一維結構可穿戴柔性傳感器研究進展

摘要：隨著智能可穿戴技術的發展，人們對智能化、多功能、易攜帶的可穿戴設備需求日益增長，可穿戴柔性傳感器受到廣泛關注并逐漸成為柔性電子領域的研究熱點。一維結構柔性傳感器具備優異適形性、高集成度和性能穩定等優勢，有助于開發高性能、可連續生產、多場景應用的可穿戴柔性電子產品。文章分析了用于一維結構穿戴柔性傳感器的導電敏感材料和柔性基底材料，對一維結構穿戴柔性傳感器的制備工藝進行劃分，從表面涂層、纖維制備以及結構變化方面總結了各種一維結構穿戴柔性傳感器的設計和應用。文章討論了一維結構柔性傳感器當前研究中需要突破的工作，對其在可穿戴應用領域的發展前景提出展望，為相關可穿戴柔性器件的研究提供理論價值和工程參考意義。

關鍵詞：一維結構；柔性傳感器；導電纖維；智能可穿戴

中圖分類號：TP212

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2024）02-0027-13

目前，可穿戴式的柔性傳感器作為智能紡織產品不可或缺的組成部分，已經在健康監測、人機交互、虛擬現實等應用中受到廣泛關注［1］。紡織材料按照生產加工形式可以劃分為纖維、紗線和織物，在紡織生產的不同階段，纖維和紗線被定義為一維水平結構，織物被定義為二維或三維水平結構。他們具有柔軟舒適、可塑性高、可工業化生產等特點，廣泛應用于服裝、家居用品、工業制品中，成為可穿戴柔性傳感器的理想載體［2］。現有研究已提出多種方法賦予紡織材料導電傳感性能，分別構成了一維纖維基、紗線基和非一維的織物基柔性傳感器。一維結構柔性傳感器較非一維織物基柔性傳感器的集成難度小，具有優異的適形性、易編織、柔性可拉伸的特點，可以實現低成本加工和連續生產，在智能可穿戴產品集成過程中仍然保持紡織品本身的屬性，可最大程度實現穿戴舒適性［2］。目前，一維結構柔性傳感器的研究成果主要應用在人體健康監測［3］、運動跟蹤［4］以及智能服裝［5］方面，有研究人員通過運用針織［6-7］、編織［8］等技術將其加工成二維、三維結構的柔性傳感器，開拓了在智能服裝、醫療健康、能量儲存等領域的應用。

柔性傳感器在智能可穿戴設備的制造加工成本中占較大比例，從材料的選擇到制作完成涉及到多個環節，更需要高度精密的設備和技術配合，這便提高了一維結構柔性傳感器制備的工藝成本和技術標準。運用簡單有效的加工方法制備一維結構的可穿戴柔性傳感器，可降低傳感器的成本，有助于拓寬其在智能可穿戴領域的應用范圍［9］。構成一維結構柔性傳感器的兩大重要組成部分分別是導電敏感材料和柔性基底［10］。前者在實現柔性傳感器導電性、傳感工作范圍和傳感性能方面發揮重要作用，后者賦予了柔性傳感器的柔韌性、延展性等特點。一維結構柔性傳感器在智能可穿戴領域雖然取得了顯著性進展，但受其制備工藝、尺寸形貌、性能穩定性和使用耐久性的影響，多數報道的研究成果在實際應用中面臨著較大挑戰性。因此，本文從實現制備一維結構柔性傳感器的材料出發，總結出各類制備一維結構柔性傳感器的導電敏感材料和柔性基底材料，并進一步歸納整理他們的制備工藝，從表面涂層、纖維制備以及結構變化方面闡述各種一維結構穿戴柔性傳感器的設計和應用。文章對一維結構柔性傳感器在當前研究中需要突破的工作進行討論，對其在智能可穿戴應用領域的發展前景提出展望，可為相關可穿戴柔性器件的開發研究提供參考。

1導電敏感材料

柔性傳感器主要是依靠完整的導電通路感知外界變化傳輸信號，其性能的優劣取決于導電敏感材料的電學和力學性能。目前常用的導電敏感材料主要有碳基材料、金屬納米材料和導電高分子材料。

1.1碳基材料

近年來，碳基材料因其具有高導電性、化學穩定性好，機械耐久性強等特性在柔性傳感、儲能器件、電磁屏蔽等領域倍受青睞。例如，以零維的炭黑（Carbon black，CB）［11］、一維的碳納米管（Carbon nanotubes，CNTs）［12］、二維的石墨烯（Graphene，Gr）［13］為代表的碳基材料常作為導電敏感材料制備高性能柔性傳感器。

