針織傳感器在運動健康服裝領域的研究進展

馬丕波， 劉 青， 牛 麗， 李煜天

(江南大學 教育部針織技術工程研究中心，江蘇 無錫 214122)

隨著科學技術的發展和國民健康意識的增強[1-2]，人們對可實現日常無感、實時監測人體運動數據的可穿戴產品需求愈加迫切，由此催生了智能手環、運動腕帶等智能可穿戴設備[3]。目前，這些智能可穿戴設備[4]多利用重力傳感器、多軸加速度傳感器及圖像傳感技術進行人體運動信息采集，在日常感測中雖能較好地反映人體運動狀態，但仍存在硬度高、彈性差等穿著舒適性欠佳及運動細節信號缺失等技術性問題[5-6]。因此，開發集成度高、舒適可穿戴的柔性應變傳感器，實現人體信號傳感或運動識別是當前亟待解決的重要問題。

針織應變傳感器是將導電紗線通過不同的工藝制得導電針織物或對針織物進行導電性處理，形成具有傳感性能的智能可穿戴器件。針織物基體輕質且柔軟，可有效提高傳統智能紡織品的穿著舒適性；針織結構的大應變及較好的拉伸回復性，符合智能運動健康傳感監測的要求[7-8]。文中主要概述了針織傳感器的制備方式，綜合比較針織傳感器材料種類、組織結構、拉伸方向對其傳感性能的影響，分析了針織傳感器在運動健康領域的最新應用，在此基礎上對其未來的發展進行展望，以期為針織傳感器在運動健康服裝領域的研究提供參考。

1 針織傳感器的制備

針織傳感器主要分為電阻式應變傳感器、電容式應變傳感器和壓電式應變傳感器3大類，其中電阻式應變傳感器在運動健康服裝領域中最為常見[9]。電阻式應變傳感器主要利用電阻值的變化表征人體的生理信號，實現傳感。目前，常用的制備方法有兩種：①利用導電紗線在針織設備上直接進行編織；②對針織物表面進行處理[10-11]。

1.1 采用針織技術制備傳感器

部分導電紗線在針織設備上可直接進行針織傳感器的編織，所用針織技術主要包括經編成型技術和緯編成型技術2大類，不同編織技術制備的針織傳感器在傳感性能、穿著舒適性以及產品外觀等方面存在一定的差異。

1.1.1經編成型技術經編成型技術是指由一組或幾組平行排列的紗線沿著縱向墊入一排織針，并同步成圈的一種編織方式。經編成型技術不僅可以制備拉伸型傳感器，還可用于制備壓力傳感器。由于利用經編成型技術制備針織傳感器的線圈是沿著針織物的經向配置，因此，產品外觀平整、組織結構緊密、嵌花區域背面沒有浮線，織物的穩定性和防脫散性優于緯編織物。經編間隔織物因回縮性較好，在壓力傳感器的制備方面存在優勢。朱芳琴[12]研究了織物結構參數對經編間隔織物壓縮性能的影響，結果表明，密度大、厚度大且間隔紗為單纖維的間隔織物有更好的抗彎性能，可用于制備回復性良好的針織壓力應變傳感器。在局部定位編織方面，經編機更適合整片導電織物或條狀導電織物的生產，但在小面積定位傳感器的制備上不具備優勢。

1.1.2緯編成型技術緯編成型技術主要包括橫機成型編織技術和圓機成型編織技術。

橫機成型編織技術是指一根或若干根紗線從紗筒上引出，沿著緯向順序墊放在橫機的相應織針上形成線圈的一種編織方式。橫機成型編織技術包括兩針床橫機全成型與四針床橫機全成型。其中：兩針床橫機成型技術應用比較廣泛，通用性強，但在原料方面要求較高，必須選用與針型匹配的紗線原料；而四針床橫機全成型技術可用于一體成型的服裝制備，更適合復雜織物的編織。利用電腦橫機的嵌花功能可以實現傳感器的精確定位[13]。橫機便于小件針織產品的編織，通過配套電腦軟件設計，可自動生成襪子、手套、護膝等產品，并可根據需要更改尺寸與產品形狀。圖1[14]為雙針床島精電腦橫機上編織的可監測手指運動的全成型運動手套。采用電腦橫機制備的針織物在緯向成圈、織物穩定性方面不及經編，尤其是緯平織物極易產生卷邊現象；由于一般橫機針號較粗，橫機編織的產品結構較為稀疏，手感較差。

