用于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測的柔性摩擦發(fā)電傳感紗的研發(fā)及其性能

中圖分類號(hào)：TS141.8 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009-265X（2025）08-0106-11

人體動(dòng)作與姿態(tài)是基本的人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)信息之一，采用傳感器監(jiān)測人體動(dòng)作與姿態(tài)能反映使用者的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)1]。紡織品柔軟透氣的特性為柔性可穿戴傳感器的應(yīng)用提供了更多的可能性[2]。摩擦納米發(fā)電機(jī)（Triboelectric nanogenerators，TENGs）是一種利用摩擦起電與靜電感應(yīng)的耦合效應(yīng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)[3]，將其與紡織品結(jié)合，可制成紡織基摩擦電式傳感器，用于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測（行走、跑步、跳躍、呼吸監(jiān)測等）。與電阻式、電容式等柔性傳感器相比，摩擦電式傳感器能耗更低，材料選擇更廣泛，在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測方面具有更大的優(yōu)勢[4]根據(jù)紡織品的種類可分為織物基TENG和紗線基TENG。其中，紗線基TENG的體積更小，集成性更強(qiáng)，并且能提供良好的穿著舒適性和可洗性[5]

雖然紗線基TENG在柔性傳感領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但它忽略了制備工藝這一關(guān)鍵問題，使其在制備規(guī)模和應(yīng)用上受到限制[6]。大多數(shù)摩擦電傳感紗通常是在導(dǎo)電材料上涂覆介電材料而制備的[7]，這會(huì)降低傳感紗透氣性和舒適性，以及其制得服裝的可穿性[8]，而且隨著使用時(shí)間的增加，涂在表面的物質(zhì)會(huì)逐漸脫落[9]，這嚴(yán)重限制了紗線基TENG在可穿戴柔性傳感器中的應(yīng)用。為了解決這些問題，一些學(xué)者對其進(jìn)行了研究，并報(bào)道了大規(guī)模制備紗線基TENG的方法，例如在中空介電材料中注入導(dǎo)電材料[10]，或使用卷繞和織造[1]，但所制備的紗線強(qiáng)度或應(yīng)用范圍不符合產(chǎn)業(yè)用紡織品的要求。采用編織、纏繞等傳統(tǒng)紡織工藝方法制備芯-殼結(jié)構(gòu)傳感紗，這可以增強(qiáng)紗線基TENG的穩(wěn)定性和耐用性。例如，高玥等[12]制備了一種編織芯鞘型摩擦發(fā)電傳感紗，其在接觸力 0.3N 頻率 1Hz 、循環(huán)運(yùn)動(dòng)2000次條件下，短路電流保持在 0.33nA 左右。Li等[13]將聚偏氟乙烯（PVDF）紗與鍍銀尼龍紗編織在一起，制備了厚度均勻、長度連續(xù)的摩擦電編織紗。該傳感紗可以進(jìn)一步擴(kuò)展到針織動(dòng)力紡織品，實(shí)現(xiàn)能量收集和自供電傳感功能。雖然采用編織工藝制備的紗線基傳感器的運(yùn)動(dòng)監(jiān)測耐久性和可織造性有所提高，但現(xiàn)有研究主要還是集中在如何提升輸出信號(hào)強(qiáng)度上，這不利于實(shí)現(xiàn)摩擦發(fā)電型傳感器的工業(yè)化生產(chǎn)。

本文以鍍銀尼龍雙螺旋纏繞氨綸制成的電極為芯紗，聚丙烯（PP）紗為殼紗，利用編織技術(shù)來制備芯-殼結(jié)構(gòu)的柔性摩擦發(fā)電傳感紗，討論編織股數(shù)、接觸頻率、壓力對傳感紗性能的影響，尋求在滿足柔性要求下電輸出性能最佳的樣品規(guī)格，并探究該規(guī)格下的傳感紗監(jiān)測人體運(yùn)動(dòng)的可行性，以期為摩擦電式運(yùn)動(dòng)監(jiān)測的傳感紗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1實(shí)驗(yàn)

