智能可穿戴技术的发展与应用

孟靖达，冯 岑

(苏州大学纺织与服装工程学院，江苏 苏州 215021)

20世纪60年代，可穿戴技术由美国麻省理工学院媒体实验室提出[1]，以后便得到了飞速的发展。智能可穿戴是一种将传感器整合在衣服等可穿戴物品中的智能设备，是可穿戴技术与传感器的结合，具有监测、通信、治疗、辅助、娱乐等功能。在这一技术领域的持续探索，为可穿戴技术开拓了一个新的市场，并被广泛应用于我们的生活中，这主要归因于柔性电子、物联网、机电系统和工业领域的技术升级[2-4]。由于世界多地人口老龄化趋于严重以及慢性疾病的增加，加上COVID-19的影响，给医疗保健领域带来了巨大的压力，这更加激发了智能可穿戴技术的发展。此外，由于小型化方面的技术进步，智能可穿戴设备正在迅速传播，这对于非侵入性监测是至关重要的[5]。

智能可穿戴按照穿戴方式可分为三类：接触类智能可穿戴设备、植入类智能可穿戴设备和外接型智能可穿戴设备。接触类可穿戴的传感器直接与人体接触，植入型可穿戴则是透皮测试，外接型可穿戴则是将传感器外接到固定装置实现测试[6]。本文旨在探讨接触类智能可穿戴技术的研究进展，主要包括智能可穿戴设备的传感器、储能设备、安全与隐私、应用、存在的问题以及发展趋势。

1 智能可穿戴传感器

传感器作为可穿戴设备智能化的最重要器件之一，负责接收生理或周围环境的信号并将其转化成电信号，使用户与电子系统产生交互作用[7]。作为智能可穿戴的传感器需要具备以下特征：柔软、灵活、耐磨、舒适、小巧、灵敏度高、响应范围广。

智能可穿戴传感器一般可以分为两类，刚性传感器和柔性传感器。刚性传感器是目前普遍使用的传感器，具有工艺成熟、技术完善等特点，但是刚性传感器体积较大、无法更好地适应可穿戴设备的要求，极大地限制了其应用范围，因而柔性传感器得到了极大的关注，是智能可穿戴传感器发展的趋势。柔性传感器是通过柔性基底和填充材料制成。常见柔性基底有纺织品、生物高分子聚合物等，常见填充材料有石油材料衍生聚合物和活性材料，包括碳材料、金属和金属氧化物、半导体导电聚合物等。

纺织品(包括纤维、纱线、织物)具备优良的灵活性、耐磨性和舒适性，是实现柔性传感的理想基底。因此，根据纺织品为基底可以将柔性传感器分为纤维基柔性传感器和织物基柔性传感器两种。

1.1 纤维基柔性传感器

纤维基柔性传感器是以导电纤维为关键材料。常见的导电纤维有金属及金属化合物型导电纤维、导电碳纤维、高分子系导电纤维。由于纳米技术的兴起，新型纳米纤维具有优异的物理化学性能，引起了人们对其作为基底开发柔性传感器的兴趣[8]。例如，Ryu等人[9]利用碳纳米管纤维间导电通路与接触面积会随拉伸应变的增大而不断减小，从而引起元件电阻的增大，开发了一种由高取向度碳纳米管纤维与高弹性柔性基底复合的电阻应变传感器。该传感器的应变范围可达960%，经过10 000次的应变测试后，仍能够保持其原有性能。该传感器可以使用在手指、膝关节等部位，实现对人体关节运动的监测。

Cao等人[10]利用简单的热液方法制备出了一种掺有银纳米的还原氧化石墨烯的棉纤维，其制备而成的柔性可穿戴传感器其灵敏度可达4.23 kPa/s，快速响应时间0.22 s，快速恢复时间0.42 s，可以被广泛应用于监测手指按压、行走、弯曲等人体活动。

1.2 织物基柔性传感器

织物可以承受复杂的机械形变，具有柔软、灵活、可穿戴性等特点。以织物作为基底的柔性传感器具有最理想的人性化友好特征，非常适用于人机之间的界面平台。

例如，Zhang等人[11]利用碳化棉织物为基底结合电子技术制成了一种柔性应变传感器。由于碳化纯棉织物(CPCF)独特的分层和导电网络结构，使得该传感器同时具备高灵敏度和较大的工作应变范围(>140%)，而且CPCF应变传感器能够监测出0.02%的应变，其质量仅0.3 mg。研究表明CPCF应变传感器在监测人体细微运动(呼吸、脉冲和面部微细表达)和大运动(人体关节运动)上表现出优异的性能。

