紡織基柔性力學(xué)傳感器的研究進(jìn)展

王志偉，黃繼偉，凌新龍

(廣西科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西柳州 545006)

0 引言

近年來，隨著人工智能的迅速發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域中智能可穿戴設(shè)備的應(yīng)用愈發(fā)廣泛。 柔性傳感器在智能可穿戴設(shè)備中具有關(guān)鍵作用，屬于核心部件，一直是研究熱點(diǎn)。 利用紡織材料的柔性、彈性、輕質(zhì)、多維多尺度結(jié)構(gòu)、以及低成本等特征，以紡織材料為基底與各類傳感材料或元件以不同方式結(jié)合制成的紡織基柔性傳感器可以滿足各類可穿戴設(shè)備在手感、柔韌性、親膚性以及多元多維化上的要求，使傳感器具有更為廣泛的應(yīng)用前景。 紡織基柔性力學(xué)傳感器可以與服裝實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，具有其他智能可穿戴設(shè)備無法比擬的優(yōu)勢，大大增加了智能可穿戴設(shè)備的應(yīng)用設(shè)想。

本文首先對柔性力學(xué)傳感器的工作原理和分類進(jìn)行了概述，分析了紡織基柔性力學(xué)傳感器的常用材料、制作方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀。 然后結(jié)合近幾年電阻式、電容式、壓電式以及多功能紡織基柔性傳感器的研究現(xiàn)狀綜述了傳感器的研究進(jìn)展。 最后，討論總結(jié)了紡織基柔性觸覺傳感器所面臨的挑戰(zhàn)，并對未來的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

1 紡織基柔性力學(xué)傳感器概述

1.1 工作機(jī)理及分類

力學(xué)傳感器是可將拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)等不同形式的受力轉(zhuǎn)換成電信號輸出的元器件，技術(shù)研究和解決的主要問題是如何將外界形變的刺激信號有效轉(zhuǎn)換為電信號。 敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本電路是力學(xué)傳感器的三大組成部分。 力學(xué)被測量由敏感元件感知響應(yīng)，被測量在轉(zhuǎn)換元件中轉(zhuǎn)換成電參量，再由基本電路將電參量轉(zhuǎn)換成電量值輸出進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、記錄、顯示。 轉(zhuǎn)換元件的信號轉(zhuǎn)換方式?jīng)Q定了傳感器的工作原理，常見的三種方式分別為壓阻式、壓電式、電容式[1]， 而由于傳感材料以及制備方式的限制，紡織基柔性壓力傳感器通常是采用電阻式和電容式。 根據(jù)被測量的力學(xué)信號的不同，可分為壓力式和應(yīng)變式。 從形態(tài)上傳感器可分為一維纖維狀、二維織物狀[2]。 此外，由于摩擦納米發(fā)電、有機(jī)場效應(yīng)管等理論的出現(xiàn)與應(yīng)用，新型柔性壓力傳感器展現(xiàn)出了更好的研究前景。 判斷柔性力學(xué)傳感器的性能優(yōu)劣主要是從穩(wěn)定性、靈敏度、傳感范圍、響應(yīng)時(shí)間、最小檢測限度等指標(biāo)評價(jià)，開發(fā)各性能指標(biāo)協(xié)調(diào)且使柔性力學(xué)傳感器滿足實(shí)際應(yīng)用需求是科研人員不斷的最終目標(biāo)。

1.2 常用材料

由于基底材料需要作為骨架支撐起柔性力學(xué)傳感器，其材料在機(jī)械、柔韌、耐用、生物安全等方面的性能必須優(yōu)異，而以纖維、紗線為基本單位的紡織材料恰好可以滿足基底材料的性能要求。 以不同紡織工藝生產(chǎn)的不同結(jié)構(gòu)的紡織材料作為基地會(huì)使傳感器的性能發(fā)生改變，同時(shí)不同組織結(jié)構(gòu)的組合，也可以形成不同類型、性能各異的傳感器[3]。 因此按紡織不同階段可以將紡織基柔性力學(xué)傳感器分為一維纖維狀和紗線狀傳感器、二維織物狀傳感器和三維的服裝紡織品[4]。 同時(shí)織物的復(fù)雜纖維結(jié)構(gòu)也有足夠大的比表面積，可使用化學(xué)法、浸泡法等將活性材料固定在纖維表面，而且織物不同的組織方式也可為傳感器提供不同的設(shè)計(jì)。從織物的結(jié)構(gòu)上可按梭織、針織、非織造布對傳感器進(jìn)行區(qū)分。

