范夢晶 ,周歆如 ,洪劍寒,2,3,*

(1.紹興文理學(xué)院 紡織服裝學(xué)院,浙江 紹興 312000;2.浙江省清潔染整技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江 紹興 312000;3.蘇州大學(xué) 紡織行業(yè)智能紡織服裝柔性器件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 蘇州 215123)

可穿戴設(shè)備簡單來說就是可以穿戴的電子智能產(chǎn)品,其中傳感器通過與人體接觸,將人體的生理信號(hào)或環(huán)境信號(hào)轉(zhuǎn)換成可以傳輸?shù)碾娮有盘?hào),經(jīng)過數(shù)據(jù)分析與處理,根據(jù)設(shè)備功能將電子信號(hào)反饋到終端,可以實(shí)現(xiàn)心率、呼吸、脈搏、關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)等生理信號(hào)的監(jiān)測[1]。目前市面上也已經(jīng)有了一些智能手表、智能手環(huán)、首飾、眼鏡等較為成熟的產(chǎn)品,這些傳統(tǒng)的剛性可穿戴智能產(chǎn)品雖然具有靈敏度強(qiáng)、滯后時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn),但是其感應(yīng)范圍小,使用時(shí)存在較多局限性,并且柔韌性、舒適性極差。因此,為避免剛性化,柔性傳感器的研究開發(fā)成為可穿戴技術(shù)發(fā)展的迫切需求。

柔性傳感器的基底材料選擇非常重要,目前聚合物材料、薄膜材料和紡織材料等作為傳感器的基底材料都已經(jīng)有了一定的研究。以聚合物作為基底材料不能夠確保舒適性,薄膜材料的透氣性較差,柔軟性不夠好,也會(huì)引起舒適性不佳,而紡織材料恰好能夠彌補(bǔ)這一缺陷[2-3]。紡織結(jié)構(gòu)柔性傳感器按照結(jié)構(gòu)分為纖維型傳感器、紗線型傳感器和織物型傳感器。纖維和紗線質(zhì)量輕,但與人體接觸面積小。為了達(dá)到傳感器緊密貼合人體皮膚使得數(shù)據(jù)傳輸更加準(zhǔn)確穩(wěn)定、拉伸性能好、靈敏度高、滯后時(shí)間短、耐久性能好、舒適性能好的目的,制作簡單且容易與服裝集成的彈性織物是柔性傳感器的理想基底材料[4]?？椢锍杀镜汀⑼笟庑阅芎?在制備柔性傳感器時(shí)可以大面積處理,能夠在高曲率表面對人體溫度、呼吸、睡眠、血糖、壓力、運(yùn)動(dòng)等健康指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測,幫助人們進(jìn)行疾病預(yù)防、診斷甚至簡單治療,不管是對于日常健康監(jiān)測、患者醫(yī)療診斷或者運(yùn)動(dòng)員體育運(yùn)動(dòng)監(jiān)測都有重大的意義和價(jià)值[5],在可穿戴設(shè)備的應(yīng)用上有廣闊的前景。

1 紡織結(jié)構(gòu)柔性傳感器的制備方法和分類

早期常將剛性電子器件縫制到織物上來實(shí)現(xiàn)傳感器的“柔性化”,金屬或塑料材質(zhì)的剛性硬件給人體造成的不適與貼合不緊密帶來的靈敏性差等缺點(diǎn)促使研究人員另尋思路。

