基于智能服装的柔性传感器应用与进展

王 侠,于 淼，2，张春明，郑广泽，覃 蕊，刘津池

(1.青岛大学 纺织服装学院，山东 青岛 266071；2.东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室，上海 200051)

0 引 言

目前，服装行业中传统服装品牌创新力不足,同质化严重,面对科学技术和大数据浪潮的冲击,推进智能服装的研发,才能紧跟时代的步伐。可穿戴技术最早是指一种在服装中植入多媒体、无线通信、传感器等技术实现交互作用的手段[1]。在二十世纪七十年代末,可穿戴设备与纺织服装才开始结合,它们均有一定局限性,电子产品功能单一,体积却很大,而安装电子器件载体的纺织品主要用于医疗、军事、航天等个别特殊领域[2]。

随着生活水平的提高,人们对服装的需求不单是保护人体、维持热平衡、时尚美观等,还要求其具有个人健康护理、休闲娱乐或与他人交流的功能。通过可穿戴设备与服装的融合,为医疗、健身、娱乐等领域提供更多、更便利的智能服务[3]。可穿戴柔性传感器是集多种功能为一体的可穿戴设备,其具有生理参数检测、能耗检测、体位检测、运动状态检测等功能。通过这些设备先收集原始数据,然后将其传送至传输端设备,传输端设备再将数据通过云端专家数据库分析,从而得出结果并给出建议,最后把结果和建议反馈给用户[4]。其材料要具有柔软、易变形、低模量等特征,保证传感器基本功能的同时,还应该具有体积小、延展性好、柔软性等特点[5]。实现传感器可以直接穿戴在身上,或者贴附在皮肤上,得到人体血压、血糖、脉搏等健康参数,并将数据收集到智能设备中,通过分析提取,为医生的诊断提供参考[6-7]。

2016年,Chen等[8]研发出一款可以整合各项生理参数且可持续监测人体健康状况的“智慧服装”,该系统的智能医疗监护大数据通过云存储技术获得。穿戴传感器除了具有很高的医学应用价值外,还能够实现信息传递、娱乐通信等特定功能[9]。2016年仇春燕等[10]设计出一款户外骑行监护服装,其能够感知、反馈、影响环境,实行人与服装的交互。目前,柔性传感器与服装的整合处于初级阶段,且相关文献报告较少,文中对柔性传感器在纺织服装领域的应用与发展进行了系统地概括与阐述,并对柔性传感器应用关键技术和相关功能材料进行了分析。

1 柔性传感器在纺织服装中的应用

1.1 健康医疗类服装

在日常健康管理中,可穿戴传感器通过蓝牙与手机建立通讯,其主要功能是测量一些常用参数,包括行走步数、心率和皮肤导电率等,甚至可以通过加速度传感器测量人体在睡眠时的人体姿态,从而反映睡眠质量。

可穿戴传感器用于医疗领域,可根据病人实际情况提供出更适合的治疗方案,也能为医生及时掌握病人情况提供便利。目前,可穿戴传感器已经应用于监测部分疾病,它既可以作为预防性手段预防突发疾病的发生,又可以作为辅助性治疗手段和监测手段有利于疾病的康复[11-12]。2014年,Mino公司研发的智能婴儿连体衣,可以通过服装中的感应器对婴儿的体温、心电信号、呼吸等进行检测,及时了解婴儿的身体健康状况[13]。Klucken等[14]曾在鞋子中载入集成加速度传感器和陀螺仪,在标准步态序列中记录运动信息,并且将采集到的模拟识别算法与传感器特征信号应用在分类帕金森疾病阶段中,结果发现,可穿戴监测系统分类结果与帕金森临床评价指标相近,准确率达到81%～91%。

1.2 运动防护类服装

不当的运动会使人们受伤,而相关的防护类服装可大大降低人体损伤情况。智能压缩服装通过传感器能够测量下肢关键肌群之间以及皮肤之间的压力,能够评估肌肉收缩舒张状况和肢体位置[15]。同时,可穿戴传感器可以测量运动员姿态,判断姿态准确性,通过反馈及时调整训练方案,促进运动员提高成绩[16]。Ryo Takeda等[17]利用可穿戴传感器区分人体的运动状态并正确评价运动动作的正误。在此过程中,主要通过加速度传感器和陀螺仪测量出髋部、膝盖、脚踝这3个部位屈伸的角度,与摄像机采集系统进行对照,同时对比左右腿部位的检测状况,依据角度曲线对人体姿态做出诊断。

1.3 休闲娱乐类服装

智能化的休闲娱乐服装大大提升了服装的趣味性和功能性。 如将柔性应变传感器安装在衣物上, 人们可通过自身动作来驱动游戏, 从而使玩家在虚拟现实与交互游戏中感受到更真实、 紧张刺激的游戏体验[18]。 张乃中等[19]运用 Action Scrip 语言编程模拟传统乐器的发声规律, 采用图案纹样设计处理电路布线, 美化了视觉效果。 2016年, 飞利浦公司研发出一种衣领上装置有立体扬声器的智能夹克, 通过衣料中的天线进行收音、 接听电话和下载音乐, 其播放装置体积小, 易携带并可拆除。 通过竖领与翻领实现独自欣赏音乐或与人分享的功能[20]。