Song等人[12]通过还原氧化石墨烯制备了石墨烯包覆的丝-氨纶(GCSS)织物应变传感器。该传感器具有优异的灵敏度(GF=34.3)、低滞后性(H=7%)、测量范围广(高达60%可用应变)和高可靠性(1 000个周期)等特点。研究表明该应变传感器可以准确地检测到人体的各种动作，包括膝盖弯曲、肘部弯曲、手腕脉搏、说话、呼吸和手势等。

2 智能可穿戴供能储能设备

由于便携式智能可穿戴产品的需求增加，导致了柔性、安全、智能储能设备的发展。锂离子电池是目前主流的动力系统[13]。但在某些场合，传统的能源系统由于寿命短、功率密度低、不灵活等缺点，无法满足智能可穿戴产品的要求，而且在使用过后容易造成环境污染等问题[14]，所以急需新型的能源储能设备。柔性的超级电容器、可充电电池以及绿色自给能源系统为目前研究的热点和重点。

2.1 柔性超级电容器

柔性超级电容器被认为是下一代储能系统的候选器件，具备重量轻、柔韧性好、功率密度高、环境友好性和安全性等优点[15]。目前生产柔性固态的超级电容器(SC)的技术有化学气相沉积、溅射和过滤沉积等，但无法进行大规模生产，且成本较高。目前比较成熟的解决办法之一是通过电子印刷技术(PE)制备柔性超级电容器。

(1)丝网印刷电容器 Wang等人[16]采用简单的丝网印刷技术制造了固体柔性微型超级电容器。全固体柔性微型超级电容器(MSC)由氩电极、二氧化锰(MnO2)/洋葱碳(OLC)活性材料、PVA/磷酸固体电解质和PET塑料基底组成。丝网印刷的MSC的容量为7.04 mF/cm2，电流密度为20 μA/cm2,这主要源于活性材料MnO2/OLC。此外，MSC可以在1 000个循环后维持其特定容量的80%以上。Chen等人[17]在柔性衬底上获得了基于混合氧化钌(RuO2)纳米线/单壁碳纳米管(SWNT)的纳米结构薄膜电极超级电容器。该印刷超级电容器(SCS)的比电容为138 F/g，功率密度为96 kW/kg，能量密度为18.8 W·h/kg。Liu等人[18]开发了用于喷墨打印柔性SCS的氧化石墨烯/聚苯胺油墨，得到的SCS具有较高的面积电容(153.6 mF/cm2)和能量密度(4.83 mW·h/cm3)。

(2)超级可拉伸柔性电容器 随着对拉伸性能要求的不断提高，可编织成纺织品或粘在皮肤上进行便携式应用的线状超级电容器，引起了学术界极大的研究兴趣[19]。线形超电容器应能够承受巨大的拉伸应变和其他变形，同时保持稳定的电化学性能[20]。Wang等人[21]报道了一种可基于碳纳米管，石墨烯，二氧化锰纤维的超可拉伸的线型超级电容器，其思路来自源于自然界一种线状结构——爬升茎的螺旋结构，独特的螺旋结构使茎的张力和拉力能够承受较大的拉伸应变，同时保持其原来的完整性。

(3)超级可愈合柔性电容器 可愈合是指在电容器被拉伸断裂后能够重新恢复其性能。通常报告的超级电容器具有相对较低的可拉伸性(通常<400%)，不具备愈合能力。值得注意的是，通常可愈合的超级电容器具备较低的可拉伸性，而且愈合稳定性也十分有限，同时具备可拉伸性和可愈合性的超级电容器也被认为电化学性能不佳。Li等人[22]报告了一种基于双交联水凝胶电解质的可愈合超级电容器，完美解决了上述问题。所用的水凝胶是由合成丙烯型粘土、聚丙烯酰胺甲基磺酸、二甲基丙烯酰胺和氧化石墨烯(GO)交联的纳米复合水凝胶。该可愈合柔性超级电容器具有优异的机械性能(34 kPa)、拉伸性能(1 173%)和离子导电性能。

2.2 柔性可充电电池

与超级电容器相比，电池具有能量密度高、工作电压高、自放电性能低的优点。它们通过将电能转化为化学形式来储存能量[23]。随着智能可穿戴产品的需求增加，适应可穿戴的柔性可充电电池得到了深入的研究。

柔性锌-空气电池作为最具吸引力的柔性能源系统之一，由于其能量密度高、成本低、资源丰富、环境和人类友好等特点，在智能可穿戴领域得到了广泛关注。高性能可再充电锌空气电池的开发取决于,用于氧还原/放氧反应(ORR/OER)的高效、稳定的电催化剂的合成。Wang等人[24]制备了一种富含丝质的高性能可穿戴和可充电的锌-空气电池。