圖1 島精電腦橫機上編織的全成型運動手套

圓機成型編織技術是指紗線沿著緯向按照順序墊放在圓機的相應織針上形成線圈的一種編織方式。圓機成型編織技術不僅可以實現針織產品的一體成型，還能實現多個傳感器的定位編織。由于該技術具備轉速高、產量高、花形變化快、織物品質好、工序少、產品適應性強等優點，因此在制備大面積針織產品及全成型的無縫運動套裝時具有優勢，全成型技術一次性編織出整件產品，可減少生產流程、縮短生產周期。圓機上也可以紡織比較細的紗線[15-16]，所得織物穩定性較好；但導電區域背面多有浮線，為避免導電紗線之間的相互干擾，一般需要對浮線進行清除處理。

1.2 針織物表面處理

針織物表面處理是在聚吡咯、石墨烯、納米銀等導電物質中添加一定比例的還原劑、分散劑及黏合劑等物質，通過浸漬、涂層、絲網印刷等方式，對織物表面進行處理，從而形成穩定連續的導電網絡層[17]。這種處理方式可以提高傳感器的靈敏度，但傳感器整體穩定性較差。因此，針織物表面處理的關鍵在于使織物和導電物質之間形成結合力良好的界面，確保導電物質附著性良好且不易脫落。為改善導電物質的附著效果，林佳濛等[18]采用等離子體預處理方法增加聚吡咯在滌綸上的附著量；為防止導電物質的脫落，保證導電物質拉伸時的連續性與均勻性，AMJADI M等[19]在納米銀涂覆后的織物表面覆蓋了一層PDMS，制備了一種可用于手指姿態監測的可拉伸傳感器。

2 針織傳感器傳感性能的影響因素

針織傳感器的主要性能包括靈敏度、線性度以及穩定性、重復性、滯后性等，其影響因素有紗線的種類、織物組織結構、拉伸傳感方向、線圈之間的相互作用力等。

2.1 紗線的種類

在實際生產中，導電紗線的種類是影響針織傳感器性能的關鍵因素。根據材料的不同，導電紗線實現的方式可以分為兩種：①利用具有導電性能的纖維直接紡成紗線；②將普通紗線進行處理使其具備導電性能。根據實際應用情況，具體可以分為金屬導電紗線、碳系導電紗線及復合導電紗線[20-21]。

1)導電紗線的差異影響針織傳感器傳感性能。金屬、純碳系等具有導電性能的紗線有著高靈敏度等特點，但由于其存在剛性大等問題，易在織造或使用過程中造成不可逆的機械損傷以及永久性的結構變形，穩定性較差，特別是大應變下急彈回復性較差，嚴重影響了針織傳感器傳感性能的穩定性與線性度，難以制作拉伸傳感器。在導電紗線中加入氨綸彈性紗、滌綸紗等普通紗線共同編織后，不僅可以增加織物的保形性，而且能夠改善傳感器的性能。張鈺晶等[22]利用導電紗線與普通紗線編織了一種嵌花組織針織傳感器(見圖2)，導電紗線與普通紗線以嵌花的方式進行連接，提高了針織傳感器的靈敏度及穩定性。

圖2 嵌花組織

采用金屬等導電物質處理普通紗線或與普通紗線混紡制備復合導電紗線，可以改善上機困難的問題，但在編織過程中，導電涂覆類紗線易出現導電物質脫落及紗線表面被氧化等問題，嚴重影響傳感性能，混紡紗及導電包芯紗電阻較大，在靈敏度方面也存在問題。許多研究者致力于使用電化學等方式開發新型導電紗線，用于改善現有導電紗線表面導電層易脫落、易氧化及傳感性能不佳等問題，但目前相關技術還不成熟，在紡織品領域應用還較少。

傳統出版社、技術生產商、民營文化公司都在AR圖書出版方面有所嘗試，進行了有益的探索。反響較大的有中信出版集團《科學跑出來》系列，北京聯合出版公司《艾布克的立體筆記：探索系列》等。

2)不同種類導電紗線的電力學特征決定了針織傳感器的有效應變范圍。金屬納米銀線的阻值僅為幾到幾十歐姆，可用于拉伸型應變傳感器。劉嬋嬋等[23]采用44 dtex 的錦綸鍍銀紗線,利用圓機成型編織技術制備了一種人體手臂姿勢監測的拉伸應變傳感器，經過多次重復使用，仍具有較好的傳感性能。石墨烯[24]、聚吡咯、導電納米材料等處理的導電紗線阻值在幾千甚至上萬歐姆，靈敏度較高，可用于壓電式應變傳感器。劉翠等[25]研究了導電納米纖維膜厚度、材料配比等參數對傳感器靈敏度的影響。結果表明，當Py單體與納米纖維質量比為1∶1、導電納米纖維膜厚度為48 μm時，傳感器的靈敏度最佳。

