傳感器件在智能監(jiān)測服裝中的應(yīng)用

汪婉婉 趙蒙蒙

上海工程技術(shù)大學(xué) 紡織服裝學(xué)院,上海 201620

智能服裝作為集材料、傳感器和計算機通信技術(shù)等于一體的新型服裝,是多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物,能為用戶提供智能分析、反饋控制和決策支持,具有實用性。因為智能監(jiān)測服裝可以實時獲取人體生理數(shù)據(jù),并能長期準確地進行持續(xù)性監(jiān)測,所以智能監(jiān)測服裝用于健康監(jiān)測成為當前紡織服裝領(lǐng)域的研究熱點。Fang等[1]基于智能紡織品的類型對智能紡織品的制備方法和穿著性能等進行了介紹。Li等[2]介紹了幾種智能監(jiān)測服裝材料,并分析了其研究現(xiàn)狀,探討了智能監(jiān)測服裝在安全、環(huán)保、工業(yè)技術(shù)等方面存在的問題。然而,為使智能監(jiān)測服裝更加舒適且滿足日常需求,傳感器件的制備顯得尤為重要,其中柔性傳感器件較剛性傳感器件,前者具有體積小、柔軟性好等特點[3]。若將柔性傳感器件與服裝相結(jié)合,則能更方便地獲得人體各項生理數(shù)據(jù)。但是如何解決傳感器件的微型化與柔性化,實現(xiàn)監(jiān)測的精確化與準確化,是傳感器件研究的關(guān)鍵問題。本文將綜述傳感器件在智能監(jiān)測服裝中的應(yīng)用,闡述智能監(jiān)測服裝中柔性傳感器、電池及儲能系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀,分析近年來國內(nèi)外各類柔性傳感器在體育運動、安全防護、醫(yī)療健康等智能監(jiān)測服裝中的應(yīng)用,并展望其未來發(fā)展方向,以期為傳感器件和紡織服裝的結(jié)合提供理論借鑒。

1 柔性傳感器件

柔性傳感器件作為智能監(jiān)測服裝的主要部件,采用柔性材料制作,主要由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件及測量電路等組成,其能將收集的外界數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號輸入控制系統(tǒng)[4],具有柔韌性好、體積小等特點,能改善智能監(jiān)測服裝的舒適性[5]。按照功能,柔性傳感器件可以分為柔性濕度傳感器、柔性溫度傳感器、柔性壓力傳感器等。

1.1 柔性濕度傳感器

柔性濕度傳感器是基于基體表面覆蓋的一層由感濕材料制成的膜工作的。當空氣中的水蒸氣吸附于感濕膜表面時,傳感器即能感知其中的濕度信息并將信息轉(zhuǎn)化為電信號供系統(tǒng)處理。隨著智能可穿戴技術(shù)的不斷發(fā)展,柔性濕度傳感器被逐漸應(yīng)用到人體熱濕舒適性監(jiān)測中[6]。Lazarova等[7]以濺射過Au/Pd的聚酯(PET)材料作為柔性基板,在其表面沉積部分縮醛化的聚乙烯醇共聚物(即濕敏介質(zhì)),制得了一種敏感度高且信號傳輸速度快的柔性濕度傳感器。Duan等[8]開發(fā)了一款與皮膚貼合的柔性濕度傳感器。該傳感器以導(dǎo)電性能和力學(xué)性能較好的銀納米線作為導(dǎo)電材料,以拉伸性能優(yōu)異的硅膠作為包裹銀納米線的載體,確保了人體日常活動中電極與皮膚保持良好的貼合。挪威實驗室開發(fā)了一款可感知人體反應(yīng)的智能監(jiān)測服裝,其利用集成在服裝上的濕度傳感器實時監(jiān)測人體的生理狀況,確保惡劣環(huán)境中穿著者安全[9]。

1.2 柔性溫度傳感器

柔性溫度傳感器是指將外界溫度或人體溫度等信息轉(zhuǎn)化為電信號的一類傳感器。相較于傳統(tǒng)的剛性溫度傳感器,柔性溫度傳感器舒適性佳、體積質(zhì)量小且接觸面更加均勻,適合人體貼身使用或長期佩戴。Lee等[10]基于澤貝克效應(yīng)(Seebeck effect),以柔性聚酰亞胺薄膜為基底,利用N型Bi-Te和P型Sb-Te光刻再蒸鍍,制得了2種柔性熱電薄膜(厚約18.64 μm)。可基于溫度變化時2片薄膜之間產(chǎn)生的電壓差判斷并輸出溫度信號,且信號輸出靈敏度高,不易受外界應(yīng)力作用的影響。Shih等[11]通過在柔性聚酰亞胺薄膜上涂覆石墨/聚二甲基硅氧烷復(fù)合材料,研制了一款擁有64個傳感器單元的柔性溫度傳感器,可作為仿生皮膚集成到機器人感知系統(tǒng)中。

