柔性传感器在纺织服装上的应用

吴海燕，李艳梅

(上海工程技术大学 纺织服装学院，上海 201620)

现今人们对于服装的需求不再局限于防寒保暖，智能个性化的设计成为现代人们对纺织服装的新需求，智能服装的研发逐渐成为热点，其市场应用也在逐步推广。

在满足人们智能个性化需求方面，刚性传感器与柔性传感器都发挥了重要的作用。目前对于刚性可穿戴式传感器材料及设备的研究已较为成熟，并在医疗保健方面发挥了重要的作用。例如Apple Watch Series 4、欧姆龙的Heart Guide对人体心率、血压等具有实时监测的功能[1]。然而刚性传感器因其自身材料的特性，无法满足人们对于智能服装柔软舒适、可折叠弯曲、可洗涤等要求，因而柔性传感器的研究成为了研究热点。

柔性传感器是指采用柔性材料制成的传感器，较刚性传感器而言，具有体积小、延展性优良、柔软性好等特点[2]。柔性传感器的优势使其在医疗电子、环境监测和智能可穿戴等领域具有良好的应用前景，如在智能可穿戴方面，服装作为“第二皮肤”是获取人体信号的最佳媒介，将柔性传感器与服装结合后，更易测得人体的相关数据。但是较高的技术要求制约了柔性传感器的发展，如柔性传感器因其易拉伸形变的特性导致其稳定性、耐久性等较差。因而如何改善柔性传感器稳定性不足、耐久性差等缺点，充分发挥柔性传感器优势，也成为了国内外的研究热点。

本文详细介绍了各类柔性传感器，分析了近年来国内外各类柔性传感器在医疗保健、人体监测及运动等领域上的应用，总结了将柔性传感器应用在纺织服装上所面临的挑战及应对建议，为柔性传感器与纺织服装的结合发展提供理论借鉴。

1 柔性传感器的分类

目前，柔性传感器按照感知机制主要分为5类：柔性电容式传感器、柔性压阻式传感器、柔性压电式传感器、柔性电感式传感器和柔性光纤传感器。

1.1 柔性电容式传感器

柔性电容式传感器[3]主要基于电容器原理而制成的，由于其对于外力的敏感性较强，故在检测微小的静态力时所需能耗较低，且柔性电容式传感器具备良好的线性响应。柔性电容式传感器以导电薄膜、纤维纱线等柔性材料制成两极板，间隔层通常使用弹性材料制成，将柔性电容式传感器与服装结合后制成的智能纺织品，不仅柔软舒适可弯曲形变，还能感知外界环境变化，灵敏度高且空间分辨率大[4]。全勇等[5]利用银纳米线(AgNWs)及聚二甲基硅氧烷(PDMS)制备出微纳结构的柔性电容式传感器，并通过实验得出AgNWs/PDMS柔性电容式传感器在微纳结构下的灵敏度优于平面结构下的灵敏度。LIANG等[6]以碳海绵(Carbon Sponge,简称CS)作为可压缩基底，通过恒电流沉积及低温热处理技术，制备CS-Fe2O3-12电极在电流密度为1 A/g时的最大比电容为294 F/g，且经过10 000次恒电流充放电后，电容量仍然能保持初始值的81%。

1.2 柔性压阻式传感器

压阻式传感器[7]是利用一种可通过应力改变材料电阻率的柔性材料和集成电路技术制成的传感器，通过测量电路中的输出电信号变化即可得到对应应力的数据变化，因此压阻式传感器主要用于压力、重力等物理量的测量。这类传感器具有柔软、结构简单和灵敏度高等优点，广泛地应用于航天航空、航海、生物医学等领域[8]。常用的材料为石墨烯高聚物、炭黑高聚物、半导体硅和锗等。SHOIEB等[9]提出了一种具有压阻传感功能的聚二甲基硅氧烷(PDMS)/碳纳米纤维(CNF)纳米复合材料。通过将CNF分散到PDMS中,获得的纳米复合材料具有优良的导电性且成本低，可用于制作各种形状的传感器。XU等[10]采用低压氧等离子体处理来修饰和活化聚氨酯支架，制备了聚氨酯(PU)/碳纳米纤维(CNF)@ 炭黑(CB)导电泡沫，具有极高的压缩敏感性、机械性能和导电性，可用于检测微压或微应变状态。

