刺繡技術在智能紡織品中的應用進展

馮 源，周金利,，楊紅英，王 政，熊 帆，杜立新

(1.中原工學院紡織學院，鄭州 450007； 2.魯泰紡織股份有限公司，山東淄博 255100)

隨著智能紡織品(Smart textiles)的發展越來越多樣化，相對應的功能也逐漸趨于穩定，用戶對此類產品設計的實用性與外觀提出了更高的要求[1-2]。刺繡技術作為智能紡織品領域最常用的開發技術之一，為上述問題提供了解決方案。首先，相比與其他織物加工技術(如針織、機織)，刺繡技術最顯著的特點是可定制纖維鋪設(Tailored fiber placement，TFP)[3]，即可根據需求在基底上靈活設計紗線排列。因此刺繡可以通過與人工智能、大數據和物聯網技術等結合，根據個人需求定制個性化智能紡織品，為用戶提供更全面的個性化服務[4]，使刺繡產品在實現目標功能的同時也可以提供更自由的織物表面美化裝飾功能；其次，刺繡技術的制造工藝具有良好的再現性，其所開發的產品結構具有尺寸穩定性[5]；此外，使用電腦刺繡機的配套CAD打版軟件設計圖樣，可確保產品快速成型[6]，在設計過程中幾乎僅需點擊鼠標即可完成。

本文主要闡述刺繡設備的發展及常見問題，系統性地介紹近幾年刺繡技術在信號識別與傳輸、生物傳感、物理傳感以及其他方面的研究及應用，并對其未來的發展趨勢進行展望，對刺繡技術的發展與應用具有一定的指導意義。

1 刺繡設備的發展與常見問題

刺繡是指用針線在織物表面上繡制各種裝飾圖案，是一種織物成品表面的裝飾方法，涉及不同形式的針跡，具有一定的審美價值[7]。自第一次工業革命以來，機械刺繡的不斷發展逐漸代替了手工刺繡，刺繡設備的不斷升級是刺繡技術的發展關鍵。1828年，法國人Josue Heilmann發明了手搖刺繡機，在1834年的巴黎博覽會上展出并獲得了Legin of Honor金獎，這項發明促成了現代刺繡機的發展。1864年，瑞士人Isaac Groebli發明了一種通過機器沖壓繡制花紋的飛梭刺繡機，這臺刺繡機采用了連續螺紋針和包含線軸的梭子的組合，大大提高了機器的刺繡效率，產品效果非常接近手工刺繡。在1865～1945年間，隨著飛梭繡花機的不斷迭代更新，機器操作越來越自動化，生產能力也大幅度提高，其技術范圍隨著科技進步而顯著擴大。1945年，日本幸福工業株式會社開始推出電腦刺繡機，刺繡產品開始進入數字化設計時代。相較于傳統手工刺繡工藝，電腦刺繡機具有成本低、生產效率高、可大批量生產等特點。20世紀40年代中期至21世紀初，在日益激烈的競爭中，電腦刺繡機的硬件與軟件不斷優化升級，相輔相成，憑借數字化的便捷設計、自動編針和矢量美工效果等技術優勢，受到市場的熱烈追捧。進入21世紀后，刺繡設備的發展重點在于刺繡設備的配套打版軟件程序，著名軟件有田島(TAJIMA)、百靈達(BARUDAN)、威爾克姆(Wilcom)、波斯田島等，富怡在國產軟件中比較著名。圖1展示了市場常見的3種不同規格的電腦刺繡設備，可按機頭(2～24頭)與每個機頭的針數(3～12針)將其主要分類為：單針單頭電腦刺繡機、多針單頭電腦刺繡機、多頭多針電腦刺繡機。電腦刺繡設備還可按照送料繃架形式分類為板式和筒式，或按繡花所用線跡形式分為鎖式線跡(301線跡)和鏈式線跡(101線跡)[8-10]。