2.3 绿色自给能源系统——纳米发电机

绿色自给能源设备是将人体运动产生的机械能以及环境中的能源转换为持续供电和便携式供电的设备[23]。无论是超级电容器还是可充电电池，这些设备的存储电仍来自传统能源。而且，由于电容有限，寿命较短，充电频繁，存在潜在安全，环境污染严重等固有缺陷，电容器和电池不是未来可穿戴设备的基本解决方案。从长期、经济和环境的角度来看，直接从环境中获取电力是未来可穿戴电子设备的理想选择。

纳米发电机在设备设计上相对简单，不需要高频机械输入就能够实现低频机械触发的高效能量转换，在可穿戴电源和多功能自动力传感方面具有广阔的应用前景。根据材料组成、结构特征和工作机制可将纳米发电机分为三类：压电纳米发电机(PENG，2006年)、三电纳米发电机(TENG，2012年)以及热释电纳米发电机。人类本身不仅是丰富的机械能来源，而且是可穿戴电子设备的应用终端，因此我们可以通过自给自足的方式实现能源的获取和利用，关键问题在于实现纳米发电机(NG)和人体运动的无缝结合[24]。

将纳米发电机技术与纺织品结合形成的纺织纳米发电机，完美解决了上述问题。具有通用设计性和卓越性能的纺织品是面向人的电子集成的一种有吸引力的交互介质[25]。Lai等人[26]提出了一种防水和基于织物的多功能纳米发电机，它可以从雨水、风和各种人类运动中获取能量，并用作可穿戴产品的自动力接口。

3 安全与隐私问题

3.1 安全问题

智能可穿戴产品包含大量传感器和导电元件，这些在与人体接触的过程中必然会产生安全隐患。以智能可穿戴纺织品为例，智能可穿戴纺织品也称电子纺织品，其含有大量导电元件以及储能器件。电子纺织品的导电元件通常是纳米材料，而纳米材料有可能对人体产生伤害，例如：氧化石墨烯可以引起血小板的剧烈反应，且在静脉注射后可在肺部聚集并引起肺血栓栓塞[27]；由于电子纺织品和人体直接接触，而储能器件通常含有一些电解质，这些电解质一旦泄露，其中的化学物质极有可能伤害人体皮肤和器官；人体皮肤产生的汗液容易将电子纺织品中的导电保护涂层腐蚀，容易发生触电现象；电子纺织品作为消耗品，使用过后如何减少对环境的污染问题也值得关注[23]。

3.2 隐私问题

智能可穿戴设备产生的大量数据面临着不同的隐私和安全风险。比如，由用户产生的轨迹等物理信息，一旦被非法截取，将会对用户的人身安全产生极大风险。生理学数据，比如用户心率、血糖、脑电图等健康相关数据，一旦泄露很有可能产生对用户的歧视行为[23]。

为了提高可穿戴应用程序的隐私保护性能，对云技术的辅助安全协议机制的研究成为热点。比如，Shen等人[28]开发了一种云辅助无线体域网的可穿戴设备。该方案与现有方案相比，可以对私人信息提供更强的安全保护。其提出的协议能够确保除了预先注册的人之外，任何人都无法实现对用户真实身份的假冒。除了安全协议外，研究人员和相关行业还提出了基于硬件的保护措施。

此外，Dwivedi等人[29]以区块链技术为出发点，提出了一种新的混合方法，该方法采用了私钥、公钥、区块链结合技术，并以此开发了以电子病历为中心的电子病历访问控制系统，能够提供安全和隐私保护。

4 主要应用

医疗保健领域已经成为智能可穿戴设备最重要的应用领域。

4.1 健康和安全监测功能

Godfrey等人[30]利用可穿戴设备对老年人的步态和跌倒进行监测，能识别主要的运动类型(行走、坐着、躺着)，以此帮助老年人独立生活。Jung等人[31]通过可穿戴设备收集老年人的位置数据，并快速地上传到医疗中心，确保提供及时的帮助和治疗。Lin和他的同事[32]开发了一种腹部的纺织综合电容装置的呼吸监测系统。该系统的工作原理是，单个呼吸过程可以减少电容装置中板的距离，从而产生模拟信号，然后转换成数字信号，并由数据存储系统计数，这样就可以确定呼吸率。

4.2 慢性病的管理工作

慢性病管理很重要的一点就是将被动疾病治疗转变为主动健康监测[33]。可穿戴产品实现了对用户一整天的数据收集与监控，并对各种指标提供动态、智能和全面的分析，使慢性病患者能够得到更好的治疗。该技术还可以与云服务技术相结合，具有远程监测疾病、调整远程治疗方案和生活方式管理等功能，这对慢性疾病控制[34]具有重要意义。