各種導(dǎo)電材料包括碳基材料中的石墨烯[5－7]、碳納米管[8－9]、碳黑[10]；金屬納米粒子[11]和納米線[12]、液態(tài)金屬[13]；導(dǎo)電聚合物中的聚吡咯[14]、聚苯胺[15]、聚噻吩[16]等；過渡金屬碳/氮化合物(MXene)、黑磷、硼烯等[17－20]均被用于構(gòu)筑高性能柔性力學(xué)傳感器。 引入這些材料是因?yàn)樗鼈冑x予紡織品均勻的導(dǎo)電性，同時(shí)還能保持紡織品的固有特性。 在實(shí)際生產(chǎn)過程中，需要根據(jù)各導(dǎo)電材料不同的性能，適用的加工工藝、成本等方面來選擇不同的導(dǎo)電材料。 如根據(jù)滲透導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)理論，納米材料在結(jié)構(gòu)上具有高縱橫比，使用較少的材料就可構(gòu)建高效滲透的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。 其中金屬納米材料因具有高導(dǎo)電性和簡單制備工藝優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。 碳基材料由于低的成本和可復(fù)合性，也具有其使用優(yōu)勢。 對于壓電類紡織基柔性力學(xué)傳感器，常選用聚酰胺11、聚丙烯、聚偏氟乙烯及其聚合物等有機(jī)聚合物作為壓電材料。 因?yàn)殡m然其壓電系數(shù)較低，但柔韌性較好，特別是其中聚偏氟乙烯具有較高的壓電靈敏度[21]。

1.3 制作方法

目前，紡織基柔性力學(xué)傳感器活性層一般由紡織材料和導(dǎo)電功能材料兩部分組成。 由于紡織材料多為絕緣材料，因此構(gòu)建導(dǎo)電功能化紡織材料是制備紡織基柔性傳感器的關(guān)鍵。 然而，由于紡織結(jié)構(gòu)的多樣性和導(dǎo)電材料的復(fù)雜性，導(dǎo)電材料很難集成到紡織體系中。 將導(dǎo)電材料集成至紡織品中生產(chǎn)導(dǎo)電紡織品的方法主要分為兩類:一類方法是采用表面功能化改性工藝，在紡織材料表面沉積導(dǎo)電材料，常用的表面功能化改性工藝為浸漬、噴涂、電鍍、化學(xué)鍍等[14，22，23]；另一類方法是在纖維表面或內(nèi)部構(gòu)建導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最常用的是濕法紡絲法和靜電紡絲法[24－26]。

常用的印刷方法如模板印刷、絲網(wǎng)印刷、噴墨印刷等可以根據(jù)設(shè)計(jì)好的圖案將導(dǎo)電油墨選擇性沉積在紡織品基材上形成導(dǎo)電層。 此類方法可批量生產(chǎn)，能有效的降低成本。 浸涂法是通過將紡織材料浸入導(dǎo)電溶液中形成導(dǎo)電涂層，但是很難實(shí)現(xiàn)聚合物的均勻覆蓋，而噴涂可有效改善這一情況。物理氣相沉積技術(shù)是在織物上沉積金屬材料常用的方法，采用真空、低電壓、大電流條件下的電弧放電技術(shù)，使金屬靶材在放電氣體中蒸發(fā)并電離，被蒸發(fā)物質(zhì)及其反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)在電場的加速作用下在紡織材料上沉積[27]。 相對于以上將導(dǎo)電材料物理附著在紡織品表面的辦法，通過化學(xué)反應(yīng)在紡織品表面合成新的具有導(dǎo)電性的材料，具有更好的結(jié)合力和均勻性。 將導(dǎo)電功能材料添加到濕法紡絲和靜電紡絲的紡絲液中，可以從纖維層次上將導(dǎo)電材料集成到所制備纖維中，在最大程度上保留紡織材料原有的強(qiáng)度、柔韌性和舒適性等特性。