2.2 織物組織的結構

織物的組織結構對傳感器的線性度與靈敏度影響較大。韓曉雪等[26]對3種緯編結構傳感器的傳感性能進行研究，具體結果如圖3所示。由圖3可以看出，在相同的條件下，緯平針組織傳感器的靈敏度及導電性能最好，1+1假羅紋組織傳感器的次之，2+1假羅紋組織傳感器的最差，電阻整體呈現先增大后減小的趨勢。因此，針織應力傳感器的組織結構不應過于復雜，宜用基本組織。韓曉雪等[26]還研究了氨綸緯編導電針織物縱向電力學性能，通過與張舒等[27]研究結果對比發現，氨綸緯編導電織物縱向的電力學性能與經編織物的相似。由此說明經編織物與緯編織物的傳感性能存在一定的相似性，二者都有較好的靈敏度與線性度。RAJI R K等[28]研究發現，矩形傳感器的靈敏度高于鋸齒形傳感器?？梢酝茢噌樋梻鞲衅鞯男螤顚ζ鋫鞲行阅苡绊戄^大，形狀簡單的針織傳感器靈敏度更高。LI L等[29]研究結果表明：隨著導電線圈縱行數的增加，傳感器的電阻變化呈現增長趨勢；而隨著導電線圈橫列數的增加，傳感器的電阻增長趨勢減弱，傳感器的電阻變化符合針織物線圈縱向為并聯、橫向為串聯的規律。故線圈的橫、縱向線圈數與傳感器的靈敏度密切相關：橫列數一定時，縱行數越少，靈敏度越好；橫列數與縱行數相同時，縱橫方向上的導電性能類似，但縱向靈敏度一般大于橫向。

圖3 3種組織的接觸點分布示意

2.3 傳感器的拉伸傳感方向

運動服裝在實際穿著過程中所受的力多為平面中的兩向或多向的拉伸力、剪切力以及三維方向上的曲面拉伸力，因此需要考慮針織傳感器不同拉伸方向下的傳感性能。目前對傳感器拉伸方向的研究多以橫、縱向拉伸、雙向拉伸及人體實際運動中的三維拉伸為主，以標準實驗測試多個方向下電學信號變化的研究實例還比較少。

橫、縱向的拉伸存在以下差異：①在拉伸形態方面，橫向拉伸下的紗線由圈柱向圈弧轉移，且轉移程度比較明顯；縱向拉伸下的線圈紗線由圈弧向圈柱轉移。②傳感器的拉伸方向是影響傳感器靈敏度與滯后性的關鍵因素。橫向拉伸時，應變拉伸與回復之間的電阻變化滯后性較小；縱向拉伸時，應變拉伸與回復之間的電阻變化滯后性較明顯。多數情況下，縱向拉伸時的電阻變化率大于橫向拉伸時的。謝娟[30]研究了緯平針傳感器在橫、縱向拉伸情況下的電阻變化，具體如圖4所示。由圖4可以看出，導電針織物在橫向拉伸中的電阻隨著應變的增加呈現近似線性的增長趨勢，而在縱向拉伸下電阻變化與應變的關系呈非線性增加。③在拉伸速度方面，隨著拉伸速度的增加，傳感器的電阻相應增加，但趨勢減緩，在較小拉伸速度下，應變拉伸與回復之間存在電阻變化滯后現象[31]。

圖4 針織傳感器在雙向拉伸下的電阻與應變的關系

三維拉伸方向更接近佩戴針織傳感器時人體的實際感知情況，兼具橫、縱向拉伸的共同特點。 LI Y T等[32]以小球包裹織物模擬人體膝關節的運動情況，具體如圖5所示。利用三維曲面評價針織應變傳感器的傳感性能，與二維測試方法相比，三維曲面的應變傳感范圍為120%，是二維拉伸的兩倍。

2.4 線圈之間的相互作用力

線圈之間的相互作用力主要影響傳感器的接觸電阻，等效電阻模型的構建闡明了導電織物的傳感機理，用于簡化線圈電路，而接觸電阻直接影響等效電阻模型預測的準確性。①接觸電阻與線圈之間的接觸力相關。由于線圈之間存在相互作用力，使線圈轉移[33]及線圈長度發生變化，從而導致接觸電阻變化。王金鳳等[34]以兩根鍍銀紗線相互穿套的方式模擬接觸力與接觸電阻之間的關系，由理論分析和實驗研究得知，接觸電阻隨接觸力的增加而呈冪函數減小。②在小應變情況下，線圈之間的接觸電阻變化很小，對織物傳感性能的影響可以忽略；而在大應變情況下，接觸電阻對傳感器的伸長-應變線性度產生影響。③線圈之間由于相互緊密接觸使得傳感器整體阻值較??；采用普通紗線包覆處理的導電紗線制得針織傳感器，其線圈之間不存在接觸電阻，或裸露的導電紗線產生較小的接觸電阻，整體阻值會大幅度增加。

