傳感器在實際應用中仍面臨著巨大挑戰。在材料耐久性、結構穩定性及數據測量精度等方面柔性傳感器還無法超越傳統剛性傳感器，且現有的柔性傳感器與紡織服裝結合后，仍需依托于外接電路實現傳感功能，無法獨立發揮傳感作用。因此，加強新型柔性材料的研發，優化制作工藝，提升數據采集和處理能力成為了柔性傳感器未來的發展方向。