1.3 柔性壓力傳感器

柔性壓力傳感器是指將外力導(dǎo)致的形變轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕囊活悅鞲衅鳌０凑展ぷ髟?柔性壓力傳感器可以分為電容式、壓阻式、壓電式和摩擦發(fā)電式[12]等4種,它們的傳導(dǎo)機制和器件示意[13]如圖1所示。柔性壓力傳感器具有較好的柔韌性及壓效應(yīng),在智能運動服裝、特種服裝及機器人領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。Lu等[14]采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和原位聚合單體吡咯(PPy)2種材料,以錐型陽極氧化鋁為模板,制得納米錐陣列PPy&PMMA導(dǎo)電膜,再采用互鎖結(jié)構(gòu)研制出低遲滯性和高靈敏度的柔性壓力傳感器。Shoieb等[15]將碳納米纖維(CNF)分散到聚二甲基硅氧烷(PDMS)中,獲得了具有壓阻傳感功能的PDMS/CNF納米復(fù)合材料。該材料導(dǎo)電性能好,成本較低,可廣泛應(yīng)用于傳感器的制作。

圖1 4種柔性壓力傳感器傳導(dǎo)機制和器件示意Fig.1 Conduction mechanism and device schematic of four kinds of flexible pressure sensors

2 電池及儲能系統(tǒng)

智能監(jiān)測服裝的續(xù)航能力及能源的儲存與轉(zhuǎn)換,是影響智能監(jiān)測服裝應(yīng)用與推廣的重要因素。傳統(tǒng)的電池及轉(zhuǎn)換器件較為笨重,而新型柔性電池與儲能系統(tǒng)能在提供續(xù)航能力及能源儲存與轉(zhuǎn)換的同時,確保穿著者輕松、舒適[16]。根據(jù)能量儲存器件和轉(zhuǎn)換方式的不同,新型柔性電池與儲能系統(tǒng)可分為太陽能電池、熱電發(fā)電機、鋰離子電池和超級電容器等。

2.1 太陽能電池

太陽能電池是一種極具發(fā)展前景的可再生能源儲存器件,其供電來源于太陽光。隨著太陽能電池向柔性化方向的不斷發(fā)展,其在服裝領(lǐng)域的應(yīng)用也在不斷擴大。趙揚等[17]以鈦箔為基體,采用沉積法,在鈦箔上原位生長TiO2薄膜,然后以該薄膜為電子傳輸層,制備了光電轉(zhuǎn)化效率高、柔性好的鈣鈦礦太陽能電池。Chen等[18]開發(fā)了一款能發(fā)電的智能單層織物,成功實現(xiàn)了將光能和部分機械能轉(zhuǎn)化為電能。

2.2 熱電發(fā)電機

熱電發(fā)電機能將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能,其能源可來源于人體或周圍的環(huán)境。如Sun等[19]將熱電材料印刷到玻璃纖維上,通過減少熱量散失、增加電量輸出,最終研發(fā)出可利用人體體溫發(fā)電的裝置(圖2)。該裝置非常輕薄,面密度僅約1.3 kg/m2,厚度僅約0.5 nm。Wang等[20]利用52對熱電偶收集人體熱量,研制出一款柔性可穿戴發(fā)電機,可為傳感器件提供持續(xù)且較為穩(wěn)定的電力。

圖2 人體體溫發(fā)電裝置Fig.2 Body temperature generating device

2.3 鋰離子電池

鋰離子電池是一種可充放電的高能電池,其內(nèi)部的鋰離子能在正負極之間來回移動,實現(xiàn)充放電,故其可被看作是一種鋰離子濃度差電池,工作原理如圖3所示[21]。Liu等[22]基于聚乙烯醇(PVA)-LiNO3凝膠聚合物電解質(zhì)及碳布基底,研發(fā)了一款準固態(tài)水性可充電鋰離子電池,具有非常好的安全性、電化學(xué)性及耐彎折性。

圖3 鋰離子電池工作原理Fig.3 Working principle of Lithium-ion battery

2.4 超級電容器

超級電容器是一種同時具備傳統(tǒng)電容器和通用電池特點的新型儲能元件,其既能快速充放電,又能起儲能作用,具備多重優(yōu)點,也被稱為雙層電容器。其儲能工作原理基于電解質(zhì)離子在電極表面的吸附與脫附,如圖4所示[23]。Ai等[24]研發(fā)了一款能夠為可穿戴設(shè)備儲存能量的可編織線狀電化學(xué)超級電容器,長度為1.2 m,其能為使用者身上的電子設(shè)備提供電源,擁有很好的應(yīng)用前景。顧偉等[25]以PVA/H3PO4凝膠為電解質(zhì),結(jié)合3D多孔石墨烯薄膜為電極材料,研制了一款固態(tài)微型超級電容器,具有輸出功率高,耐久性和柔韌性較好等特點,因此有望在可穿戴領(lǐng)域發(fā)揮作用。