1. 1 實(shí)驗(yàn)材料

PP紗（ 55tex ，江蘇明科精密橡塑科技有限公司）；鍍銀尼龍紗（15tex/22tex，東莞盛芯特殊繩帶廠）;氨綸（ ，海寧凱威紡織）；彈性尼龍帶（ 10.0cm×3.0cm×0.2cm ，佳誠輔料）。

1. 2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

靜電計(jì)（6514B型，上海全測科技有限公司），萬用表（DM6500型，上海全測科技有限公司），直線電機(jī)（36V型，純者家裝建材旗艦店），編織機(jī)（C8錠型，徐州恒輝編織機(jī)械有限公司），光學(xué)顯微鏡（E200-F型，尼康精機(jī)上海有限公司），洗烘一體機(jī)（XQG100-WN54A1X40W型，西門子股份公司）。

1.3 柔性摩擦發(fā)電傳感紗的制備

傳感紗需要在兼顧介電性能的同時(shí)具有良好的柔性，因此本文選擇PP紗作為外包紗，選擇具備優(yōu)異導(dǎo)電性與柔性的鍍銀尼龍作為電極紗。傳感紗還要滿足電極的區(qū)域變化特性，因此本文選擇彈性優(yōu)異的氨綸。

采用小樣包纏機(jī)將鍍銀尼龍紗包纏到氨綸長絲上，形成具有雙螺旋結(jié)構(gòu)的電極紗，再使用8錠編織機(jī)將PP紗編織在雙螺旋電極紗表面：首先，將雙螺旋電極紗纏繞在編織機(jī)中間的固定線軸上，并通過一個(gè)張力裝置送人。其次，使用繞紗機(jī)將PP紗纏繞在紗錠上，并將6個(gè)紗錠固定在紗盤上。接著，打開機(jī)器，設(shè)置芯紗張力為5N，編織機(jī)轉(zhuǎn)速為 100r/min ，機(jī)器開始進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，PP紗均勻纏繞在雙螺旋電極紗上。最后，將傳感紗下機(jī)卷繞在紗筒上。傳感紗的制造過程如圖1所示。

圖1傳感紗制備過程

Fig.1Sensing yarn preparation process

不同外包紗股數(shù)和導(dǎo)電紗細(xì)度會(huì)影響傳感紗表面形貌及電輸出性能。為了探究該影響，制備了10種具有不同導(dǎo)電紗細(xì)度（ 15tex 和 22tex 和編織層股數(shù)（4、6、8、10、12）的傳感紗。

1. 4 測試和表征

1. 4. 1 表面形貌測試

采用光學(xué)顯微鏡觀察傳感紗的表面形貌。光學(xué)顯微鏡測試：將不同規(guī)格傳感紗分別置于載物臺(tái)上，選擇放大倍數(shù)為30倍并與右邊點(diǎn)對齊，調(diào)節(jié)光源亮度進(jìn)行拍攝。

1. 4.2 電輸出性能測試

電輸出測試系統(tǒng)如圖2所示，它包括直線電機(jī)、靜電計(jì)、萬用表、采集軟件。它們各自作用分別如下：

a）直線電機(jī)：作為動(dòng)力源為傳感紗提供循環(huán)往復(fù)的接觸分離運(yùn)動(dòng)，可調(diào)節(jié)接觸頻率和壓力。

b）靜電計(jì)與萬用表：靜電計(jì)6514測量所產(chǎn)生的開路電壓和短路電流等電信號(hào)數(shù)值。萬用表DM6500采集傳輸所測量的電信號(hào)。

c）NS-EM采集軟件：實(shí)時(shí)顯示電信號(hào)的圖像與數(shù)值，系統(tǒng)支持測試數(shù)據(jù)保存為.csv、.txt等格式。

測試平臺(tái)搭建如圖2（a）所示，將靜電計(jì)6514的模擬輸出口ANALOGOUTPUT端口接線到萬用表DM6500的INPUTHI端口，COMMON接地端口接線到INPUTLO端口，再使用USB將二者與電腦連接，完成搭建。圖2（b）—（c）為測試界面和流程，在開始測試后，電腦軟件界面會(huì)產(chǎn)生對應(yīng)的波形，

圖2電輸出測試系統(tǒng)