目前,紡織結(jié)構(gòu)柔性傳感器的制備方法主要有普通織物后處理法和直接編織法兩種[6]。普通織物后處理法是在制備柔性器件前,為了使基材織物具備導(dǎo)電傳輸信號(hào)的功能,一般會(huì)將導(dǎo)電物質(zhì)通過涂覆、噴濺或印刷等方法附著到織物上來實(shí)現(xiàn)[7]。通常選擇的導(dǎo)電物質(zhì)有金屬顆粒、導(dǎo)電高分子聚合物、碳基材料[8]。其中金屬物質(zhì)主要有金、銀等納米粒子或納米線;導(dǎo)電高分子聚合物主要有聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)等;碳基材料主要有碳納米管(CNTs)、石墨烯(GO)、炭黑納米粒子(CBNPs)等。普通織物后處理法制作簡單,適用性廣,但附著物易脫落,導(dǎo)致傳感器整體穩(wěn)定性不夠好。直接編織法是將本征導(dǎo)電紗線通過針織或梭織等方法直接編織成織物。這種方法制得的柔性傳感器編織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,所需要的電子特性都能夠在纖維或紗線中體現(xiàn),能更好地實(shí)現(xiàn)柔性傳感器的信號(hào)傳輸、數(shù)據(jù)分析處理及數(shù)據(jù)反饋。紡織形式一般選擇針織中的經(jīng)編,這種方式織造的織物更加穩(wěn)固不易變形,外觀平整,手感更好,穩(wěn)定性更強(qiáng)。通過將制備的導(dǎo)電織物貼合在人體皮膚表面感應(yīng)人體活動(dòng)或外界環(huán)境的變化來實(shí)時(shí)持續(xù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測。因其本身可彎曲性能好,監(jiān)測范圍廣,對于可穿戴技術(shù)的發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。

紡織結(jié)構(gòu)柔性傳感器根據(jù)傳感原理分類可分為電容式柔性傳感器、壓阻式柔性傳感器、壓電式柔性傳感器、摩擦起電式柔性傳感器。電容式與壓阻式的柔性傳感應(yīng)用較多。紡織結(jié)構(gòu)柔性電容式傳感器運(yùn)用的是電容器的原理,外力的施加使電容極板的距離或相對面積發(fā)生變化導(dǎo)致電容量變化,可以通過這種電信號(hào)的輸出實(shí)現(xiàn)傳感,優(yōu)點(diǎn)是功耗低,將其應(yīng)用到實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備上具有很大的優(yōu)勢。紡織結(jié)構(gòu)柔性壓阻式傳感器,當(dāng)受到外界施加的力時(shí)會(huì)發(fā)生變形,電阻值隨變形發(fā)生變化,通過電阻值的改變來反映力學(xué)信號(hào),這種傳感器制備方法較為簡單,響應(yīng)范圍廣,研究者對其關(guān)注度極高,但它對于導(dǎo)電材料和基材的選擇要求高。

2 紡織結(jié)構(gòu)柔性傳感器的應(yīng)用

2.1 日常健康監(jiān)測用紡織結(jié)構(gòu)柔性傳感器

呼吸、心率、脈搏、體溫等都是反映人體生理活動(dòng)的最基本指標(biāo)[9],也是需要特別關(guān)心的生理信號(hào)。由于大氣污染引發(fā)的呼吸系統(tǒng)疾病,危害生命指數(shù)極高,近幾年的新冠肺炎疫情,也是呼吸系統(tǒng)疾病[10]。由于老年人身體素質(zhì)差,因此老年人的健康是在外工作的子女們時(shí)刻關(guān)心的問題,而可穿戴監(jiān)測設(shè)備可以通過對生物體的監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程照顧父母[11]。例如老年人出現(xiàn)摔倒、呼吸異常、體溫異常等問題時(shí),這些生理信號(hào)可以及時(shí)反饋到子女或醫(yī)療機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)終端,可以縮短患者送醫(yī)時(shí)間。