1.1.1炭黑（CB）

CB是一種天然的生物質碳材料，顆粒直徑一般10～100 nm，呈黑色無定形粉末狀，是通過煤、天然氣和燃料油在缺乏空氣條件下不完全燃燒或分解得到的含碳產物。與其他類型的碳材料相比，CB制備工藝簡單，價格低廉且來源廣泛，形成的導電通路在循環應變下表現出良好的穩定性和耐久性。Jang等［14］在纖維表面構建具有彈性微珠的CB納米粒子層，通過調節CB涂層中的彈性微珠的數量來提高傳感器的靈敏度，纖維傳感器的敏感因子可達863，該纖維傳感器示意圖如圖1所示。Guo等［15］受魚側線鱗片的結構啟發，組成了CB/多壁碳納米管和Gr納米片的雙導電層纖維應變傳感器。這種雙導電層結構有助于實現快速響應和高線性度，響應時間低至60 ms。

1.1.2碳納米管（CNTs）

CNTs是由碳原子組成的石墨烯片層（管壁）卷曲形成中空結構圓柱形的碳管，碳原子的P電子形成大范圍的離域π鍵，共軛效應顯著，使其獲得優異的導電性，電導率和電流容量分別高達107 S/cm和109 A/cm2 ［12］。此外，CNTs還具有優異的機械性能，彈性模量和拉伸強度分別高達1 TPa和100 GPa，斷裂伸長率為15%～30%，是制備柔性應變傳感器的理想碳材料。CNTs根據管壁的層數可分為單壁碳納米管（Single-walled carbon nanotubes，SWCNTs）和多壁碳納米管（Multi-walled carbon nanotubes，MWCNTs）。其中，SWCNTs的電導率高達107 S/cm，高于金屬銅，且穩定性優于MWCNTs。Choi等［16］利用CNTs制備了可作為應變傳感器或超級電容器兩種不同應用場景的復合纖維，在300%的應變下仍具有穩定的電容變化。通過調控CNTs在基體表面的取向、長度、厚度等方法，構筑具有高縱橫比的導電網絡，達到提高柔性傳感器靈敏度的目的。He等［17］研究了MWCNTs的排列和含量對復合纖維應變傳感性能的影響。調控具有良好對齊排列MWCNTs的復合纖維表現出5200的高敏感因子。

CNTs具有非極性結構，且具有較大的長徑比和強的范德華力，容易聚集甚至形成大的團簇進而影響到傳感器的傳感特性。研究人員常采用在CNTs表面引入化學基團表面修飾、添加表面活性劑、使用有機溶劑或超聲處理來改善CNTs的分散性。蒲海紅等［18］利用羧基改性CNTs，纖維素與CNTs相互作用提高其分散性和穩定性。從圖2（a）—（b）電阻響應曲線圖［18］中看出，纖維素/CNTs復合纖維在呼吸和浸水-干燥時產生規律的電阻變化，說明了在具有導電特性外還具備了濕度敏感特性。李東亮等［19］利用CNTs與聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段熱塑性彈性體（SBS）之間π-π鍵相互作用，改善CNTs的分散性。當長CNTs（10～30 μm）與短CNTs（0.5～2.0 μm）比例為4∶1時，SBS/CNTs彈性導電復合纖維的電導率最高為4×10-4 S/cm。

1.1.3石墨烯（Gr）

Gr作為石墨的二維同素異形體，由一層碳原子以sp2雜化軌道按蜂巢晶格排列構成的二維碳納米材料，單層Gr的厚度約為0.34 nm，具有極高的載流子遷移率（15000 cm2/V·s）、高電導率（106 S/cm）、高彈性模量（1 TPa）的特點，廣泛應用于柔性電子器件的研發［13］。Wang等［20］利用Gr作為導電材料制備一維超彈性螺旋導電傳感包芯紗線，設計了具有不同傳感性能的紡織基傳感器。這種經Gr改性的包芯紗線，結果表明彈性（ε gt;300%）、超10000次循環可重復性，同時可檢測0.3%的小應變。將其編織二維織物的傳感器可以與服裝無縫集成，促進智能服裝的開發的應用。對傳感層進行微結構化處理，有助于提升柔性傳感器的靈敏特性，如Huang等［21］將Gr與納米微球結合制備了納米級多孔傳感纖維傳感器，在二維結構Gr之間添加納米尺寸小球聚合物增大比表面積形成更多導電通路，微小的刺激將觸發導電網絡變化，使其在應變5%內敏感因子為51，低至0.01%的應變都能被檢測。該多孔纖維傳感器可以識別脈搏波，利用其制得的織物基傳感器還能實時評估物體位置信息，在開發多場景智能紡織品方面具有很大潛力。