1.3 柔性压电式传感器

压电式传感器[11]是利用外界作用后压电材料发生形变导致材料电极发生变化的原理制成的传感器，通过测量电路中输出电量的变化即可得到作用力的变化。这类传感器频带宽、灵敏度高、质量轻、结构简单、性能稳定，主要用于压力和加速度的测试，因此被广泛应用于生物医学、电声学等技术领域。常见的压电材料有陶瓷、石英晶体、聚氟乙烯、锦纶等。ALI[12]通过多步骤合成了四氧化三铁(Fe3O4)/氧化石墨烯(GO)，从而实现Fe3O4纳米颗粒和氧化石墨烯纳米板复合后的高协同作用。GUO等[13]利用丝素蛋白和聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维制备了一种全纤维混合压电式传感器。

1.4 柔性电感式传感器

电感式传感器[14]是利用线圈自感或互感系数的变化来实现非电量电测的一种装置。其具有结构简单、灵敏度高、输出功率大、阻抗小、抗干扰能力强及测量精度高等一系列优点。通常电感式传感器的传感线圈常采用导电纤维、导电纱线与服装结合，从而实现人体呼吸监测及动作捕捉等功能。WIJESIRIWARDANA等[15]将氨纶(莱卡)纤维与导电纱线进行编织，制备出管状电感式传感器。

1.5 柔性光纤传感器

光纤传感器[16]是利用光学性质变化原理制成的传感器，通过光纤将外界物理量转变为光信号进行测量[17]。光纤传感器具有许多优良性能，其能够代替人们进入一些高危的区域进行信号检测，如高温区、核辐射区，还能接收人的感官所感受不到的外界信息。此外光纤传感器还具有灵敏度高、形状可塑性强、体积小等优势，因此将光纤应用于纺织服装后可用于测量压力、温度等物理量，并广泛应用于航空航天、军事、通信等领域[18]。ROTHMAIER等[19]利用聚硅氧烷-脲共聚物制备出具有热塑性的硅树脂纤维，该纤维的弹性优于传统的光纤纤维，编入纺织品中不会破坏纺织品原有的弹性及柔软舒适度。GUO等[20]制备了一种由石墨烯纳米片(GNP)与聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合而成的高度可伸缩光纤，其可以通过光穿过的强烈吸收和散射来量化拉伸应变，具有低检测极限、快速响应和高重复性等优点。

2 柔性传感器的应用

2.1 柔性电容式传感器的应用

YAPICI 等[21]基于电容耦合原理研发了一种石墨烯纺织电极，并在信号保真度、频率响应和接触阻抗方面与传统银(Ag)/氯化银(AgCl)凝胶电极进行比较，证明了该电极在进行神经活动测量中有较好的稳定性。虽然该纺织电极接触阻抗高于传统Ag/AgCl凝胶电极，但对信号保真度无显著影响，且与传统Ag/AgCl凝胶电极相比，该纺织电极对皮肤无伤害、成本较低，故可应用于心脏活动、肌肉活动和神经活动的个性化监测。

SHI等[22]利用“三明治结构”的电容式压力传感器，设计了一款柔性键盘。阵列式可穿戴键盘具有很高的灵敏度，能够清晰地区分每个像素施加的压力，并实现了与传统键盘类似的功能。“三明治结构”图见图1。

图1 “三明治结构”图

2016年美国牛仔品牌利瓦伊斯率先推出一款由美国麻省理工大学媒体实验室研发的音乐外套，不仅能播放、储存音乐，还能收听电台[23]。音乐播放功能主要是由一个全布料电容键盘控制，只需轻轻一按，衣服就会开始播放音乐。此外，音乐外套还是一个环保的“音乐播放器”，其能量来源主要依靠太阳能、风能等可持续能源。