Fig.2Electrical output test system

1.4.3 可洗滌性能測試

根據(jù)AATCC試驗(yàn)方法135，使用 iq300 洗烘一體機(jī)洗滌傳感紗。設(shè)置洗滌時(shí)間為 30min 、洗滌溫度為 20% ，洗滌完成后使用烘箱烘干，設(shè)置溫度為60^°C 、烘干時(shí)間為 1.5h 。

2 結(jié)果與分析

2.1 工作機(jī)理

傳感紗的工作機(jī)理如圖3所示。從圖3（a）中可以看出，雙螺旋結(jié)構(gòu)電極可以在傳感紗與外界接觸時(shí)將電極分為多個(gè)小區(qū)域，這種碎片化結(jié)構(gòu)有利于進(jìn)一步提高摩擦效率[14]，提高TENG的輸出效率。傳感紗的發(fā)電機(jī)理如圖3（b）—（c）所示，這是一種涉及接觸通電和靜電感應(yīng)結(jié)合的單電極工作方式[15]。以尼龍材料為接觸物，當(dāng)傳感紗與尼龍完全接觸，由于極性不同，PP和尼龍表面產(chǎn)生等效的正負(fù)靜電荷（i）；當(dāng)傳感紗與尼龍逐漸分離時(shí)，因?yàn)镻P電負(fù)性強(qiáng)于尼龍，所以PP失去電子帶負(fù)電荷，尼龍得到電子帶正電荷，PP的負(fù)電荷會(huì)誘導(dǎo)電極紗的正電荷，產(chǎn)生電子從電極流向地面（ii）；當(dāng)傳感紗與尼龍完全分離時(shí)，達(dá)到電平衡（iii）；當(dāng)它們再次接觸時(shí)，電子從地向電極反向流動(dòng)（iV），完全接觸時(shí)正負(fù)電荷達(dá)到新的平衡。圖3（d）是傳感紗與尼龍接觸產(chǎn)生的電流波形圖，可以看出，當(dāng)二者接觸（ii和ii階段），電子從電極流向地面產(chǎn)生一個(gè)負(fù)波峰，當(dāng)二者分離（iv和i階段），電子從地向電極反向流動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)正波峰因此，尼龍和傳感紗的反復(fù)接觸分離運(yùn)動(dòng)可以持續(xù)產(chǎn)生交流電。

圖3工作機(jī)理

Fig.3Mechanism of operation

2.2 形貌表征

穩(wěn)定的形態(tài)結(jié)構(gòu)能保證傳感紗長期穩(wěn)定使用。使用彎曲、扭轉(zhuǎn)、纏繞、打結(jié)等不同機(jī)械外力測試了傳感紗的變形承受能力，利用光學(xué)顯微鏡觀察不同參數(shù)規(guī)格傳感紗的外觀形態(tài)，結(jié)果如圖4所示。

從圖4（a）看出，傳感紗可以承受多種機(jī)械變形并且很好地與人體服裝集成。從圖4（b）發(fā)現(xiàn)，隨著編織股數(shù)的增加，編織層厚度也增加。當(dāng)PP紗股數(shù)為4股時(shí)，編織層松散，會(huì)導(dǎo)致部分電荷漏出；當(dāng)PP 紗為6股時(shí)，所制備的傳感紗包覆最均勻緊密；當(dāng)PP紗股數(shù)為10和12股時(shí)，傳感紗太粗太硬。圖4（c）是不同規(guī)格傳感紗的細(xì)度變化圖，可以發(fā)現(xiàn)，隨著編織層PP紗股數(shù)的增加，傳感紗的細(xì)度也逐漸增加。當(dāng)PP紗股數(shù)為4和6股時(shí)，不同導(dǎo)電紗細(xì)度制備的傳感紗的細(xì)度差距很小，在10tex范圍以內(nèi)。當(dāng)PP紗股數(shù)為8-12股時(shí)，不同導(dǎo)電紗細(xì)度制備的傳感紗的細(xì)度差距較大，達(dá)到了60tex左右。這是因?yàn)橐婚_始編織層根數(shù)較少，PP紗緊密均勻地編織在芯紗外層，所以整體細(xì)度差距較小；隨著編織根數(shù)增加，芯紗對編織層承受能力達(dá)到極限，PP紗在芯紗表面包覆過剩，造成堆積，所以整體細(xì)度差距較大。