1.2金屬納米材料

金屬材料由于其高導電性和價格低廉的優勢成為工程領域中廣泛應用的導電材料，但一般尺度的金屬材料雖可滿足柔性電子設備要具備良好的電學性能需求，但是存在舒適度低、可變形性差、可集成性低等問題。金屬納米材料是零維納米顆粒或一維納米線形式作為基本單元構成的金屬材料［22］。除了保留一般尺度金屬的特點外，且易與其他物質發生吸附、鍵合反應，還具有高度可塑性、表面能高和表面原子比例大的特點。在各種金屬納米材料中，銅（Cu）、金（Au）和銀（Ag）金屬基在柔性傳感領域常有研究報道。其中，在銀基納米材料中，如銀納米顆粒（AgNPs）和銀納米線（AgNWs）前者粒徑通常小于100 nm，后者直徑一般為幾十到幾百納米，長度可達到微米甚至數毫米，成為構建柔性傳感器導電網絡的常用選擇之一。Lu等［23］提出用聚乙二醇（PEG）衍生物對AgNWs進行表面改性提高其分散能力，改善了聚氨酯（PU）和AgNWs的相容性，制備了可拉伸導電復合纖維顯示出超14000 S/cm的高初始電導率。Zhao等［24］報告了金納米線制備的可拉伸導電纖維。該纖維以金納米線為“種子”，使用金納米線作為附著的“根”和發芽的“種子”。金納米線成功地嵌入聚合物基底的內部，應變為380%時，其電導率可達461 S/cm。將其編織進手套，可作為可穿戴發光二極管電路的一部分，手套實物如圖3（a）所示。在導電敏感材料中，碳基材料呈黑色、金屬納米材料往往是灰白色或棕褐色，受到材料本身特征限制，有關導電紗線色彩變化的研究鮮有報道。Tang等［25］在銅納米線上化學沉積Ag涂層，通過浸漬—提拉法制備了多種顏色的導電紗線，彩色導電線的實物如圖3（b）所示。利用這種導電線作柔性溫度傳感器能夠實時監測體溫變化，圖3（c）為傳感器應用示例，該傳感器的溫度誤差可控在0.3 ℃內。

利用金屬納米材料制備的導電纖維、紗線的導電性能優良，但是得到的一維可穿戴傳感器的粗糙度較大，將其進一步加工時出現性能穩定性差的問題，這便阻礙了一維可穿戴傳感器的進一步推廣使用。提高金屬納米材料的穩定性，進行封裝處理減少對其使用性能的影響，將會有利于拓寬在柔性電子應用的開發。

1.3導電高分子材料

導電高分子材料是指具有導電功能的高分子聚合材料，又稱導電聚合物。根據結構和導電原理將其可分為本征型和復合型兩類導電高分子材料。即本身具有導電特性稱本征型導電高分子材料，然而通過摻雜導電填料后分散在單相或多相高分子基體中獲得的導電性則稱復合型導電高分子材料［26］。聚合物導電性必須具備兩個條件：一是能夠產生足夠數量的載流子（電子、空穴或離子等）；二是能夠在大分子鏈內或分子鏈之間形成導電通道。如果對分子的基本結構進行目的性設計，導電高分子材料可以被調整為具備電、磁和光學的獨特性質。迄今為止，在柔性傳感領域導電高分子材料的聚吡咯（Polypyrrole，PPy）、聚苯胺（Polyaniline，PANI）、聚（3，4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT：PSS）等導電高分子材料在柔性傳感領域都得到了廣泛應用。

a）聚吡咯（PPy）。PPy由吡咯（Py）單體經氧化形成陽離子自由基進而聚合成的高分子化合物，表現出良好的導電性、穩定性、密度低且易于制備。Hui等［27］通過PPy/聚乙烯醇（PVA）導電性油墨在紗線結構基材制備了柔性傳感器， 其制備過程示意如圖4所示，該傳感器的靈敏度為39，具有200%工作范圍。陸趙情等［28］利用PPy開發了一種氣凝膠纖維傳感器，具有95%～99.8%的孔隙率，電導率能達到10～30 S/cm，孔隙率的增加提供給傳感器更大的比表面積，有助于提升的傳感器的靈敏度。