圖4 超級電容器儲能工作原理示意Fig.4 Working principle of ultracapacitor energy storage

3 傳感器件在智能監(jiān)測服裝中的應(yīng)用

得益于電子通信技術(shù)及柔性傳感技術(shù)的發(fā)展,智能監(jiān)測服裝已逐漸由原先的笨重化、零散化、有線化轉(zhuǎn)向了輕便化、集成化和無線化;其將監(jiān)測技術(shù)和服裝技術(shù)相結(jié)合,對人體生理數(shù)據(jù)及外部環(huán)境進行監(jiān)測,且信號端口的集中整合也使得測試更加方便、靈活[26],數(shù)據(jù)收集快速且處理可靠[27]。此外,基于客戶端程序及APP的人衣交互技術(shù)還能實現(xiàn)人體與服裝的溝通[28]。使用者可借助文字、圖像及語音等方式輸入需求,再轉(zhuǎn)換成電信號傳遞給服裝,最后智能監(jiān)測服裝內(nèi)部的電子設(shè)備根據(jù)輸入的信號或外界環(huán)境的變化做出相應(yīng)的反饋,這便實現(xiàn)了服裝與穿著者之間的人衣交互(包括認知交互、運動交互、情感交互及行為交互等)[29]。當前,智能監(jiān)測服裝的應(yīng)用主要涉及體育運動、安全防護和醫(yī)療健康等三大領(lǐng)域(表1)。

表1 智能監(jiān)測服裝的應(yīng)用Tab.1 Application of intelligent monitoring garments

3.1 體育運動類

體育運動類智能監(jiān)測服裝主要用于記錄并分析穿著者的各項數(shù)據(jù),為穿著者在進行訓(xùn)練、運動或康復(fù)時提供幫助,這一方面能使穿著者獲得更好的鍛煉效果,另一方面還能保障穿著者安全[30]。體育運動類智能監(jiān)測服裝按照應(yīng)用人群可分為針對普通運動人群的服裝和針對專業(yè)化運動員的服裝兩大類[31]。滑鐵盧大學(xué)研發(fā)了一款智能運動衣和短褲,其利用面料中內(nèi)置的肌電運動傳感器測定人體肌肉纖維收縮的情況,分析人體運動部位及肌肉的疲勞狀態(tài),再通過藍牙將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭苿咏K端的軟件中,并以圖表的形式告知使用者各部位及肌肉的運動狀態(tài)[32]。美國Athos公司新開發(fā)出一款能感知運動員訓(xùn)練數(shù)據(jù)的可穿戴智能運動服裝[33],如圖5所示,其能將監(jiān)測到的肌肉狀態(tài)與肌電圖進行對比,判斷穿著者的訓(xùn)練方式是否合理,并給出相應(yīng)的數(shù)據(jù)和建議。

圖5 Athos智能運動服裝Fig.5 Athos intelligent sportswear

3.2 安全防護類

安全防護類智能監(jiān)測服裝應(yīng)用也較為廣泛,其主要為使用者包括兒童、婦女、老人、殘障人士及特殊作業(yè)人群等提供安全防護。例如,嬰幼兒尿濕感應(yīng)褲采用溫濕度傳感器和發(fā)聲器實時監(jiān)測嬰幼兒褲子是否被尿濕,以免長時間不被發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致嬰幼兒皮膚產(chǎn)生濕疹等問題。圖6為Mimo公司生產(chǎn)的一款智能嬰兒連體衣,其將傳感器隱藏于可拆卸的小烏龜殼部位,并利用無線傳輸技術(shù)實時將嬰兒的監(jiān)測信息傳輸?shù)奖O(jiān)護人移動端的APP上,在實現(xiàn)監(jiān)測嬰兒睡眠時呼吸、體溫等狀態(tài)的同時又保障了舒適性[34]。余永紀[35]研發(fā)了一款安全監(jiān)護儀,能實時、長期、穩(wěn)定地監(jiān)測使用者的心率變化,并能在使用者出現(xiàn)心率失常時及時發(fā)出警報,減少意外發(fā)生。Roh等[36]研發(fā)了一款可交互的智能電子溫控可穿戴織物。區(qū)別于傳統(tǒng)溫控服裝的手動調(diào)節(jié),該款織物能夠?qū)崟r監(jiān)測外界及服裝內(nèi)部的溫度,并能和人體形成交互作用,在感應(yīng)到外界溫度變化時迅速將服裝內(nèi)部溫度調(diào)整到令人舒適的狀態(tài),為穿著者提供最佳的人體熱舒適環(huán)境。