圖5 針織傳感器的三維檢測實驗

3 在運動健康服裝領域的應用

3.1 日常運動防護

隨著全民健康意識的不斷增強，越來越多的人通過日常運動的監測進行自身防護。當針織傳感器在人體運動過程中監測到異常情況時，就會發出警示信號，提醒運動者休息或就醫。GARCA PATIO A等[35]開發了一種無線、舒適的可穿戴式背部運動監測系統，將一根直徑為0.14 mm的銅線縫到一塊呈“T”字形的彈性織物中制備成感應式紡織傳感器，并集成到緊身衣的背部，以便監測背部姿勢。除人體日常運動的防護外，在日常運動中人體的生理信號監測是目前運動健康領域研究的熱點。劉詠梅等[36]利用石墨烯織帶作為基材覆合于彈性針織面料上，以制備柔性石墨烯傳感彈力帶，該柔性石墨烯傳感彈力帶在服裝用人體數據采集等方面具有一定的實用性。

3.2 專業運動指導

專業運動指導可以幫助運動者進行運動評估，改善運動不足，規范運動方式，控制運動強度，優化訓練效果并降低身體損傷。謝娟[30]用緯編針織技術將鍍銀尼龍導電紗線織成柔性針織物傳感器，并集成在智能 T恤和智能護膝中，分別用于監測肘關節、肩部、腹部以及膝關節的生理信號，分析不同姿勢下的電阻變化情況，但針織傳感器采集數據的具體傳輸方式并不明確。為此，LI Y T等[37]基于鍍銀導電紗線柔性傳感器制備了一種可用于監測人體膝關節運動的緊身褲，對人體平地行走、上下樓梯、跑步狀態下的膝關節角度與電阻之間的關系進行分析，并開發了一種可隨身攜帶的數據模塊用于傳感器電阻信號的采集與輸出。單次運動產生的應變電阻信號對于專業運動指導意義不大，但多次運動信號分析對運動指導至關重要?；诖?，CHOW J H等[38]制備了一種紡織壓力傳感監測襪，使用導電紗線連接踝關節處的通信模塊，根據應變圖像觀測穿著者的足部運動情況。

3.3 運動康復指導

運動康復指導可幫助患者更快速地恢復健康，監護范圍包括家庭和醫院，目前主流的方式是在自我監護的基礎上，實現醫院等醫療機構的輔助性康復指導。LORUSSI F等[39]設計了一種基于慣性傳感器、織物壓阻傳感器和紡織肌電傳感器融合的智能可穿戴系統，該系統以模塊化形式設計，由單獨的襯衫、褲子、手套和鞋子組成，在日常生活中對中風后康復過程中的人體活動進行監控，可以幫助醫生優化和調整患者的培訓計劃，用于評估中風患者的日常生活與康復情況。HAN X X等[14]利用橫機成型編織技術制備了一種在指部嵌入傳感器的無縫手套，用于手指姿態判別；HEO J S等[40]設計了一種用AgNW，PDMS涂覆的傳感手套，并研究不同手指在不同彎曲情況下的電學信號變化情況，為手部的運動健康恢復提供指導。

4 結語

針織傳感器在運動健康服裝領域的研究已經取得一定的成果，但仍然存在許多不足，故難以得到大范圍推廣。未來研究重點及發展前景可總結為以下幾點：

1)智能運動健康服裝應具備趨近于紡織品的服用性能。目前針織傳感器的研究成果雖然較多，但大多數注重功能性的實施，在服裝壓力、透氣性、洗滌性等服用性方面的研究還有所欠缺。

2)應構建規范的行業標準。由于針織傳感器的種類及制備方法差異較大，使用范圍及數據判別標準難以統一。因此，應統一導電材料的參數規格，在實現功能的同時，確保傳感器使用的安全性，建立相關的性能、制備、生產標準。另外，在數據傳輸標準方面，可靠、安全的智能產品才能建立公眾信任，目前在藍牙的傳輸模式上有相關標準協議，但是數據的傳輸需要多個傳輸網絡的相輔相成，因此必須保證個人信息的安全性。

3)針織傳感器與其他智能元件的無痕聯接。受限于科學技術的發展，目前針織傳感器尚不能單獨使用，仍需借助電路、數據處理系統將采集到的信號轉化后再輸出；利用針織的方式將各智能元件一體成型，可以有效解決線路的問題。

總之，隨著時代的發展和科技的進步，針織傳感器在運動健康服裝領域的研究與應用正朝著健康舒適化、功能多樣化、新能源及能量儲存方式多元化、信息智能化精準化、價格低廉化等方向發展。