2.2 柔性压阻式传感器的应用

SONG等[24]利用二维材料(MXene)与聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合制成具有良好弯曲性能的中空压阻式柔性传感器，在轻触和重压状态下，该传感器具有不同的响应。并将传感器应用于面部肌肉运动、不同角度的手指弯曲、不同速度的手腕弯曲以及眼皮运动试验中，实验结果表明在不同的运动状态下，该压阻式传感器输出的电阻数值会发生明显的变化。因此将柔性压阻式传感器在与纺织品结合制成智能可穿戴设备后，可在人体监测、面部情绪识别方面发挥重要作用。

LIU等[25]基于硅橡胶与碳化三聚氰胺海绵结合制备了柔性压力传感器，并将该传感器应用于足底压力检测。实验结果表明，在行走、跑步、上坡及下坡状态时，该柔性传感器所反应出的电阻变化有所不同，故该柔性传感器可用于足底运动状态的分类。

2.3 柔性压电式传感器的应用

2016年，谷歌公司联合 Levi′s推出了一款智能夹克Project Jacquard[26]。Jacquard左手袖克夫处采用了新型可触控布料代替了传统布料，穿着者可以根据自己的喜好设定手机指令，后者只需通过触摸衣服即可完成操控，例如在骑车或者开车时使用手机存在一定安全隐患，将这种新型可触控面料与衣服相结合，可降低因看手机屏幕发生危险的概率。

CHEN等[11]利用丝素蛋白和聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维在导电织物上制备了一种全纤维混合压电增强摩擦的压电式传感器，该传感器可通过手势与相应电信号之间的相关性来识别各种类型的身体运动，实现人体的运动监测，可应用于老年人和危险地区工作者防摔预警。

2.4 柔性电感式传感器的应用

刘官正等[27]利用电感传感器制成呼吸监测腰带，并对穿着者不同生活状态下的呼吸进行监测。结果表明该电感式呼吸监测腰带可用于日常生活状态下的呼吸监测。

硅谷新创公司Lumo Bodytech公司研发的Lumo Run智能跑步姿势追踪器[28]，将智能跑步短裤和帽子组合在一个柔性传感器上，来监测运动指标，例如穿着者的跑步节奏、足部与地面接触时间、骨盆旋转的角度和步伐长度。该智能装备还支持实时教练，将回馈实时发送到耳机，及时帮助改善跑步形式降低受伤的概率。

2.5 柔性光纤传感器的应用

相较于电传感器，光纤传感器在军事领域[29]、医疗领域[30-31]中发挥着极其重要的作用，尤其在人类活动监测方面发挥着巨大作用。KREBBER等[30]研发出了一款光纤布拉格光栅(FBG)传感器可穿戴系统，利用胸部呼吸传感器和腹部呼吸传感器进行人体呼吸监测，可以进行连续呼吸运动监测，从而便于医疗机构工作人员对病人进行实时呼吸监测。

GUO 等[20]利用石墨烯纳米片(GNP)-聚二甲基硅氧烷(PDMS)纳米复合材料制备了一种光纤传感器，该传感器可广泛用于人类活动监测，从微妙的手腕脉冲到大规模的关节弯曲监测，以及在运动神经元疾病的诊断及评估中发挥作用。

3 结束语

本文重点介绍了柔性电容式传感器、柔性压阻式传感器、柔性压电式传感器、柔性电感式传感器和柔性光纤传感器的工作原理及其应用的研究进展。目前，柔性传感器因其成本低，延展性能优良和适应服装柔性需求的特性在医疗保健、人体监测等方面得到快速的发展，在一定程度上满足了人们对服装智能化的需求，同时也为人们的日常生活提供了便利。

然而，柔性传感器在实际应用中仍面临着巨大挑战。在材料耐久性、结构稳定性及数据测量精度等方面柔性传感器还无法超越传统刚性传感器，且现有的柔性传感器与纺织服装结合后，仍需依托于外接电路实现传感功能，无法独立发挥传感作用。因此，加强新型柔性材料的研发，优化制作工艺，提升数据采集和处理能力成为了柔性传感器未来的发展方向。