1.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于各種場景對紡織基柔性力學(xué)傳感器應(yīng)用需求的差異化，不僅要求高的靈敏度，最終產(chǎn)品在機(jī)械性能、生物安全以及重量等方面的要求也就不盡相同。 因此，需要通過材料的不同組合和新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使傳感器的差異性更強(qiáng)、適配性更好。

為實(shí)現(xiàn)高拉伸性能，除了使高拉伸的紡織基底材料外，必要的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以大幅提高復(fù)合材料的拉伸性能。 如相互重疊的納米材料滲透網(wǎng)絡(luò)、島－橋相連的碎片結(jié)構(gòu)都可以通過結(jié)構(gòu)減少或緩解納米導(dǎo)電材料所承受的應(yīng)變，從而提高復(fù)合材料的拉伸性能[28－30]。 其他如波浪形、 馬蹄形設(shè)計(jì)，分級結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)等[31－35]，在改變拉伸變形狀態(tài)上也有顯著效果。 通過紗線中纖維的加捻、纏繞方式的變化或不同纖維間共混方式的不同，可以獲得高靈敏度和相對較寬的工作范圍[36－38]。 織物從二維到三維尺度上具有大量的微結(jié)構(gòu)，通過不同的交織方式還可以實(shí)現(xiàn)豐富的表面紋理，也可通過多種組合形成如間隔、多層堆疊等結(jié)構(gòu)以滿足柔性力學(xué)傳感器的設(shè)計(jì)要求[39－42]。

2 紡織基柔性力學(xué)傳感器的研究進(jìn)展

2.1 電阻式紡織基柔性力學(xué)傳感器

基于壓阻效應(yīng)電阻式紡織基柔性力學(xué)傳感器的優(yōu)勢在于其簡單的結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性、靈敏度高且檢測范圍廣。 電阻的變化主要來自于外力作用于傳感器時(shí)幾何結(jié)構(gòu)的改變、電極之間接觸面積的變化或由納米材料組成的導(dǎo)電路徑的變化。

對于自身具有良好導(dǎo)電性和信號傳輸性能的金屬基[43]、碳基[44]紡織材料，只需通過紡織品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就可以制備力學(xué)傳感器，如Li 等[45]用碳纖維與滌綸(PET)紗線交織制備了蜂窩結(jié)構(gòu)織物壓力傳感器，其靈敏系數(shù)達(dá)到0.045 kPa－1，傳感遲滯性小于0.06，可以實(shí)現(xiàn)對小壓力范圍的精準(zhǔn)監(jiān)測，且可重復(fù)性和耐久性很高。 電阻式紡織基柔性力學(xué)傳感器是通過簡單的物理或者化學(xué)的方法將導(dǎo)電材料負(fù)載到紡織材料表面，但是重復(fù)的拉伸或壓縮會(huì)破壞基體表面導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)影響傳感性能，該方法優(yōu)勢在于其簡單的制備過程。 Wang 等[46]利用芯吸效應(yīng)將石墨烯沉積到具有芯鞘結(jié)構(gòu)的包芯紗纖維表面制得的具有高彈性傳感器，可承受到1 萬次的拉伸－回復(fù)循環(huán)測試。 Zhu 等[47]創(chuàng)新地采用毛細(xì)管法將銀納米線(AgNWs)整合到聚氨酯(PU)纖維表層形成完全導(dǎo)電的網(wǎng)絡(luò)，制備了直徑為毫米的高靈敏度、可拉伸纖維應(yīng)變傳感器。 高度可拉伸的PU 基體和AgNWs 導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的嵌入式結(jié)合，賦予PU/AgNWs 纖維出色的可靠性和穩(wěn)定性。 以導(dǎo)電材料與聚合物為原料通過濕法紡絲或熔融紡絲制備復(fù)合纖維構(gòu)筑的力學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可紡織加工性良好，但導(dǎo)電材料在復(fù)合纖維中的比例會(huì)影響傳感器的靈敏度和拉伸斷裂強(qiáng)度。 Seyedin等[25]用混合有Mxene 的PU 紡絲液進(jìn)行濕法紡絲制備出的Mxene/PU 復(fù)合纖維，其響應(yīng)快且導(dǎo)電性良好，特別是其靈敏系數(shù)隨著拉伸形變量的增加急劇增強(qiáng)，可達(dá)12900。 研究人員通過材料的不同結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如多孔、泡沫、仿生或金字塔形，可以在一定程度上優(yōu)化傳感器的性能[48－55]。 雖然電阻式紡織基柔性力學(xué)傳感器已經(jīng)在各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，但在大部分應(yīng)用場景，如人機(jī)交互設(shè)備、智能可穿戴服裝中，傳感器都需要面對大量的長時(shí)間、重復(fù)性機(jī)械變形，導(dǎo)致傳感器在耐用和穩(wěn)定等性能上仍需突破。