2.3 電輸出性能

2.3.1 編織股數(shù)和導(dǎo)電紗細(xì)度對電輸出性能的影響

因?yàn)樾?殼結(jié)構(gòu)傳感紗由殼紗包纏在芯紗外層而成，所以殼紗的編織股數(shù)和導(dǎo)電紗的細(xì)度對傳感紗的輸出性能勢必會(huì)產(chǎn)生較大的影響。為探究它們之間的關(guān)系，在接觸頻率為 1Hz ，壓力為5N的條件下，測試了由不同編織股數(shù)和導(dǎo)電紗細(xì)度制備而成的傳感紗開路電壓，結(jié)果如圖5所示（傳統(tǒng)傳感紗作為對照樣）。

從圖5中可看出，傳統(tǒng)傳感紗輸出電壓隨著編織層根數(shù)的增加而降低，這是因?yàn)榫幙棇雍穸仍黾樱琍P 紗在芯紗表面雜亂堆積，編織層厚度過大，加上電極沒有區(qū)域變化，電極傳遞電子效率降低，所以電壓降低。輸出電壓整體上隨著編織層根數(shù)的增加而降低，其中編織股數(shù)6股、導(dǎo)電紗15tex的傳感紗電壓最高，為 8.84V 。導(dǎo)電紗 15tex 的傳感紗的輸出電壓隨著編織層根數(shù)的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，從4.35V增加到8.83V，再降低到 3.15V 。這是因?yàn)橐婚_始編織根數(shù)較少，包覆松散，電荷會(huì)有泄露；當(dāng)編織股數(shù)為6股時(shí)，包覆均勻，而且股數(shù)增加也提高了接觸面積，所以電壓提高；隨著編織根數(shù)持續(xù)增加，編織層厚度過大，對芯紗產(chǎn)生了較強(qiáng)的壓力，導(dǎo)致導(dǎo)電紗表面的銀殼被擠壓脫落，所以電壓降低。其中，導(dǎo)電紗為15tex的傳感紗的輸出最高電壓為 8.83V ，比導(dǎo)電紗為22tex的傳感紗高了 1.85V 。因?yàn)閷?dǎo)電紗相對較細(xì)時(shí)，編織層覆蓋銀殼較均勻，電極區(qū)域變化更為靈活，電子轉(zhuǎn)移效率更高。

圖4傳感紗的表面形貌Fig. 4Surface topography of sensing yarns

圖5不同規(guī)格傳感紗輸出電壓Fig.5Output voltage of sensing yarns withdifferent specifications

可以明顯發(fā)現(xiàn)，具備雙螺旋結(jié)構(gòu)芯紗的傳感紗的輸出電壓遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)傳感紗，編織股數(shù)為4股時(shí)差異小，為 0.72V 左右；編織股數(shù)為6股時(shí)差異最大，為 6.64V 。這是因?yàn)殡p螺旋結(jié)構(gòu)電極在傳感紗與尼龍布接觸時(shí)將電極區(qū)域碎片化，這種碎片化結(jié)構(gòu)提高了摩擦效率，從而提高傳感紗的電輸出。這證明了雙螺旋電極結(jié)構(gòu)對電輸出的提升作用。編織股數(shù)6股、導(dǎo)電紗15tex的傳感紗在具有優(yōu)異電輸出的同時(shí)兼具了良好的柔性，為最佳規(guī)格，所以后續(xù)實(shí)驗(yàn)均采用該試樣。

2.3.2 頻率對電輸出性能的影響

利用測試系統(tǒng)探究傳感紗在不同接觸分離頻率下的輸出效果。在壓力為5N時(shí)，采集其在1～2.5Hz 頻率內(nèi)的輸出電壓和電流，測試結(jié)果如圖6所示。從圖6（a）—（c）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率從 1Hz 增加到 2.5Hz 時(shí)，電壓幾乎不隨著接觸分離頻率的升高而升高，這是因?yàn)轭l率的變化并不影響有效接觸面積。從圖6（b）—（c）可以看出，電流則隨著頻率的升高而提高，從 增加到 ，增加了64.7% 。這是因?yàn)殡S著頻率升高，電子需要在更短時(shí)間內(nèi)流動(dòng)以平衡電勢差，因此電流會(huì)隨頻率的增加而增加。可知隨著頻率的增大，電荷轉(zhuǎn)移量不變，只是轉(zhuǎn)移方向相反，而電荷需要更短的時(shí)間被轉(zhuǎn)移來平衡電勢差，所以電流增大。電流的計(jì)算公式如式（1）所示：