b）聚苯胺（PANI）。PANI是一種具有特殊電學和光學性能的高分子化合物，它是由苯胺用氧化劑氧化并使用質子酸摻雜獲得，電化學性能穩定。吳穎欣等［29］利用原位聚合法形成了一層致密的PANI導電層，使氨綸/PANI復合導電纖維電導率為0.63 S/cm，較處理前的氨綸電導率（1×10-10 S/cm）提升了9個數量級，受到拉伸時擁有穩定的電阻變化，使其獲得了一定的應變傳感性能。Zhai等［30］采用兩層PANI橋接的還原氧化Gr（rGO）組成導電敏感層構建了纖維型應變傳感器。第一個PANI導電層提供高導電性，采用rGO作為第二層以彌合PANI層受到拉伸時的裂縫，第三個導電PANI層鞏固rGO納米片并進一步提高導電性。這種傳感器具有高達200%的大應變范圍，并且能夠對不同濃度的氨氣（NH3）進行監測。

c）聚（3，4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT：PSS）。PEDOT：PSS是一種在水和各種有機溶劑形成分散體的新型導電聚合物，電導率大于103 S/cm。PEDOT：PSS由PEDOT和PSS兩種物質構成，主鏈上的噻吩環使PEDOT分子鏈顯示出一定的剛性，PSS作為一個分散長鏈，具有較強磺酸基親水基團，兩者絡合使得PEDOT：PSS以一種穩定的膠束狀態分散在水中，通過破壞PEDOT：PSS之間的靜電結合力增加PEDOT自身的結晶度可以提高PEDOT：PSS的導電性。王新月［31］利用PEDOT：PSS制備了一種復合導電纖維。隨PEDOT：PSS質量分數增加，電導率呈指數式上升達到11.25 S/cm，其拉伸斷裂強度為124.15 MPa。將二甲基亞砜（DMSO）加入PEDOT：PSS/PVA共混紡絲液，摻雜改性后的電導率大于50 S/cm，拉伸斷裂強度可達275.43 MPa。這是因為引入DMSO后使纖維中PEDOT的分子鏈構象由苯式結構轉變為易于載流子傳輸的醌式結構，降低了載流子的遷移勢壘，提高了纖維的電導率，此特性使得這種纖維可用作柔性傳感連接器件應用。Seyedin等［32］報告了采用PEDOT：PSS制備可拉伸導電纖維，這種導電纖維編織各種結構的紡織品表現出應變感應的特性的靈敏度隨PU/PEDOT：PSS纖維數量的增加而提高。Alshabouna等［33］利用PEDOT：PSS對棉線改性得到一維結構的導電紗線，研發一系列用于監測人體心臟、呼吸信號以及檢測NH3氣體的柔性可穿戴傳感器。

2基底材料

基底材料主要為柔性傳感器提供柔軟可變形性，并通過兩種形式存在發揮其作用。一種是將彈性聚合物材料直接紡成纖維作為基材，另一種是將其作為紡絲（紗線）的導電填料的柔性基質。例如，聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）、聚氨酯（Polyurethane，PU）、苯乙烯三嵌段共聚物（Styrene Butadiene styrene block polymer，SBS）等因具有低彈性模量、低蠕變行為、熱穩定性和化學穩定性的特點，成為學者研究柔性傳感器基底材料的理想選擇。

2.1聚二甲基硅氧烷（PDMS）

PDMS是一種硅橡膠類彈性聚合物，具有良好光學透明性，耐高拉伸（高達1000%）的特點。PDMS本身導電能力較弱，為了制備具有導電性的柔性傳感器，研究人員采用了引入導電材料的方法直接制備一維結構的柔性傳感器。例如，Li等［34］將MWNTs引入PDMS基材中，制備了一種可拉伸具有溫度響應的MWNTs/PDMS纖維式柔性傳感器，在50 %應變下表現出2000次優異的循環耐久性，溫度響應范圍在0～100 ℃，能夠實時監測人體手部的運動和溫度，在多功能傳感方面具有很大應用前景。若在基底材料中引入大量導電材料，會損傷柔性傳感器彈性恢復能力，采用將導電敏感材料附著在柔性基底表面形成導電網絡的方式，能夠有效的保持其彈性恢復。Jin等［35］將3種導電材料涂覆在PDMS纖維表面構建導電通路，通過再涂覆PDMS作保護層，保證了柔性傳感器使用耐久性，成功制作了可扭曲拉伸變化的柔性傳感器，該傳感器的電阻變化響應曲線變化如圖5所示。從圖5中觀察可知，采用PDMS制備一維結構柔性電阻傳感器在不同彎曲角度和扭曲作用下仍然保持穩定的電阻變化。