圖1 3種不同規格的電腦刺繡機

利用電腦刺繡時，需要選擇厚度與張力合適的刺繡基底織物；而在選擇刺繡用線時，需要考察線的表面光滑度、均勻度和強度。電腦刺繡機的一般操作流程是先用電腦刺繡制版軟件設計圖案紋樣，再采用電腦刺繡機按照所設計的圖案紋樣在基底上刺繡成型。然而機械化刺繡過程中也會存在一些阻礙，例如在機器高速刺繡過程中，繡線隨繡針來回穿過繡料要經受多次摩擦，繡線會受到很高的應力，以至于某些繡線由于強度較低或表面粗糙度較高等原因，會在刺繡過程中發生斷線、斷針以及刺繡機卡線等問題。斷線一直是電腦繡花機在刺繡過程中最普遍且最難解決的問題，也是大多數導電材料無法作為繡線的技術難點，繡線的強度不僅與繡線的粗細和紗線質量有關，也會受到溫度與濕度的影響[11-13]。因此為了避免刺繡設備的一些常見問題，在操作刺繡機時應注意規范操作，注意刺繡機定期養護、操作臺灰塵與紗線清理、預實驗驗線驗機和合規使用實驗材料等問題，以免造成機器損壞和實驗材料浪費。

2 刺繡技術在智能紡織品中的應用

Viktorija Mecnika將刺繡技術的應用分為3個主要領域：工業工程、醫藥業和智能紡織品[5]，圖2展示了每個領域的一種代表性刺繡產品[5,14-15]。智能紡織品是屬于多學科交叉研究領域的一種新興產品，美國材料與試驗協會發布的ASTM D8248-19《智能紡織品標準術語》中，智能紡織品被定義為：具有一種或多種因刺激(如機械、熱、化學、電氣、磁性或其他來源的刺激)而變化特性的纖維、紗線、織物或最終產品[2]。除了傳輸與傳感功能外，智能紡織品具有多元、多維和多尺度的結構特點，還展現出輕質、低模和親膚等特點[16]，其應用已發展到生物醫學、康復診療、智能制造、航空航天等領域。

圖2 刺繡技術應用實例

刺繡技術憑借其獨特的加工優點為可穿戴設備、柔性電子織物等產品提供了更廣泛的研發思路，因此被應用在各種領域的智能紡織品研究中[5,17-18]。本文將按照如圖3所示的4個方面，分別介紹刺繡技術在信號識別與傳輸、生物傳感、物理傳感和其他智能紡織品中的應用研究。

圖3 刺繡智能紡織品的應用示例

2.1 信息識別與信號傳輸

隨著智能可穿戴領域在市場上逐漸擴大，柔性織物已經具備了信號識別與信號傳輸的功能，與大多數織物加工技術相比，刺繡技術顯著的TFP功能，使其在制備柔性電子標簽和信號傳輸線方面占據優勢。

2.1.1 刺繡電子標簽

在紡織服裝行業中，現有的貼標、吊牌、水洗嘜、防盜扣等類型的射頻識別(Radio frequency identifi-cation，RFID)電子標簽，普遍為硬質材料，通常直接粘貼或懸掛在服裝上，存在穿戴不舒適、標簽易缺失損壞導致數據統計產生誤差等問題[18]，無法滿足現代紡織行業對RFID標簽穿戴舒適性和精準管控的要求。為此，RFID標簽的穿戴舒適性、共形性，以及與織物的一體化無縫結合等方面的應用研究逐漸受到關注。刺繡、電子紗和絲網印刷是制備織物基RFID標簽的常用方法，由于織物基標簽面臨的應用環境比較復雜(如反復洗滌)，因此相對于其他加工方式，刺繡技術制備的織物RFID標簽具有較好的共形性、與織物的一體化無縫結合、結構穩定性和耐洗滌性，下面將介紹關于刺繡RFID標簽應用進展。

Chen等[19]采用刺繡技術開發了一種帶有織物RFID標簽的工作手套，用于可穿戴RFID應用，刺繡手套標簽在電波暗室和辦公室中靠近人體無線測量時的讀取范圍約為1 m，雖然讀取距離較近，但可繼續通過優化刺繡圖案和工藝參數來提高此種標簽的讀取范圍，這種刺繡RFID標簽具有較低的成本效益和易集成性。尹雙瑤等[18]對刺繡RFID標簽進行了改良和工藝探究，以鍍銀導電紗和純棉機織布為主要原材料，制得一種超高頻刺繡RFID標簽，經過研究針跡類型、針跡間距、針跡長度這3種刺繡工藝參數對超高頻織物RFID標簽性能的影響，得出標簽天線的適宜刺繡工藝參數區間：針跡類型為直線針，針跡長度為2.0～4.0 mm，針跡間距為0.25～0.40 mm，尤其當采用針跡長度為2.0 mm、針跡間距為0.35 mm的直線針時，織物電子標簽讀取距離最遠可達7.6 m。