式中： I 為電流，A; Q 為轉(zhuǎn)移電荷， C;t 為時(shí)間，s。

圖6傳感紗不同頻率下的電輸出

Fig.6Electrical output of sensing yarns at different frequencies

從圖6可看出，傳感紗對不同接觸頻率具有靈敏的響應(yīng)，能對走路、慢跑、快跑等不同步頻運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生對應(yīng)的波形輸出，將這些運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確識(shí)別。從“走路”到“慢跑”再到“快跑”過程中，接觸頻率顯著增加，壓力略微增加，所以電輸出波形的單位時(shí)間刷新率和峰值也顯著增加。這說明了將傳感紗應(yīng)用于不同步頻運(yùn)動(dòng)監(jiān)測的適用性。

2.3.3 壓力對電輸出性能的影響

利用測試系統(tǒng)探究傳感紗在不同接觸壓力下的輸出效果。在接觸頻率為 1Hz 時(shí)，采集其在5～65N 壓力下的輸出電壓和電流，測試結(jié)果如圖7所示。從圖7（a）—（c）可以看到，當(dāng)壓力從5N增加到65N，輸出電壓從8.83V增加到 14.24V ，增加了 61.4% 。這是因?yàn)楦蟮膲毫κ箓鞲屑喗殡妼拥奈⒂^結(jié)構(gòu)（間隙層）位移距離變大，同時(shí)，更大的壓力使傳感紗介電層和尼龍布產(chǎn)生更大的有效接觸面積，從而產(chǎn)生更高的輸出性能。從圖7（b）—（c）可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓力從 5N 增加到65N，輸出電流從15nA 增加到 40nA ，增加了將近2倍。這是因?yàn)閴毫Φ脑黾訒?huì)提高有效接觸面積，導(dǎo)致電子流動(dòng)量增加，從而產(chǎn)生更高的電流。可見開路電壓 V 和短路電流 I 與外部壓力 P 呈直接線性關(guān)系。當(dāng)對傳感紗施加壓力時(shí)，聚丙烯介電層中的間隙距離以及介電層與尼龍接觸面積會(huì)同時(shí)變化，從而導(dǎo)致傳感紗電輸出變化。壓力傳感紗電輸出計(jì)算公式如式（2）—（4）所示：

式中： d₀ 為初始距離， mm;Y 為楊氏模量，決定了壓力下的變形程度， Pa ; σ₀ 為摩擦電荷密度， C/m² ; ε₀ 為介電常數(shù)，為常數(shù)； d_P 為壓力 P 下的間隙距離位移， mm;C 為等效電容，F(xiàn)。

圖7傳感紗不同壓力下的電輸出

Fig.7Electrical output of sensing yarns under different pressures

從圖7可看出，傳感紗對不同壓力具有更高靈敏的響應(yīng)，能對走路、跑步、跳躍、深蹲等不同受力狀態(tài)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生對應(yīng)的波形輸出，將這些運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確識(shí)別。從“走路跑步”到“跳躍深蹲”過程中，壓力顯著增加，頻率略微降低，所以電輸出波形的峰值顯著增加，單位時(shí)間刷新率略有降低。這說明了將傳感紗應(yīng)用于不同受力狀態(tài)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測的適用性

2.3.4 耐久性與穩(wěn)定性

傳感紗要具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和耐久性，這是紡織基TENG長期運(yùn)行的基本要求。使用直線電機(jī)對傳感紗進(jìn)行了500次接觸頻率為 1Hz ，壓力為5N的往復(fù)接觸分離運(yùn)動(dòng)，耐久性和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