2.2聚氨酯（PU）

PU是由多元醇構成軟段和氨基甲酸酯（NHCOO）基團構成硬段組成微相結構的彈

性體，柔性軟段有助于保證彈性體的彈性，展現出優異的拉伸強度、撕裂強度等性能。梁家豪等［36］將PU作為基材，將Gr快速植入熔融態的PU纖維表層，成功制備對濕度響應的柔性傳感器。當Gr植入量為4.1%，采用PU為基底濕敏纖維傳感器的斷裂伸長率為915%，顯示出較好的柔韌性。Chen等［37］報道了一種由可拉伸PU纖維作芯層、中間粘結改性層的聚甲基丙烯酸酯（PMA）和經由浸涂的作為外導電層的共晶鎵銦（eGaIn）組成的高拉伸的柔性纖維傳感器，其制備如圖6所示。該傳感器具有超500%的高拉伸性和優異的熱穩定性，可以監測人體大幅度運動的變化，最高工作溫度能達到約250 ℃。此外，熱塑性聚氨酯（Thermoplastic polyurethane，TPU）作為聚氨酯彈性體的一個重要分支，從微觀結構上看，TPU同樣具有獨特的硬段（由-NHCOO-基團組成）和軟段（由非極性醚和酯基團組成）的微相結構。在常溫下，軟段使它具有橡膠的彈性，硬段賦予其塑料的強度特性，表現出高耐磨性和高撓屈性。張寧儀等［38］以TPU為基底材料，制備了AgNPs-TPU傳感纖維通過自身電阻變化率表征不同的拉伸應變，顯示出優異的柔韌性和延展性，斷裂伸長率高達576%。鄭賢宏等［39］制備了過渡金屬碳化物/氮化物（MXene）改性TPU納米纖維紗線傳感器的應變工作范圍最高至400%，MXene片可在納米纖維紗線表面及內部形成連續導電通路，其敏感因子可達477，這種TPU基底的制備高拉伸性傳感器可應用監測大應變運動變化。

2.3苯乙烯三嵌段共聚物（SBS）

SBS是一種分子結構呈現ABA型結構的熱塑性彈性體，即苯乙烯部分與聚丁二烯部分交替排列，磺酸基團通常位于丁二烯單元上，使SBS在高分子鏈的兩端有硬性段，中心有柔性段賦予其既有彈性體的彈性和彎曲性，又具備聚合物的黏彈性。Ma等［40］展示了一種基于SBS材料制造一維結構的柔性導電纖維、紗線傳感器。通過沉積負載AgNPs的SBS纖維拉伸應變超1500%，電導率高達4400 S/cm。隨后展示的Ag-SBS復絲紗線由于比表面積更大、紗線中空隙的存在導致纖維束內產生更多的導電接觸，相比單絲紗線表現出更高的導電性。隨后將一維結構的傳感器通過常規紡織品制造工藝整合到手套中，圖7（a）為手套實物，用來監測各種手勢變化。SBS經氫化反應，將不飽和丁二烯轉化為飽和碳-碳鍵，得到氫化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（SEBS），SEBS相比于SBS的生物相容性、耐熱性和抗紫外線輻射性大大提高。碳基材料和SEBS的苯基之間的π-π相互作用，使兩者之間存在較強的相互作用力和良好的界面相容性，Jamatia等［41］將SEBS與CB相結合中構建了用于患者康復訓練的一維柔性傳感器，應用示例如圖7（b）所示，利用SEBS質輕和生物相容性的優勢保證了人體佩戴舒適性，循環耐久性能達到5000次。

3一維結構柔性傳感器的制備工藝

柔性傳感器的制備過程中需要考慮其制備工藝復雜程度、制造成本高低、性能穩定性等參數，纖維、紗線這類一維材料用作應變傳感，需要其本身具備較大拉伸形變，在滿足纖維和紗線基本的可拉伸性外賦予其傳感能力，能夠對外界刺激進行響應。因此，提供經濟有效的方法并與現有紡織技術良好兼容是實現柔性傳感器大規模應用的關鍵。

3.1表面涂層法

表面涂層法是在纖維/紗線基材表面形成導電傳感層的表面處理手段。例如，將導電敏感材料通

過浸涂、噴涂以及原位聚合等物理或化學方式在基材表面形成良好的導電通路，這是一種最簡單直接的實現柔性傳感器制備方法。以直接浸涂法為例，將所用基材完全浸入導電敏感材料分散液中，經一段時間處理后進行干燥處理，使導電材料在基材表面形成均勻導電傳感層，實現一維結構柔性傳感器