2 柔性传感器应用要点与制备材料

2.1 关键技术

可穿戴传感器可分为生物传感器、动作传感器和环境传感器3类,其中用户与电子系统之间的接口通过传感器将生理或环境信号转换成数字信号来实现[21]。刚性传感器是可穿戴设备中最主要的形式,但强度大、不易弯曲,在应用上有局限性[22]。随后,在柔性电子技术发展推动下,柔性可穿戴传感器得到发展,部分传感器实现了一定程度的拉伸,更适合与人体集成。2008年,Zhang等[23-24]提出柔性传感器技术的关键技术为小型化、智能化、网络化、数字化及标准化。后续逐渐扩展到安全性、不可见性、个性化、能效性等。考虑到服装穿着舒适性,小型化与不可见性是维持长时间连续监测的关键。Merritt等[25]将电极集成到纺织品上,开发出可穿戴心电图监测技术,测量信号的稳定性较高,经过数个洗涤周期后仍能保持其测量信号的完整性。安全性是实现设备网络化时必须慎重考虑的问题,其中涉及对个人隐私的保护,服务质量的保障。

2.2 柔性传感器材料技术

柔性传感器常用制备材料包括金属、有机物、半导体、纳米材料等,不同结构的材料相结合可制备出不同机械属性的柔性传感器。金属纤维具有良好的导电性和可弯曲性,在纺织领域应用广泛,新型金属复合纱线可以应用于触摸传感器的研发,改善了传感器的柔软度,但金属纤维有易断裂的缺点[26]。通过引入可延展材料并设计特殊结构,利用纺丝或直接利用织物作为基底,保障了其延展性。如神奇“纱线”——Twistron,呈类似弹簧的螺旋结构,通过提高纱线捻度,使其具有良好的扩展性,碳纳米管之间的距离随着纱线被拧紧或拉伸变小,从而离子密度变大,在这个过程中,机械能转化为电能。Wang等[27]在两层柔性PDMS薄膜之间放置单壁纳米管薄膜,制备了“三明治”结构柔性传感器,其具有低压检测、快速响应、高稳定性等优点,并实现了对人体生理活动信号的灵敏检测。Yao等[28]利用高导电性银纳米线与PDMS柔性材料复合研发出柔性电极,获得的传感器拉伸性、灵敏度很高。

3 可穿戴传感器研究前景

3.1 精准医疗监测

精准医疗作为新兴医疗领域,是未来发展热点,可穿戴传感器将会为其发展提供核心解决方案。在精准医疗中,从两方面对个人大数据进行采集:一方面采用基因测序等方法获得;另一个重要方面是对人体进行全方面测量,包括运动、睡眠监测,心率、呼吸等生理参数,生活环境和饮食习惯,兴趣爱好,心理压力的记录,并对其数据进行分析,作为医生诊断和跟踪疗效的依据[29]。如一种网状石墨烯应变传感器,将网状石墨烯平铺在高聚物和医用胶带复合薄膜,实现了对面部表情变化、呼吸、脉搏等微弱运动的监测,同时确保了与人体皮肤的兼容性,达到了与皮肤紧密贴合的效果[30]。通过提升柔性医学检测系统的性能,使其更好地服务于精准医疗模式,方便患者与医生获取经过整合与分析的个人健康信息,从而及时了解自身健康状况,并进行调整与反馈。同时对中国群体健康大数据库的构建起到很大的作用[31]。

3.2 高度集成与能量供给问题

为了更好地获取、处理、传输人体信息,需要传感器与人体柔性组织高度贴合与集成。压力传感器、光电传感器和电导率传感器等逐渐被集成在可穿戴系统中,用于测量血氧、心率、脉搏等信息。

功耗与供电是可穿戴传感器面临的一个挑战。关于电池技术,目前可充电电化学电池依然是主要解决方案,它具有高能量密度,在传感器体积最小化的情况下,可长时间待机与使用[32]。此外利用大量电磁辐射,采用不同波长的分布式天线,接收到的不同频率无线信号所具有的能量组合可为可穿戴传感器供电。摩擦纳米发电机(TENG)因具有优异的输出特性以及不受材料限制等突出优点,成为近年来最受关注的微能源采集技术[33]。基于TENG原理的传感技术可以直接对外部特定信号产生响应,器件功耗大幅降低。

4 结 语

随着科技的进步和生活水平的提高,柔性传感器将会有深刻的变革和新突破,人们对可穿戴产品的接受程度也会随之提高。目前医院运行压力大,医疗体系需要得到可穿戴传感器的辅助,才能极大的提高人们健康水平。医疗水平地方性差异明显,尤其农村地区存在看病难的问题,借助已大规模普及的互联网,可穿戴传感器可以改善医疗资源分配不均的差异,能够公平享受医疗资源。同时,针对老龄化问题、儿童安全问题,通过可穿戴传感器可以对其步态及生活状态,进行实时的监测,如儿童智能定位服装的设计,确保了儿童在不同环境下穿着服装的健康安全性。

柔性传感器与服装的结合仍然面临诸多挑战,电池寿命制约着传感器的工作效率,未来应不断探索柔性传感器供电技术,脱离电池束缚。重点发展柔性传感器的可延展性、灵敏性,实现与人体的高度集成,提高穿着舒适性,使服装具有感知、传导、储存的电子性能,突破传统纺织服装企业的运行模式,进行创新转型。