2.1.2 射頻通信與信號傳輸

傳統信號傳輸線大多采用導電性良好、純度高的金屬材料，但其質地較硬，不便集成到服裝中，而基于導電織物的傳輸線兼顧了其本身的功能性和織物的柔軟性，更便于集成到織物中，且可通過合理的工藝設計使其具備較好地傳輸電能和信號的能力。與機織和針織方式相比，采用刺繡技術制作信號傳輸線具有更大的優勢，可在宏觀形貌上呈現很好的美觀性，且無需膠水黏合或刻蝕等方法即可集成到織物和服裝的表面；并且這種制造技術生產速度快、產品精度高，對于單個定制和批量的生產都是適用的，進一步降低了生產的成本[20-22]。目前的研究表明，通過刺繡工藝可達到的天線和傳輸線幾何結構精度為0.1 mm，具有較高結構精度的刺繡天線往往會表現出優異的反射性能和增益，同時擁有良好的柔軟性、機械強度以及耐疲勞性[23-24]。

Shah等[25]采用電腦刺繡機將鍍銀導電紗線刺繡到紡織基板材料上，制備了一種用于離體通信的三角形電子紡織線，如圖4所示，該天線在彎曲條件下保持了穩定性，同時在安全水平下限制了特殊射頻吸收率(Specific absorption rate，SAR)值，表明該天線適合于可穿戴應用。Wang等[26]開發了一種新型全身穿戴式天線。實驗通過在穿戴這種紡織天線的全身模型身上進行模擬、測量，測試了身體對頻率失諧和模式陰影等天線性能的影響，所測得的穿著天線輻射模式與3個波段在身體上不同位置的模擬吻合良好。徐姍姍[22]通過研究刺繡傳輸線的信號傳輸能力與導電紗排列的關系和刺繡工藝參數如何影響刺繡傳輸線的傳輸信號能力發現，相比于榻榻米針和直線針，周線針更適用于刺繡傳輸線的制作；針跡間距較小、針跡長度相對較大的刺繡傳輸線傳輸信號的能力更好，但波動較大，同時刺繡張力較小的傳輸線傳輸信號能力較好。王蕊等[27]的研究表明針跡類型、針跡間距、針跡長度及刺繡張力對刺繡傳輸線的直流電阻均有顯著影響，其中針跡間距對刺繡傳輸線直流電阻的影響最為顯著。

圖4 三角形刺繡天線

2.2 生物傳感

生物傳感是采用敏感元件獲取目標生物體信號，再轉換成為可視化數據的一種信號采集方法。生物電信號是生物體極易獲取的信號之一，利用柔性電極采集生物電信號的技術已經較為成熟。目前采用刺繡法制備的電極在心電信號和肌電信號監測方面有較多研究，由于導電介質被放置在織物表面，因此刺繡法電極可以更好地接觸皮膚[28-29]，刺繡電極/皮膚的結構模型及其等效電路如圖5所示[30]。對于織物電極在服裝上的定點放置，可以認為刺繡是一個理想的技術選擇。刺繡電極具有很強的個性化定制功能，在用于健康監控時不僅能夠極其便捷地集成到日常服裝中，也能夠通過刺繡圖案設計美化服裝外觀，在智能可穿戴領域中用于監測人體生物電信號方面有極高的應用潛力。

圖5 刺繡電極/皮膚的結構模型(左)和等效電路(右)

2.2.1 刺繡心電電極

心電信號是人類最早研究并應用到臨床的生物電信號之一。通過長期監測心臟電學活動，分析心臟活動時心肌激動產生的心電圖信號，可以預防心腦血管和心臟相關疾病的發生。若將織物心電電極與服裝集合為一體，可以提高穿戴者在心電監測過程中的舒適性，能夠實現長期無意識的心電連續監測[31-33]。刺繡技術已經是國內外研究者制備織物心電電極的主要方法之一。