的制備。因其操作簡便、成本低廉，容易實現導電性被廣泛用于制備一維結構柔性傳感器。例如，Zhao等［42］將纖維基材經浸涂制備了應變可視化的纖維傳感器，在應變80%工作范圍內產生可視化結構色變化。Wu等［43］提出了一種逐層浸涂方法，制備過程如圖8（a）所示，首先涂覆帶有負電荷CB改性天然橡膠的納米混合體在PU紗線的表面，然后再逐層浸涂形成超薄的導電層最終構成了穩定的導電網絡，該傳感器可檢測到低至0.1%應變。噴涂法一般使用高壓噴槍將液體導電材料霧化，然后將其均勻分散在基材表面，形成均勻致密的導電層。此工藝使用高壓噴射，滲透力較浸涂法強，可使導電材料深入基材空隙內提高其附著力。Xie等［44］通過噴涂法構建了應變傳感的螺旋層狀CNTs-Gr/PU復合紗線，該復合紗線的表面形貌如圖8（b）所示。從圖8（b）觀察到通過噴涂法而形成明顯的螺旋層狀，以抑制應變刺激下導電層中微裂紋的產生和擴展，減少導電層的磨損或分層。制備的傳感器可達620%的寬工作范圍，顯示出2000的高敏感因子。

然而，表面涂層法雖然可以形成較均勻的導電層，但對于處理吸收性基材時材料的消耗較大，并且在遭受應變刺激時表面導電涂層穩定較差，導電粒子經過長時間的拉伸釋放后易脫落，對傳感器的傳感特性和長期性能穩定性產生不良影響。為了解決這些問題，研究人員通過形成化學鍵或化學交聯方法提高導電層與基底材料的結合強度或采用額外的封裝處理做保護。Qin等［45］采用溶解包覆法將CB粒子嵌入到聚合物纖維內，通過溶解層加強CB導電粒子與基材的結合強度，研制了可連續生產雙模式傳感的復合纖維作為可穿戴電子器件，這種溶解涂層工藝有望用于紡織工業中生產可穿戴柔性傳感器。Zhang等［46］采用浸漬PDMS溶液進行封裝Ag/碳化鈦/PU導電紗線防止導電材料剝落，擁有150%～300%的寬工作范圍。經PDMS封裝處理后的一維紗線結構傳感器，其敏感因子超700。

在表面涂層工藝中，不僅要制備均勻分散的導電敏感材料溶液，而且要確保形成導電敏感涂層的材料與基材結合強度，否則出現分層剝離導電粒子、可穿戴舒適度較差，穩定性降低等問題限制其進一步推廣。

3.2直接紡絲法

直接紡絲法是制備導電纖維的一種有效方法，將導電材料摻入聚合物中，減少導電填料出現的分層現象，通過濕法紡絲法、熱拉伸工藝等技術得到復合纖維傳感器，可將制得的具備傳感性能的復合纖維紡紗構筑一維結構的柔性傳感器。

濕法紡絲法是一種可規模化生產的長絲紗生產技術，通過噴嘴以適當的速率將基礎聚合物溶液注入凝固浴中來制造長絲紗，可以將導電材料添加到聚合物溶液中并通過濕法紡絲將混合物提取成長絲制造可拉伸導電紗線。在紡絲法過程中，由于固化過程中的溶劑交換，可使纖維內部產生多孔結構，這利于提升傳感器的靈敏度。Niu等［47］開發了一種

基于濕紡工藝的多孔聚氨酯纖維應變傳感器，構筑“島橋”微結構的Ag/CB雙層導電網絡。該纖維應變傳感器具有2.52×106的超高敏感因子，60 ms的快速響應時間。Seyedin等［48］采用同軸噴嘴進一步紡制了具有芯鞘結構的可拉伸導電復合纖維，制備的高靈敏度的“芯鞘”纖維應變傳感器如圖9（a）—（b）所示。當用作應變傳感器時，顯示出152%的應變能力，在50%應變下，敏感因子可達12900。Zhang等［49］運用熱拉伸技術將苯乙烯和乙烯/丁烯（SEBS）作基材，CB構成導電通路，制備了“芯鞘”和“螺旋”式兩種變化結構的纖維傳感器，圖9（c）為制備芯鞘結構和螺旋結構應變傳感纖維的示意圖。其中，具有芯鞘結構的纖維傳感器表現出大于580%高拉伸性，采用螺旋設計時，該傳感器可以承受更高的應變（gt;750%）。同樣采用此工藝，Marion等［50］構建了屈曲和螺旋兩種形狀變化的導電纖維。采用這種方法可連續生產達數十米，通過編織和針織技術展示了制造柔軟可拉伸的紡織天線，屈曲結構變化的導電纖維如圖9（d）所示。總之，采用熱拉伸法技術需要控制所制纖維的結構和成分，通過調整纖維的預拉伸形態，直接制備或進一步加工成一維結構柔性傳感器。