從圖8（a）可以看出，傳感紗即使經(jīng)過500次循環(huán)運(yùn)動(dòng)，電壓峰值也保持相對穩(wěn)定，耐久性好。圖8（b）—（c）是傳感紗分別經(jīng)過500次彎曲和扭轉(zhuǎn)后的電壓變化圖。可以發(fā)現(xiàn)在500次彎曲扭轉(zhuǎn)后，傳感紗的輸出電壓略有降低，僅下降了 1.5% 。因?yàn)橐欢ǔ潭鹊臋C(jī)械變形會(huì)導(dǎo)致介電層表面部分區(qū)域的形貌發(fā)生改變，有效接觸面積會(huì)減少導(dǎo)致電壓降低。總體來看，傳感紗仍保持原有的電輸出，電壓峰值僅略有下降，穩(wěn)定性好。

2.3.5 可洗滌性

傳感紗需要具備優(yōu)異的可洗滌性，這是智能紡織品的基本要求。使用 iq300 洗烘一體機(jī)在洗滌時(shí)間為 30min 、洗滌溫度為 20% 條件下對傳感紗進(jìn)行洗滌實(shí)驗(yàn)，洗滌完成后選擇翻轉(zhuǎn)烘干模式，烘干時(shí)間為 20min 將傳感紗烘干。測試了20次洗滌-烘干循環(huán)后的輸出電壓，結(jié)果如圖9所示。

圖8傳感紗500次循環(huán)運(yùn)動(dòng)、彎曲、扭轉(zhuǎn)后開路電壓Fig.8Open-circuit voltage of sensing yarns after 5OO cycles of motion， bending and tors

圖9傳感紗洗滌后電壓變化

Fig.9Voltage change of sensing yarns after washing

在整個(gè)洗滌過程中傳感紗輸出電壓先緩慢降低然后趨于穩(wěn)定。10次洗滌后，電壓從8.83V降低至 8.28V ，下降了 6.2% 。這是因?yàn)樗謺?huì)使PP紗表面少部分纖維粘接在一起，烘干后恢復(fù)不完全，影響介電層均勻性，所以輸出電壓略有下降。隨著洗滌次數(shù)持續(xù)增加至20次，電壓保持在8.15V左右，整體僅下降 7.7% 。因?yàn)橄礈齑螖?shù)達(dá)到一定量時(shí)，介電層表面的纖維對水分的響應(yīng)變?nèi)酰殡妼于呌诜€(wěn)定。總體來看，傳感紗在20次洗滌后仍能保持穩(wěn)定輸出，這意味著傳感紗具有良好的可洗滌性。

2.4柔性傳感紗在運(yùn)動(dòng)監(jiān)測中的應(yīng)用

因?yàn)榫幙椊Y(jié)構(gòu)傳感紗較粗，會(huì)引起足底的不適感，所以并未將其集成在與足底直接接觸的位置（鞋墊等），而選擇了和足底有一定距離的鞋底面進(jìn)行集成，由于鞋底（鞋跟） 3～5cm 的緩沖厚度，這大大減少了足底不適感。如圖10（a）所示，將傳感紗縫制在雙層尼龍布中間進(jìn)行封裝，再粘貼至鞋底，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)監(jiān)測。如圖10（b）所示，選用的鞋底具有球形紋路，球形的彈性為傳感紗和鞋底提供了接觸分離：踩地時(shí)，球形下凹，傳感紗和鞋底接觸；離地時(shí)，球形由于彈性凸起恢復(fù)，傳感紗和鞋底分離。從圖10（c）可以看到，隨著運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變，傳感紗的輸出電流也不同。三種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中，跳躍產(chǎn)生的輸出電流最高（見圖10（d）），為 250nA ，走路產(chǎn)生輸出電流最低，為 110nA 。這是因?yàn)樘S時(shí)，人體足底與地面接觸的壓力大于走路和跑步，增加了傳感紗與尼龍織物的接觸面積，從而產(chǎn)生了更高的輸出性能；而跑步時(shí)，人體足底與地面接觸頻率和接觸壓力均高于走路，共同作用下產(chǎn)生了更高的電輸出。這表明傳感紗能對不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生響應(yīng)，可用于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測