由于棉織物具有舒適、透氣性好等特點(diǎn),常用作柔性傳感器的基材,與導(dǎo)電物質(zhì)通過浸漬、電化學(xué)等方法結(jié)合制備導(dǎo)電織物柔性傳感器。曹少杰等[12]采用浸漬法將CNTs與彈性棉織物結(jié)合制備棉/聚乙烯醇/CNTs柔性傳感器,聚乙烯醇用來增強(qiáng)棉織物和CNTs兩者間的黏合力,試驗(yàn)表明CNTs濃度的增加會(huì)使傳感器的靈敏度增加,當(dāng)濃度達(dá)到1.0%時(shí),傳感器的遲滯性誤差為22.1%,重復(fù)性誤差為37.8%,且該傳感器的適用壓力高達(dá)200 k Pa。將傳感器放在人體腹部測試呼吸時(shí)腹部收縮的電阻變化情況,得到了周期性的變化曲線,如圖1所示,該傳感器在監(jiān)測人體呼吸等微小動(dòng)作有潛在應(yīng)用。郭勁松等[13]通過對棉織物浸漬貴金屬溶液形成導(dǎo)電織物并縫合在背心的胸部位置,觀察胸部起伏時(shí)的阻抗變化,獲得呼吸、心率、心電信號(hào)。Wang等[14]采用布匹染色的方法將電化學(xué)石墨烯附著到滌綸織物上制備了柔性傳感器,可以監(jiān)測脈搏等微小信號(hào)。

圖1 呼吸時(shí)腹部收縮電阻變化曲線[12]

WENJING FAN 等[15]利用錦綸紗纏繞不銹鋼纖維制成導(dǎo)電紗,將導(dǎo)電紗與錦綸紗編織成一種摩擦電全織物傳感器陣列(TATSA),測試其響應(yīng)時(shí)間為20 ms,在10萬次重復(fù)性運(yùn)動(dòng)下仍保持穩(wěn)定。將TATSA縫在襯衫的袖口和胸部,能夠分別對脈搏和呼吸信號(hào)同步監(jiān)測,如圖2(a)所示。翟紅藝等[16]在普通織物表面鍍銀形成導(dǎo)電布,用來制作織物電極,并將織物電極縫制在衣服胸腹部,將心電信號(hào)反饋到終端形成心電波,如圖2(b)所示。

摔倒對于老年人來說,輕則小傷,重則危及生命,并且老年人身體虛弱很容易摔倒。因此,為了降低摔倒傷亡率,通過足底壓力測試,能夠有效監(jiān)測老年人的行動(dòng),及時(shí)感知摔倒并報(bào)警[17-18]。

人體體溫是恒定的,一旦出現(xiàn)異常會(huì)給身體帶來危害。近年來,由新型冠狀病毒引發(fā)的肺炎疫情形勢嚴(yán)峻,病毒在全球范圍內(nèi)大肆傳播,危害人類健康,體溫作為確診后的的常見特征之一[19],柔性傳感器的開發(fā)制備為實(shí)現(xiàn)無接觸式體溫測量提供了方案。Park Chanwoo等[20]在錦綸/聚氨酯針織物上使用超音速冷噴涂技術(shù)噴涂還原氧化石墨烯(r GO)、CNTs和銅納米顆粒,成功制備了測溫、抗菌等多傳感功能的傳感器,如圖2(c)所示,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測分析人體溫度及周圍環(huán)境溫度。

圖2 柔性傳感器結(jié)構(gòu)[15,16,20]

2.2 運(yùn)動(dòng)監(jiān)測用紡織結(jié)構(gòu)傳感器

人體會(huì)進(jìn)行微小和大幅度的運(yùn)動(dòng),如眨眼、面部肌肉收縮擴(kuò)張、肘部擺動(dòng)、膝蓋彎曲等,這些運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)都體現(xiàn)人體健康狀況,對運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有效監(jiān)測,能夠進(jìn)行運(yùn)動(dòng)姿勢評估,及時(shí)改正不良習(xí)慣。

Shu Wang等[21]通過真空抽濾的方法將氧化石墨烯涂覆在蠶絲織物上,并采用熱壓的方法對其進(jìn)行還原,得到的蠶絲織物應(yīng)變傳感器具有良好的壓阻特性,將其貼在眼睛附近,通過對眨眼進(jìn)行傳感測試,發(fā)現(xiàn)其可以準(zhǔn)確監(jiān)控眼部肌肉的微小運(yùn)動(dòng),如圖3所示,同時(shí)熱壓還原與化學(xué)還原相比更加環(huán)保。