Puurtinen等[34]采用刺繡法制備了5種不同尺寸的織物心電電極，如圖6所示，電極直徑分別為7、10、15、20 mm和30 mm，刺繡所用紗線為鍍銀滌綸紗線，通過研究電極尺寸對測量噪聲的影響，發現噪聲水平隨著電極尺寸的減小而增加。劉振等[35]研究了不同尺寸、不同形狀的刺繡型織物電極心電信號采集能力，發現織物電極的形狀對采集信號過程中電流分布的均勻度影響并不大，但織物電極的尺寸對采集生物電信號強度有顯著影響。董科等[17]以碳纖維/滌綸復合長絲為電極導電材料，開發了一種新型刺繡電極。通過與鍍銀錦綸/滌綸刺繡電極的電學性能進行對比發現，鍍銀電極雖然電學性能較優，但在長期心電信號監測中，碳基電極的阻抗變化與鍍銀電極相近。對比一次性銀/氯化銀(Ag/AgCl)醫用凝膠電極，兩種刺繡電極采集到的心電信號質量都很良好，均能滿足醫療診斷需求。Xu等[36]在線密度為140 dtex的商用2股鍍銀復絲纖維上先電解沉積一層AgCl，目的是提高導電紗線的抗氧化性能，形成一種Ag/AgCl核殼結構，然后將這種預處理過的纖維刺繡到平紋織物上，制得圓形心電電極，經過心電測試實驗證實該電極可以獲得高質量的心電信號。胡瑤[37]以鍍銀紗線刺繡的方法制備了一種新的紡織結構心電電極，并在制作刺繡電極的過程中改變電極基底，對比了不同刺繡基底對電極性能的影響，經過實驗發現，以聚丙烯酸無紡布為基底制備的刺繡電極由于具有良好的吸水性能和保濕性能，能夠實現長期穩定地采集心電信號。Kannaian等[38]通過在聚酯織物上采用刺繡導電紗線來設計和開發紡織電極，以測量患者的心電圖生物信號。該研究在100%滌綸面料上繡鍍銀尼龍線，采用緞紋針法，形成三個心形矢量，結果表明：電極阻抗的可接受值為1.45 MΩ/cm2，心電信號與一次性Ag/AgCl電極相似,老化測試表明電極性能的偏差可以忽略不計，洗滌后的結果表明電極的性能不受洗滌過程的影響，綜合評價來看此種電極適合用于人體心電信號的連續測量。

圖6 5種不同尺寸的織物心電電極

2.2.2 刺繡肌電電極

肌電信號(Electromyography，EMG)是眾多肌纖維中運動單元動作電位在時間和空間上的疊加，頻率范圍約為2～500 Hz，信號幅度在50 μV～5 mV，具有微弱性、低頻性和高阻抗性[39- 40]。表面肌電信號(Surface electromyography，SEMG)是淺層肌肉EMG和神經干上電活動在皮膚表面的綜合效應，能在一定程度上反映神經肌肉的活動。與針電極EMG相比，SEMG在測量上具有非侵入性、無皮膚創傷、操作簡單等優點[41]。因此，SEMG在臨床醫學、人機功效學、康復醫學以及體育科學等方面均有重要的實用價值。

若將表面肌電信號傳感器集成到紡織品中，用戶只需正常穿著紡織品，傳感器就會位于相應的監測位置。使用刺繡法而不是機織或針織方式，可以使電極的設計和形狀更具有個性化，從而可以適應不同的應用和監測場景。Althoefer等[42]開發了一種集成了刺繡肌電電極的慢跑緊身褲，如圖7所示，并成功地測試了在不同跑步狀態人體肌肉的疲勞程度，與一次性Ag/AgCl醫用凝膠電極相比，使用刺繡電極測量表面肌電信號會遇到更高的噪聲水平，與預期的線性行為的相關性約為90%，然而力的變化仍然可以區分。實驗結果表明使用刺繡肌電電極進行體力和步態分析等應用是可行的，其不僅可以為被監測者提供更高水平的舒適性和易用性，也能保證肌電信號的準確收集。