2.2 電容式紡織基柔性力學(xué)傳感器

相比于電阻式紡織基柔性力學(xué)傳感器，電容式的響應(yīng)速度更快、動(dòng)態(tài)范圍更廣、功耗更低[56]，因?yàn)槠涔ぷ髟硎峭ㄟ^外力改變使電容器極板之間的距離、相對面積或中間介質(zhì)狀態(tài)來改變電容值，這與平行板電容器工作原理一致。

以纖維為基底材料的電容式傳感器在電容結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑上通常以制備的“皮芯結(jié)構(gòu)”纖維為材料，構(gòu)筑方式通常使用經(jīng)緯交織、加捻等。 Zhang等[57]以棉纖維為外層包裹鍍銀尼龍纖維制成包芯紗，再用聚氨酯固定，將兩根導(dǎo)電包芯紗加捻制成的螺旋結(jié)構(gòu)的電容式傳感器具有細(xì)小的直徑(0.6±0.05 mm)和織物的紗線形態(tài)。 其中鍍銀尼龍纖維作為電極層，聚氨酯涂層作為介電層。 以導(dǎo)電織物作為電極，中間填充柔彈性絕緣材料的三明治式結(jié)構(gòu)是織物基電容式柔性力學(xué)傳感器常用的一種結(jié)構(gòu)。 Keum 等[58]制備的電容式傳感器以導(dǎo)電滌綸織物作為電極，聚偏氟乙烯－六氟丙烯/離子液體(PVDF－HFP/IL)復(fù)合膜為介電層，其壓力監(jiān)測范圍高達(dá)100kPa，且耐用性較好。 電容式紡織基柔性力學(xué)傳感器與服裝的完美融合以及突出的耐用性，在可穿戴設(shè)備上有其他類型傳感器無法比擬的優(yōu)勢，這將助力其在可穿戴設(shè)備上的發(fā)展與應(yīng)用。