圖6 Mimo智能嬰兒連體衣Fig.6 Mimo intelligent bodysuit

3.3 醫(yī)療健康類

醫(yī)療健康類智能監(jiān)測服裝的應(yīng)用主要劃分為針對病人和針對醫(yī)護人員2種。這類智能監(jiān)測服裝可以在低負荷狀態(tài)下長時間連續(xù)監(jiān)測使用者的生理健康數(shù)據(jù),實時關(guān)注身體狀態(tài),并在需要時發(fā)出預(yù)警信息,從而起到了預(yù)防疾病、醫(yī)療保護、康復(fù)治療等作用[37],突破了部分醫(yī)療設(shè)備不能移動的局限性,成為了智能監(jiān)測服裝的研究熱點之一[38-39]。近年,柔性傳感器件的快速發(fā)展也推動了智能監(jiān)測服裝在醫(yī)療健康領(lǐng)域的應(yīng)用。柔性傳感器件可以將傳統(tǒng)的電生理監(jiān)測很好地融入服裝中,同時利用導(dǎo)電纖維實現(xiàn)心電圖、肌電圖等多種生物電信號的健康監(jiān)測[40]。Hexoskin公司研發(fā)了一款可以監(jiān)測心率、運動步數(shù)、熱量消耗等數(shù)據(jù),以及對睡眠、睡姿等進行追蹤的智能監(jiān)測服裝。曾仲文[41]開發(fā)了一款能監(jiān)測更年期女性內(nèi)分泌狀況的智能服裝。其將溫濕度傳感器、中央處理器等電子元件有效合理地安裝到服裝內(nèi)部,滿足了穿著者對舒適和美觀的需求。該智能服裝通過監(jiān)測女性出汗情況判斷悶熱程度,并采取科學(xué)的手段分析女性內(nèi)分泌生理數(shù)據(jù),以此判斷穿著者是否患有更年期綜合征。

4 智能監(jiān)測服裝發(fā)展趨勢

4.1 傳感器件的微型化與柔性化

如今,智能監(jiān)測服裝中傳感器件應(yīng)用越來越多,部分傳感器件還存在體積大、硬度高等問題。此外,柔性傳感器件與傳統(tǒng)剛性傳感器件相比,在耐久性、穩(wěn)定性和精確性等實際應(yīng)用方面尚有欠缺,柔性傳感器件與智能監(jiān)測服裝結(jié)合后仍需外部電源實現(xiàn)信息傳遞,無法獨立發(fā)揮傳感功能。因此,加強傳感器件微型化與柔性化的研發(fā),提高電池性能及數(shù)據(jù)收集、轉(zhuǎn)化能力,是傳感器件未來發(fā)展趨勢之一。

4.2 電池及儲能系統(tǒng)的安全化與舒適化

服裝作為人體的第二層皮膚,需具備較強的安全性。智能監(jiān)測服裝的物理安全包括穿著時電路安全、電池及儲能系統(tǒng)安全、輻射安全等,信息安全是指人體生理數(shù)據(jù)安全[42]。此外,智能監(jiān)測服裝為了獲取穿著者的生理健康等數(shù)據(jù),往往要求緊貼人體穿著,加之大眾對智能監(jiān)測服裝功能性需求的不斷增加,產(chǎn)品的舒適性與美觀性也有待提高。

4.3 監(jiān)測系統(tǒng)的精確化與專業(yè)化

智能監(jiān)測服裝將電子監(jiān)測技術(shù)和服裝技術(shù)相結(jié)合,需要不斷地優(yōu)化監(jiān)測系統(tǒng)的精確性與專業(yè)性。首先,收集與分析人體生理數(shù)據(jù)和外界環(huán)境數(shù)據(jù)需準確,以保證監(jiān)測結(jié)果的精確性[43-46]。其次,數(shù)據(jù)的收集和反饋應(yīng)快速,同時分析處理應(yīng)專業(yè)、可靠。最后,應(yīng)因人而異地展開數(shù)據(jù)分析,根據(jù)不斷更新的穿著者生理數(shù)據(jù),建立穿著者不同使用狀態(tài)、不同使用場景下的綜合數(shù)據(jù)庫。

5 結(jié)語

本文從柔性傳感器件及其電池、儲能系統(tǒng)入手,介紹了它們的研究現(xiàn)狀以及在智能監(jiān)測服裝中的應(yīng)用,同時對智能監(jiān)測服裝的發(fā)展前景進行了展望,指出智能監(jiān)測服裝需要在傳感器件的微型化與柔性化,電池及儲能系統(tǒng)的安全化與舒適化,監(jiān)測系統(tǒng)的精確化與專業(yè)化這三方面進行更深入的研究。此外,為使智能監(jiān)測服裝的發(fā)展更加安全和規(guī)范,建議盡快制定相關(guān)的行業(yè)標準。

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