圖7 慢跑緊身褲

2.3 物理傳感

紡織品傳感器可以提供壓力、應力、溫度和濕度等通用參數的評估，在結構監測和醫療保健方面有很大應用價值。目前國內外很多學者已經通過刺繡技術制備出效果良好的物理傳感器。大多數物理傳感器是基于對電阻和電容變化的測量，這些測量數據可以用于評估各種物理、生理過程和環境現象等[43]。下面將分別介紹刺繡技術在應變傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器3個方面的應用。

2.3.1 應變傳感器

織物應變傳感器的工作原理通常是根據結構變形中刺繡復合材料的電阻率變化來估計的。電阻式柔性應變傳感織物在拉伸形變過程中，導電紗線之間的接觸電阻或紗線自身會發生電阻變化，因此可將織物所受到拉力或應變轉化為電阻變化信號，輸出到信號處理裝置，從而進行目標監測。

刺繡技術可以為織物應變傳感器在結構監測方面提供相對針織和機織法更高效和低成本的解決方案，可以根據具體的結構和技術要求靈活調整設計和加工參數，并確保監測結構內部和物體表面的應力變化效果。織物應變傳感器與智能服裝的集合是一項具有發展前景的研究方向。Vena等[44]通過采用刺繡技術將共振散射體與導電線縫制在可伸縮織物上，開發了一種用于結構變形監測的無線無芯片傳感器，如圖8所示，兩個散射體的組合可以在2D平面中檢測應變，利用頻率步進連續波雷達技術，能夠檢測出后向散射響應隨頻率的變化，雷達也可通過掃描兩個正交偏振實現檢測功能。

圖8 無線無芯片刺繡應變傳感器(左)及散射體放大圖(右)

2.3.2 溫度傳感器

溫度傳感器可以實現對體溫實時、準確的監測，在人體健康監護、疾病診斷及治療等方面有著重要的作用[45]，在智能可穿戴領域有線溫度傳感器占有較大比例，關于智能溫度傳感器的研究近年來也逐漸增多。

Polansky等[46]采用刺繡法將導電線刺繡到載體面料上，研發了一種新型刺繡溫度傳感器，導電線由含有聚酯纖維的股線和一根電阻不銹鋼微絲組成，刺繡結構呈螺旋形的曲折圖案，如圖9所示，該傳感器主要應用于消防員或其他專業人員使用的智能防護服中，為他們提供熱風險保護，如高溫、火災或燒傷。電阻溫度系數和傳感器靈敏度的計算值以及長期熱穩定性測試的實驗結果驗證了該傳感器在目標應用中的適用性。

圖9 繡花溫度傳感器

2.3.3 壓力傳感器

壓力傳感器目前在運動、醫療保健和工程等領域有著廣泛應用。刺繡式壓力傳感器不僅可以測量施加壓力的大小，而且可以監測被測物表面上的壓力分布情況。下面將分別介紹基于電容變化和摩擦電效應實現對壓力感知的兩種織物壓力傳感器。

Zhao等[47]采用刺繡技術開發了一種基于納米摩擦發電機的織物壓力傳感器，該壓力傳感器具有優異的透氣性，且刺繡所用的復合紗線為自主研發，紗線表面覆蓋層成分為聚對二甲苯，紗線內芯是利用聚合物輔助沉積法得到表面鍍銅的聚丙烯腈紗線，通過研究織造結構與傳感器主要性能的關系還發現，紡織結構類傳感器的靈敏度、工作范圍和可洗性等都高度依賴傳感器的紡織結構，不同紡織結構的紗線間形成的接觸、初始力學狀態和整體結構穩定性的表現的特征是不同的，因此可以通過適當的器件設計提高傳感器性能。Meyer等[48]開發了一種空間分辨率為2 cm×2 cm的刺繡式電容式壓力傳感器，如圖10所示，這種紡織傳感器在0～10 N/cm2的測量范圍內平均誤差小于4%，該傳感器通過集成到服裝中來測量人體壓力，應用涵蓋所有需要具有高局部分辨率柔性傳感器領域，如在康復和肌肉活動引起的運動檢測方面，這種壓力傳感器在未來有望安裝到內褲和坐墊上，以期能夠實現測量臀部的壓力分布，研究臀部壓力和壓瘡跡象的關系。