3.3結構變化法

結構變化法主要是根據改變原基材的單一結構，使其結構發生變化賦予其傳感特性，選擇合適的制備材料和變化結構設計對于制備一維結構的柔性傳感器至關重要。本小節主要從一維結構紗線方面總結了包纏結構法和花式扭曲變化法制備一維結構柔性傳感器相關研究工作。

3.3.1包纏結構法

包纏結構方法制備柔性傳感器，紗線通過外包纏繞構建包芯結構。同上述采用同軸紡絲的“芯鞘”結構纖維式傳感器的原理相似，主要由內部的芯層和外部纏繞的鞘層兩部分相互配合，一般是通過包覆角變化和改變螺距的分離程度兩種形式的結構變化。受到拉伸作用時，內部芯層作為拉伸受力的主要承受對象，而外部鞘層間接受到拉伸作用力。因此，提高芯層和鞘層之間的結合能力是保證此類型傳感器的傳感信號穩定輸出的關鍵。Qi等［51］將嵌入CNTs的PU納米纖維通過靜電紡絲技術直接包纏在鍍鎳芯紗表面以產生一維包纏“芯鞘”結構的傳感紗線，圖10（a）為一維“芯鞘”柔性傳感器的制備過程。包纏鞘層的多孔納米纖維結構和鍍鎳芯紗電極的纖維束分層結構共同作用提供較大的表面積和表面粗糙度，提高傳感器的靈敏度，作為柔性壓力傳感器可實現30 ms的快速響應能力。

3.3.2花式扭曲變化法

花式扭曲結構變化是在包纏結構法基礎上變化以拓寬工作范圍和提高應變傳感能力，滿足了不同應用場景的需求。Gao等［52］設計一種CNTs/PU的復合螺旋結構應變傳感器，螺旋結構的設計過程如圖10（b）所示。圖10（c）為螺旋結構受拉伸時紗線結構變化過程，彈性PU材料和螺旋結構的協同效應使紗線具有出色的伸展性。使得螺旋結構應變傳感器在應變900%內獲得了良好可恢復性和高達1700 %的拉伸伸長率。Lu等［53］設計了一種涉及到扭轉、彎曲以及平行排列結構的纖維基的應變傳感器。從圖10（d）拉伸釋放的示意圖和相應SEM圖中看出，當受到100%外力拉伸時，出現了雙水平螺旋縫隙結構。這種復合結構的設計產生了一種協同傳感機制，即裂紋擴展和導電接觸面積的變化，在非常小的應變下也能產生較大的結構變化，這使得傳感器能夠準確地捕獲0.01%的微小應變，具有70 ms快速響應時間。此結構還適用于彎曲和扭轉的變形，扭轉檢測范圍達到1000 捻/m。Zhao等［54］首次利用機器與多種紡織行業編織技術交織出強韌的銅涂層聚丙烯腈紗線和聚對二甲苯涂層銅-聚丙烯腈紗線，并提出紡織結構與傳感器關鍵特性之間的關系，實現對于不同物體的壓力監測。

4結語

近年來，一維結構柔性傳感器的研究取得了顯著進展，能夠對溫度、壓力、拉伸以及光學變化的感知，在開發各種智能可穿戴產品方面顯示了巨大發展潛力。同時，一維結構柔性傳感器也成為智能服裝、紡織天線、柔性電池等研究方向的一個重要連接平臺，拓寬在可穿戴傳感、智能醫療、運動健康等應用領域的范圍。關于柔性電子產品中未有統一檢測標準，在不同的研究成果中，通過各種方法計算柔性電子器件的參數，難以比較具有不同功能甚至相同功能的可穿戴柔性電子器件。目前，在實際應用方面仍存在幾個方向需要繼續攻破。

a）電子元件的匹配和集成。一維結構柔性傳感器的信號傳輸仍然受限于僅由一維結構電子元件集成的電子系統，纖維或者紗線的本身形狀為一維結構，用于一維結構電子元件的可拉伸導電紗線可以部分地與傳感器互連，然而這種互連在實際應用中受到技術限制，未能較好保證信號的穩定輸出。為了實現完整一維結構的可拉伸電子系統，應展開多領域交叉研究，深入剖析一維結構的可拉伸電子系統涉及的各種原理和運行機制，開發具有與之匹配的高性能的電子元件，例如天線、晶體管、轉換器等。

b）材料設計和優化。一維柔性傳感器的電性能和穩定性不能很好地滿足其實際應用。因此，需要對研究者的工作提出更高的要求，進行傳感器的優化設計提高性能。制備傳感器導電材料需穩定且具備柔性的特點，基底材料要有較高拉伸性，導電材料與基底材料的結合強度非常高，受到外力條件下依然保持性能穩定。拓展制備傳感器材料的范圍，開發能夠滿足生物相容性、生物可降解性、環境友好性的需求的新材料，在進行封裝、后加工處理階段不會對人體和環境產生危害，以獲得性能穩定、材料安全、風格多樣的智能可穿戴產品。