2.3 壓電式紡織基柔性力學(xué)傳感器

利用紡織材料(例如纖維和織物)的壓電傳感器的研究相對于電阻式和電容式紡織基柔性力學(xué)傳感器還不夠廣泛和深入。 通過壓電效應(yīng)，壓電材料可以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能輸出，以壓電材料制備的傳感器也就具有了更快的響應(yīng)速度，更高的敏感度，以及自供電的優(yōu)勢。 因?yàn)閴弘姴牧系倪@些特點(diǎn)，壓電式傳感器廣泛應(yīng)用于動(dòng)態(tài)刺激檢測，如振動(dòng)、彎曲、滑移等運(yùn)動(dòng)，特別是在低功耗傳感設(shè)備上是首選材料。 He 等[59]將PVDF 和四針狀氧化鋅(T－ZnO)混合涂覆在PET 織物網(wǎng)上，將T－ZnO 納米結(jié)構(gòu)的抗菌性能和壓電、氣敏、光催化結(jié)合在一起。 T－ZnO/PVDF 的壓電效應(yīng)導(dǎo)致了運(yùn)動(dòng)動(dòng)力觸覺感知行為，例如電子皮膚可以檢測肘部彎曲或手指按壓。 Mokhtari 等[60]采用熔融紡絲法制備含鈦酸鋇(BT)納米粒子和不含BT 納米粒子的PVDF混合壓電纖維，將其織造為針織織物應(yīng)用于膝蓋部位運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。 不同于通過納米結(jié)構(gòu)來提高PVDF 壓電薄膜的輸出性能，Ahn 等[61]以PVDF 薄膜為中間層夾在3D 間隔織物中間，對3D 間隔織物單絲施加預(yù)應(yīng)變以減小能量吸收間隔，并將單絲用作壓力變送器，將壓電輸出電壓(4.6 V)放大5倍(25.6 V)。

2.4 多功能紡織基柔性力學(xué)傳感器

近年來紡織基柔性力學(xué)傳感器多功能化已經(jīng)成為一種研究趨勢。 因?yàn)槭褂脠鼍暗牟煌瑐鞲衅髟谧非笮阅芴嵘耐瑫r(shí)往往需要被賦予抗菌、阻燃、電磁屏蔽等功能[62－65]。 Zheng 等[66]將粘彈性MXene 油墨絲網(wǎng)印刷在非織造布上，構(gòu)建壓力傳感器和超級電容器的交叉電極。 將交叉電極與MXene/AgNWs 裝飾的無紡布層結(jié)合形成壓力傳感器，涂覆凝膠電解質(zhì)構(gòu)建全固態(tài)超級電容器，并集成形成多功能自供電壓力傳感器，不僅傳感性能良好，而且具有超快的溫度響應(yīng)和優(yōu)異電磁屏蔽性能。 將高電導(dǎo)率和機(jī)械柔韌性的水溶性聚乙烯醇(PVA)模板輔助銀納米纖維(AgNFs)轉(zhuǎn)移到織物表面作為傳感器電極，采用表面結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好、力學(xué)性能優(yōu)異的高彈性3D 織物作為電容介電層，構(gòu)筑的傳感器具有壓力和拉力的雙響應(yīng)性能。

3 總結(jié)與展望

本文主要從電阻式、電容式、壓電式和多功能方向總結(jié)了紡織基柔性力學(xué)傳感器近期的研究進(jìn)展，詳細(xì)闡述了構(gòu)建基于紡織材料的柔性力學(xué)傳感器的工作機(jī)理、常用材料、制備方法及其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。紡織材料因其特殊的紡織結(jié)構(gòu)成為設(shè)計(jì)柔性力學(xué)傳感器的理想載體。 結(jié)合它自身所擁有的豐富結(jié)構(gòu)、吸濕、柔軟、透氣舒適、低成本等優(yōu)點(diǎn)，近年來發(fā)展突飛猛進(jìn)，已深入的融合進(jìn)可穿戴設(shè)備，在醫(yī)療監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、運(yùn)動(dòng)監(jiān)測等方面的應(yīng)用尤為突出。但隨著實(shí)際應(yīng)用對傳感器性能要求的進(jìn)一步提升和不同應(yīng)用場景對傳感器的差異化、多功能化要求，使傳感器的發(fā)展仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。 通過選用適合基底和導(dǎo)電材料、優(yōu)化的傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方法提高其重復(fù)性、耐用性、生物安全性、穩(wěn)定性等重要性能指標(biāo)仍需進(jìn)一步研究。 紡織基柔性力學(xué)傳感器的發(fā)展必須從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，加強(qiáng)新材料的運(yùn)用，并進(jìn)行多功能、一體化的開發(fā)。 同時(shí)因?yàn)閼?yīng)用領(lǐng)域的廣泛性，傳感器需要多學(xué)科交叉的共同研究，紡織基柔性力學(xué)傳感器的發(fā)展前景有著巨大的潛力和重要意義。