圖3 安裝在眼睛附近的傳感器和眨眼信號(hào)圖[21]

聚氨酯彈性強(qiáng),在大的應(yīng)變條件下能夠極速恢復(fù)[22],在導(dǎo)電織物制備時(shí)加入聚酯氨能夠提高導(dǎo)電織物傳感器的耐用性和穩(wěn)定性。Shayan Seyedin[23]將聚氨酯/聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺(PU/PEDOT:PSS)復(fù)絲通過針織工藝制備紡織結(jié)構(gòu)柔性傳感器,其應(yīng)變高達(dá)200%,靈敏度高且重復(fù)性好,經(jīng)過500次拉伸循環(huán)后仍具有良好的穩(wěn)定性能。將其直接穿戴在膝蓋、肘部和手指上進(jìn)行測試,均可得到電壓周期性信號(hào)變化,如圖4所示。Song Xian等[24]通過還原氧化石墨烯制備石墨烯包覆的蠶絲氨綸(GCSS)織物應(yīng)變傳感器,經(jīng)過1 000次拉伸循環(huán)測試后,性能幾乎保持不變,可以對人體腰椎彎曲角度、姿勢進(jìn)行監(jiān)測評估。

圖4 針織物傳感器的數(shù)碼照片以及其監(jiān)測膝蓋、肘部和手指處運(yùn)動(dòng)的信號(hào)圖[23]

牛文斌等[25]利用原子層沉積的方法將Al摻雜Zn O(AZO)附著到滌綸纖維表面,得到多層纖維結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電滌綸織物(CPT),所制得的CPT 與超分子光子彈性體結(jié)合制備了交互力致變色電子織物(MET)傳感器。經(jīng)測試,顏色變化可以由光譜量化,具備良好的電性能和負(fù)電阻響應(yīng),可以對人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的關(guān)節(jié)實(shí)時(shí)監(jiān)測,并實(shí)現(xiàn)交互式監(jiān)測。

PPy是一種本征型導(dǎo)電高分子材料,由于其導(dǎo)電性能優(yōu)異,在可穿戴設(shè)備制備中應(yīng)用廣泛。Wu等[26]將PPy涂層在尼龍織物上實(shí)現(xiàn)柔性傳感器的制備,與運(yùn)動(dòng)員的護(hù)膝結(jié)合并對運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的性能分析,其作用理想,可以監(jiān)控運(yùn)動(dòng)情況,矯正動(dòng)作。周歆如等[27]以棉針織物作為基材,將PPy導(dǎo)電有機(jī)物通過原位聚合法附著到棉織物上制備PPy/棉導(dǎo)電針織物柔性傳感器并測試結(jié)構(gòu)與性能,棉織物的電阻率有明顯的變化,從6×1010Ω·cm 降至511Ω·cm;通過對導(dǎo)電織物做拉伸恢復(fù)循環(huán)動(dòng)作得出其電阻變化情況,結(jié)果在20%的應(yīng)變條件下,織物應(yīng)變傳感性能較好。此導(dǎo)電織物在肘部與膝部都能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定監(jiān)測,如圖5所示。但PPy的黏合性差,對導(dǎo)電織物的靈敏性等有一定的影響。

圖5 PPy/棉導(dǎo)電針織物柔性傳感器在肘部監(jiān)測信號(hào)圖[27]