c）紡織加工技術的應用。一維結構柔性傳感器的力學性能和各性能穩定難以滿足工業上的生產加工技術，拓展連續化生產較為困難。纖維、紗線此類紡織材料具有良好的柔韌性，若將其與針織技術結合開發無縫一體式智能服裝、智能紡織品，減少復雜加工工序，避免對材料造成多次損傷，影響產品外觀和性能。因而，一維結構柔性傳感器選擇針織、編織、3D打印加工等成熟的加工技術相結合，對于實現一維結構柔性傳感器的多場景應用和規模化生產至關重要。

因此，未來設計高度靈活和高傳感效率的一維結構可穿戴柔性傳感器，需要紡織工程、電子信息、材料科學等領域研究人員的相互協作，開發可連續生產、高靈敏度以及可靠耐用的柔性可穿戴電子設備，這將進一步推動科技創新，為人們的生活和工作帶來更多便利。

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Research progress on wearable flexible sensors with one-dimensional structure

YUE Xinyana， HONG Jianhana，b

（a.College of Textile and Garment; b.Key Laboratory of Clean Dyeing and Finishing Technology of Zhejiang Province， Shaoxing University， Shaoxing 312000， China）

Abstract：

With the advancement of technology and the growth of market demand， smart wearable technology is developing rapidly. Smart wearable electronic devices（including electronic skin， sports wristbands， smart watches， etc） are becoming more and more popular in people's daily life. At present， smart wearable devices are gradually developing towards flexibility， light weight and portability， and they need to meet the characteristics of softness and comfort， flexibility and lightness， and fit the human body well.

Textile materials are found everywhere in people's daily life and can be classified according to their form into fibers， yarns and fabrics， subsequently utilized in various textile processing techniques to manufacture various garments and textile products. At different stages of the manufacturing of processing textiles， fibers and yarns have been defined as one-dimensional horizontal structures and fabrics as two-dimensional or three-dimensional horizontal structures. Now various methods have been proposed to endow them with conductive sensing properties to build wearable and flexible sensor devices to play an important role in fields such as sports， health care， and human-computer interaction. One-dimensional structured flexible sensors have the advantages of less integration difficulty， more excellent conformability， flexibility and stretchability， and greater malleability compared to non-one-dimensional sensors， allowing for low-cost processing and continuous production. At present， the research on one-dimensional structured flexible sensors has made significant progress， including the perception of temperature， pressure， stretching and optical changes， and the monitoring of object shape， human movement posture， health status and other functions of the sensor. Some researchers have produced electronic skin， smart clothing and smart textile products by processing them with existing knitting and weaving technologies， which has shown great development potential in developing different smart products. Therefore， one-dimensional structured wearable flexible sensors need to be further studied in depth and a series of smart products such as smart textiles， smart clothing and smart wearable devices can be developed through continuous production with existing mature processing technologies. In addition， the possibility of use of one-dimensional structured flexible sensors to build functions including sensing， actuation， and communication has been proven by researchers. In the future， it will promote the advancement of scientific research in the direction of flexible circuits， fabric antennas， multifunctional sensors， etc.， and it has become a research hotspot to research and develop flexible one-dimensional structured sensors and to expand the scope of their comprehensive applications.

In summary， as an important branch of flexible sensor devices， wearable flexible sensors with one-dimensional structure have been favored in the fields of wearable technology， health monitoring， and smart electronic skin， and have also gradually integrated into people's daily life to provide convenience. There is no uniform testing standard for the performance of flexible electronics products， which is still a challenge for researchers in their research work. At present， it is necessary to continuously enhance and improve the functionality and practicality of the products to promote the development of wearable flexible sensors with one-dimensional structure in the field of smart wearables. The future endeavor to design one-dimensional structured sensors with high sensing efficiency， multi-modal functionality， and stable performance requires mutual cooperation among researchers in various fields of textile engineering， electronic information， and materials science to promote scientific and technological innovations， and to bring more convenience to people's life and work.

Keywords：

one-dimensional structure; flexible sensors; conductive fibers; smart wearable

收稿日期：20230716

網絡出版日期：20230901

基金項目：浙江省自然科學基金探索公益項目（TGY24E030003）

作者簡介：岳欣琰（2000—），女，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事智能服裝柔性器件方面的研究。

通信作者：洪劍寒，E-mail：jhhong@usx.edu.cn