圖10 紡織壓力傳感器

2.4 其他刺繡類智能紡織品

除了上述三方面的應用，刺繡在智能紡織品領域還有其他一些重要應用，例如理療紡織品和調溫紡織品等。

近幾年來，國內外的研究者們對于將理療功能賦予到智能紡織品越來越感興趣，理療即物理療法，是利用微弱的外在物理因素引起人的生理反應，通過這些反應影響人體的功能，實現克制病因、促進傷病的恢復等功能。智能理療紡織品不僅能確保在醫院外連續治療，也能夠幫助改善患者的生理和心理上的舒適度。經皮電刺激(Transcutaneous electrical stimulation，TES)便是一種常用于物理治療或神經假體的技術，它的工作原理是將特定類型的電極放置在皮膚表面，然后從皮膚表面激活人體內的可興奮組織，如神經細胞、皮膚受體、其他感覺器官或運動單位。針對不同的激活對象，工作電極的形狀、大小及電極的其他配置都可按需調整。Keller等[49]開發了一種TES刺繡陣列電極，這種電極由多層織物組合而成，與皮膚接觸的表層是由等離子涂層金屬線刺繡而成的織物電極，第二層設計有電極布線，多層電極的結構是為了防止發生短路，如圖11所示，且這種TES刺繡電極設計靈活、加工簡便，很大程度地簡化了電極陣列的制作工藝，所使用的等離子涂層金屬線上的銀涂層具有較高的穩定性，能夠經受住多達30次的洗滌。

圖11 經皮電刺激刺繡電極

智能調溫紡織品也是一種很有市場的特殊紡織品，它能夠實現在非正常外界溫度環境中維持人體表皮適宜溫度的功能，例如戶外工作者或登山運動員，溫控服裝可以在高溫或嚴寒天氣中保障其生命安全，避免發生中暑、失溫等危險情況。李思明[16]開發了一種智能溫控夾克，能為人體提供適宜的溫度環境，采用刺繡技術在腹部、胸部、背部、頸部和耳朵部位制備了用復合金屬線制作的刺繡電路，用來加熱戶外夾克，刺繡技術可以針對夾克的每個應用部分定制最合適的形式，這種刺繡紡織品可以方便而不顯眼地嵌入到衣服上的任何地方，形成任何所需的形狀。由于該設計具有體積小、重量輕、靈活性和透氣性等優點，佩戴者也會感覺到更加舒適。

3 總結與展望

綜上，刺繡技術在智能紡織品上的應用十分有發展潛力，不僅具有強大的個性化定制和便捷的織物表面美化裝飾功能，還具有良好的工藝再現性和結構尺寸穩定性等優點，可確保設計產品的快速成型，推動新型智能紡織品的量化生產。但刺繡技術在智能紡織品的應用中仍存在導電繡花線供給種類單一、打版軟件功能對智能紡織品設計適用性不足等問題，最重要的是推進刺繡與醫學、電子、通信、材料、紡織等學科的領域合作，不斷增強、不斷完善產品的功能性與實用性。在此進行了以下幾點展望：

a)國內外對刺繡專用導電紗線的研究較少，加強對刺繡用導電紗線的研究與開發，對提高刺繡技術在智能紡織品中的應用具有重要意義。刺繡紗線不僅需要優良的導電性，還需具備足夠的韌性與光潔度，導電材料的選擇也需要符合生物安全規范。

b)刺繡打版軟件的功能是針對普通繡花花樣設計便捷性而開發，存在對智能紡織品設計適用性不足的問題，鑒于刺繡技術在智能紡織品的應用價值和廣泛性，可以按照智能紡織品的應用領域分類，開發用于設計智能紡織品的刺繡打版軟件和刺繡裝置，提高設計制備智能紡織品的效率、工藝靈活性和產品質量。

c)在生物傳感方面，通過刺繡技術的跨領域合作，研究出線路噪聲更低、運動偽跡對檢測結果影響更小的生物醫用織物電極，目前大多智能紡織品還存在重復性低和穩定性不高的問題，制約了紡織傳感材料的直接應用。因此，設計和開發高性能智能紡織品是需要重點研究的方向。