2.3 生物醫(yī)療監(jiān)測用紡織結(jié)構(gòu)柔性傳感器

由于資源缺乏以及醫(yī)院醫(yī)療水平差距大,尤其在大醫(yī)院看病都要提前預(yù)約排隊(duì),如果能夠成功開發(fā)出一種醫(yī)療用可穿戴柔性傳感器,可以為人們提供一種新式的醫(yī)療保健方式[28],減少就醫(yī)時(shí)間。一些疾病的康復(fù)訓(xùn)練能夠自行休養(yǎng)恢復(fù),如中風(fēng)、骨折等,但遠(yuǎn)離醫(yī)院后,為了不影響患者與醫(yī)生的溝通,可穿戴器件可以作為患者與醫(yī)生之間直接快速有效溝通的橋梁,能夠讓醫(yī)生根據(jù)患者居家活動(dòng)數(shù)據(jù)反饋給予患者醫(yī)療建議,其在生活中意義重大。

人體汗液包含自身自然分泌物及毒素分泌物,因此汗液檢測觸感技術(shù)能夠預(yù)防疾病,降低個(gè)體患病率,但這方面的臨床實(shí)踐較少[29]。王秋鴻等[30]利用簡單的涂層法在純棉織物上制備了柔性還原氧化石墨烯/富勒烯棉織物離子傳感器(RGO/C60-CF),這種具備離子傳感功能的柔性傳感器彎折耐久性好,在經(jīng)過180°折疊800次以后,其電阻率變化幅度不大;且當(dāng)離子濃度僅有2 mmol/L 時(shí),RGO/C60-CF 仍表現(xiàn)出優(yōu)良的靈敏度;該傳感器能夠?qū)Σ煌挂撼尸F(xiàn)不同的傳感效果,對患者汗液成分分析,可以實(shí)現(xiàn)疾病預(yù)防和診斷。傳感器組裝如圖6所示。

圖6 紡織離子柔性傳感器的組裝示意圖[30]

王曉菲等[31]采用原位聚合法制備了以滌綸/氨綸為基底織物,以PPy為導(dǎo)電附著物的柔性傳感器,并用聚多巴胺(PDA)改善兩者的黏附性,提高了柔性傳感器的耐久性。結(jié)果表明:此導(dǎo)電織物在100%的應(yīng)變內(nèi)有較高的靈敏度,在500次的重復(fù)拉伸中仍能保持較高的重復(fù)穩(wěn)定性。將傳感器穿戴在手指上做不同彎曲角度的手指運(yùn)動(dòng),能夠觀察到明顯的電阻變化,如圖7所示,該傳感器在手部康復(fù)訓(xùn)練中有潛在應(yīng)用。Debasis等[32]在交叉型棉織物上涂層MWCNT(多壁碳納米管)制作了一種簡單的MWCNT 增強(qiáng)紡織品柔性傳感器,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測人體的腕部、肘部運(yùn)動(dòng),重復(fù)性好,表現(xiàn)出快速的響應(yīng)時(shí)間(4 s)和恢復(fù)時(shí)間(14 s)。肘部運(yùn)動(dòng)的電阻變化如圖8所示,在受傷人員做恢復(fù)訓(xùn)練時(shí)佩戴能夠起到一定幫助作用。

圖7 手指運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)測試[31]

圖8 肘部運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)測試[32]

Zhou Xinru等[33]在1+1雙羅紋棉針織物上沉積一層PANI導(dǎo)電層成功制備了PANI/棉導(dǎo)電織物作為柔性傳感元件,將其貼在喉部并進(jìn)行語音測試,每一次電阻變化有著高度的重復(fù)性,表現(xiàn)出良好的聲帶監(jiān)測功能。牟迪迪等[34]采用浸漬染色的方法將氧化石墨烯附著在棉/氨綸織物上,并通過聚多巴胺還原氧化石墨烯得到以石墨烯為導(dǎo)電物質(zhì)的導(dǎo)電織物柔性傳感器。通過對靈敏度和重復(fù)穩(wěn)定性的測試,表明:傳感器的靈敏度隨著織物層數(shù)的增加而提高,織物達(dá)到5層之后,隨著層數(shù)的增加,靈敏度的提高速率變緩慢;進(jìn)行1 000次重復(fù)加載/卸載的循環(huán)測試后,織物仍具備優(yōu)良的重復(fù)穩(wěn)定性。將其貼在唇部、喉部、手指和手腕,尤其在喉部能夠感知聲帶振動(dòng)的信號(hào),發(fā)音障礙人員可以用它進(jìn)行發(fā)音矯正。