圖10傳感紗運(yùn)動(dòng)監(jiān)測應(yīng)用

Fig.10Sensing yarn motion monitoring applications

3結(jié)論

本文利用編織技術(shù)設(shè)計(jì)出一種芯-殼結(jié)構(gòu)的柔性摩擦發(fā)電傳感紗，該傳感紗以鍍銀尼龍雙螺旋纏繞氨綸制成的電極為芯紗，PP紗為殼紗。本文探究了該傳感紗的表面形貌、電輸出性能和耐久穩(wěn)定性，驗(yàn)證了傳感紗應(yīng)用于人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測的可行性，具體研究結(jié)果如下：

a）增加編織股數(shù)，傳感紗的電輸出先增加后降低，當(dāng)編織股數(shù)為6股，導(dǎo)電紗為15tex時(shí)，傳感紗獲得最大的開路電壓。

b）傳感紗在不同頻率和壓力范圍內(nèi)的輸出電流隨頻率和壓力增大而增大，電壓對壓力的響應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于頻率。傳感紗具有良好的適應(yīng)性，可以作為摩擦電式傳感器對不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生響應(yīng)

c）將傳感紗封裝集成在鞋底，在500次接觸分離運(yùn)動(dòng)過程中有良好的耐久穩(wěn)定性。在對人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，根據(jù)輸出電信號(hào)的幅度和頻率能明顯區(qū)分出不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對使用者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測。

將傳感紗應(yīng)用于鞋墊會(huì)引起足底不適感，這不太能滿足智能紡織品的舒適性要求。日常穿戴的織物覆蓋了人體軀干的大部分區(qū)域，可以根據(jù)需求靈活選擇不同身體部位，例如腳底、腋下等高輸出部位[16-17]。基于此，未來可以借助針織技術(shù)的靈活性和針織結(jié)構(gòu)的多樣性[18]，制備出智能護(hù)膝和智能鞋墊等全成形針織傳感器。

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Abstract： In recent years， with the development of smart wearables， flexible sensors for human movement monitoring have gained increasing popularity.These flexible sensors are highly functional and safe.Among them， textile-based triboelectric sensors have lowercost，higher stability，stronger integration，and greater advantages in human motion monitoring.

To explore the feasibility of applying inteligent textiles for human motion monitoring，a flexible triboelectric sensing yarn with a core-shel structure featuring a double-helix electrode was fabricated using weaving technology. The coreyarn consists of silver-plated nylon double-helix wrappedaround spandex yarn，whilethe shell yarn is made of PP yarn．The electrical performance，durabilityand stabilityof the sensing yarn were tested using a custom-built electricaloutput test platform.The sensor yarn is integrated withthe human bodyand connected to he test system to monitor the movement status of the human body.The double-helix electrode structure divides the electrode into multiple smallregions，and this fragmented structure enhances the triboelectric charge density and improves friction eficiency，thereby boosting the sensor'soutput eficiency.The results showthat the output voltage of the sensing yarn with a double-helix core yarn is significantly higher than thatof traditional sensing yarns.The sensing yarn can withstand various mechanical deformations such as bending，twisting，wrapping，and knotting， making it wel-suitedfor integration withthe human body；when thePP yarn is woven with 6strands，the resulting sensing yarn exhibits the most uniform and tightcoverage.Additionaly，when the conductive yar hasa fineness of 15 tex，the sensing yarn’s voltage reaches its peak at 8.84 V. The output current of the sensing yarn in the frequency range of 1-2.5Hz increases with the acceleration of the frequency，and the output voltage does not change significantly. In the pressure range of 5-65 N，both the output voltage and current increase with increasing pressure.After 5OO cycles of movement，bending，and twisting，as wellas 2O washes，the sensing yarn maintains stable output，demonstrating good durability，stability，and washability.When encapsulated and integrated into he sole of a shoe，the sensing yarn responds to diffrent motion states such as walking，running， and jumping.

The core-shelltriboelectric sensing yarn demonstrates the feasibility of applying smart textiles to human motion monitoring and motion state recognition，lays the foundationfor research on triboelectric motion monitoring sensors， and also provides inspiration for broadeningthe application scenarios of textile-based TENG.Smart textiles can also beutilized for optimizing athleticperformance，monitoring environmental conditions，and various military applications，among others.The research results can provide reference for the design and developmentof textilebased sensors.

Keywords： motion monitoring; flexible sensing yarn; textile-based friction generators; smart wearables