Tsukada等人[35]开发了一种由纳米纤维制成的运动背心，可以使心电图电极与人体密切接触。该运动背心允许实时显示心电图信号，并且监控数据可以通过一个应用程序来收集，从而增加舒适度，而不会有过敏的风险。数据上传到云端，由专业医生分析，实现心脏病的远程监测。

4.3 可穿戴光纤治疗技术

光和光学技术已经应用于疾病治疗的临床实践，这些方法对现代医学[36]带来了深远的影响。光疗法通常用于缓解疼痛、肌腱损伤、代谢性疾病，而且可以通过采用不同波长的光[37]进行组织修复。数种光纤设备已与织物材料集成，并应用于接触人体皮肤的器件，其在光治疗中具有优异的光学和热性能。因为不同的光波长对人的组织有不同的穿透深度，所以波长的选择在光治疗中非常重要[38]。

Shen等人[39]开发了一种基于织物的柔性发光器件，该器件发射低水平的红光和近红外光(600～950 nm)，可持续提供稳定的光功率密度和工作温度，而且不存在任何危险。此外，通常采用蓝色波长光(430～490 nm)治疗新生儿黄疸。例如，Quandt等人[40]开发了一种均匀发光的纺织品，用于长期治疗新生儿黄疸。这种织物取得了极佳的治疗效果，因此可用作可穿戴光治疗设备，为治疗新生儿黄疸提供护理。

4.4 电子纹身

电子纹身是电子皮肤重要的应用。Wang等人[41]制备了一种自我愈合的电子纹身。该电子纹身基于独特的Gr/SF/Ca2+组合，能够对多种刺激包括应变、温度、湿度等，产生高灵敏度反应，可用于测量皮肤含水量、温度以及心电信号，由此可以计算出心跳和呼吸率。这种可愈合电子纹身的制备通过丝网印刷或者直接书写的办法SF/Ca2+膜上制备客户所需的纹身图案。所制备的电子纹身十分柔软且高度灵活，能够适应人体皮肤的形变。该电子纹身之所以能够实现多功能传感，是因为分布在SF基质中的石墨烯薄片形成了一种独特的导电路径，以此响应环境变化。即使该电子纹身完全断裂后，在施加一滴水后，仅在0.3 s内就能够100%愈合，这是由于SF/Ca2+基体的膨胀和断裂界面上氢键和配位键的重组。

5 主要存在的问题以及发展趋势

虽然智能可穿戴技术快速发展，但目前仍处于发展的初级阶段。智能可穿戴产品距离大规模商业生产还有很长一段时间，且存在着舒适性不好、成本高、环境不友好、数据准确性差等问题。洗涤性能是智能可穿戴产品面临的一个重大问题。

随着智能可穿戴产品需求的增加，未来智能可穿戴领域的研究方向包括：

(1)智能可穿戴纺织品。通过将纱线、织物或者服装集成不同的电子设备，智能可穿戴纺织品能够感知和对环境刺激作出反应[42]，其全球市场总和远远超过数万亿美元[23]。

(2)生物相容性、环境友好型材料。可穿戴设备包含大量电子元件，在使用后容易导致环境污染，生物相容性好的材料如基于生物衍生的碳材料，是未来研究的重点。

(3)微型储能设备。便携式和可穿戴式电子设备的发展主要集中在小型化、轻重量、安全、长期、高速运行上，从而进一步刺激了对小型化储能设备的需求[43-48]。

(4)智能穿戴+物联网。智能可穿戴设备很重要的一点就是能够监测和收集数据，利用物联网可以将可穿戴设备进行网络链接，实现数据的交换和共享。在未来的智能城市中，我们不仅能够看到智能可穿戴设备传输医疗数据，而且可以预见当这些设备进行互联时，无数的数据可以共享，产生巨大的社会经济效益[29]。

6 结语

智能可穿戴技术已取得快速发展，并广泛应用于我们的日常生活中。传统传感器通常是刚性的，体积较大，无法满足智能可穿戴设备对柔性的需求，因而柔性可穿戴传感器得到了广泛的关注，纺织品为传感器基底是一种很好的选择。作为智能可穿戴设备工作的电力来源，储能设备也朝着柔性、微型化发展，如柔性超级电容器、可充电电池、纳米发电机等成为研究的热点。安全与隐私问题是智能可穿戴设备必须解决的问题。现阶段，医疗保健领域已经成为智能可穿戴技术最重要的应用领域。在未来，智能可穿戴设备将朝着舒适化、微型化等方向发展，与物联网等技术相结合，将产生巨大的社会经济价值。