Zhao Shu-Qiang等[35]以錦綸/PU 織物為基材,采用浸漬提拉法和液相化學(xué)吸附還原法成功制備銀納米粒子(Ag NPs)修飾羧基化碳納米管(CNTs-COOH)的柔性應(yīng)變傳感器。將傳感器接在臉頰上,得到ΔR/R0與監(jiān)測時(shí)間的關(guān)系,電阻變化有著高重復(fù)性,如圖9所示,表明該傳感器靈敏度好,可以實(shí)現(xiàn)面部肌肉的監(jiān)測。

圖9 面部運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)測試[35]

可穿戴監(jiān)測設(shè)備在生物醫(yī)療檢測領(lǐng)域的前景非常廣闊,能夠通過提前感知預(yù)防就醫(yī)來降低患病率。如今人們對于醫(yī)療保健的需求不斷增加,傳統(tǒng)醫(yī)療服務(wù)與智能醫(yī)療服務(wù)結(jié)合將是未來的發(fā)展趨勢。

3 結(jié)束語

柔性傳感器的研制涉及紡織學(xué)、材料學(xué)、電子通信技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的知識(shí)體系,是一項(xiàng)綜合性的研究。為了滿足用戶需求,國內(nèi)外研究者進(jìn)行了大量的研究,可穿戴傳感技術(shù)由剛性到柔性已經(jīng)有了質(zhì)的突破,但目前仍存在不足。

(1)性能?？椢飸{借柔軟、親膚、透氣等優(yōu)點(diǎn),從而作為柔性傳感器的理想基材,但在對織物進(jìn)行導(dǎo)電處理或者用本征導(dǎo)電紗線直接編織成型時(shí),由于導(dǎo)電材料本身的性能,導(dǎo)電織物工藝制備技術(shù)的不成熟,以及多次拉伸彎曲都必將會(huì)帶來舒適性差、靈敏度低、耐久性差、安全性低、不可洗、不環(huán)保等問題,并且柔性傳感器的應(yīng)變范圍小以及信號(hào)傳輸不穩(wěn)定性的問題也亟需改進(jìn),功能性與實(shí)用性兼具依然是可穿戴技術(shù)領(lǐng)域追求的目標(biāo)。

(2)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及市場化?，F(xiàn)階段,柔性傳感技術(shù)領(lǐng)域還沒有權(quán)威的理論與制度規(guī)范,并且由于柔性器件的制備工藝復(fù)雜、成本高等問題,很多已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)還只是處于實(shí)驗(yàn)室階段,真正實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn),讓可穿戴設(shè)備真正走近消費(fèi)者,還需要各個(gè)相關(guān)領(lǐng)域的研究者們共同合作,將知識(shí)深度融合,尋找高性能低成本的材料和簡單的工藝技術(shù),在可穿戴傳感技術(shù)上再一次實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵性突破。

研究者們在不斷努力探索開發(fā)柔軟、舒適、靈敏度高、可量化生產(chǎn)的柔性傳感器并應(yīng)用到紡織品中,對人體體溫、脈搏、心電、睡眠、呼吸、關(guān)節(jié)等實(shí)時(shí)監(jiān)控,提高人均健康幸福指數(shù)。非侵入式、便攜式、高效的柔性傳感有望取代植入式或大體積的健康監(jiān)測器件,被臨床廣泛使用。未來的關(guān)注點(diǎn)可聚焦在性能、材料、紡織結(jié)構(gòu)多樣、制備方法改進(jìn)、綠色環(huán)保等方面,綜合性能的提高依然是最重要的,可穿戴織物的發(fā)展有無限的可能,可穿戴柔性傳感設(shè)備未來將朝著普遍化的方向發(fā)展。