纺织基柔性力学传感器的研究进展

王志伟，黄继伟，凌新龙

(广西科技大学生物与化学工程学院，广西柳州 545006)

0 引言

近年来，随着人工智能的迅速发展，各个领域中智能可穿戴设备的应用愈发广泛。 柔性传感器在智能可穿戴设备中具有关键作用，属于核心部件，一直是研究热点。 利用纺织材料的柔性、弹性、轻质、多维多尺度结构、以及低成本等特征，以纺织材料为基底与各类传感材料或元件以不同方式结合制成的纺织基柔性传感器可以满足各类可穿戴设备在手感、柔韧性、亲肤性以及多元多维化上的要求，使传感器具有更为广泛的应用前景。 纺织基柔性力学传感器可以与服装实现一体化设计，具有其他智能可穿戴设备无法比拟的优势，大大增加了智能可穿戴设备的应用设想。

本文首先对柔性力学传感器的工作原理和分类进行了概述，分析了纺织基柔性力学传感器的常用材料、制作方法、结构设计的研究现状。 然后结合近几年电阻式、电容式、压电式以及多功能纺织基柔性传感器的研究现状综述了传感器的研究进展。 最后，讨论总结了纺织基柔性触觉传感器所面临的挑战，并对未来的应用前景进行了展望。

1 纺织基柔性力学传感器概述

1.1 工作机理及分类

力学传感器是可将拉伸、压缩、扭转等不同形式的受力转换成电信号输出的元器件，技术研究和解决的主要问题是如何将外界形变的刺激信号有效转换为电信号。 敏感元件、转换元件、基本电路是力学传感器的三大组成部分。 力学被测量由敏感元件感知响应，被测量在转换元件中转换成电参量，再由基本电路将电参量转换成电量值输出进行数据处理、记录、显示。 转换元件的信号转换方式决定了传感器的工作原理，常见的三种方式分别为压阻式、压电式、电容式[1]， 而由于传感材料以及制备方式的限制，纺织基柔性压力传感器通常是采用电阻式和电容式。 根据被测量的力学信号的不同，可分为压力式和应变式。 从形态上传感器可分为一维纤维状、二维织物状[2]。 此外，由于摩擦纳米发电、有机场效应管等理论的出现与应用，新型柔性压力传感器展现出了更好的研究前景。 判断柔性力学传感器的性能优劣主要是从稳定性、灵敏度、传感范围、响应时间、最小检测限度等指标评价，开发各性能指标协调且使柔性力学传感器满足实际应用需求是科研人员不断的最终目标。

1.2 常用材料

由于基底材料需要作为骨架支撑起柔性力学传感器，其材料在机械、柔韧、耐用、生物安全等方面的性能必须优异，而以纤维、纱线为基本单位的纺织材料恰好可以满足基底材料的性能要求。 以不同纺织工艺生产的不同结构的纺织材料作为基地会使传感器的性能发生改变，同时不同组织结构的组合，也可以形成不同类型、性能各异的传感器[3]。 因此按纺织不同阶段可以将纺织基柔性力学传感器分为一维纤维状和纱线状传感器、二维织物状传感器和三维的服装纺织品[4]。 同时织物的复杂纤维结构也有足够大的比表面积，可使用化学法、浸泡法等将活性材料固定在纤维表面，而且织物不同的组织方式也可为传感器提供不同的设计。从织物的结构上可按梭织、针织、非织造布对传感器进行区分。

各种导电材料包括碳基材料中的石墨烯[5－7]、碳纳米管[8－9]、碳黑[10]；金属纳米粒子[11]和纳米线[12]、液态金属[13]；导电聚合物中的聚吡咯[14]、聚苯胺[15]、聚噻吩[16]等；过渡金属碳/氮化合物(MXene)、黑磷、硼烯等[17－20]均被用于构筑高性能柔性力学传感器。 引入这些材料是因为它们赋予纺织品均匀的导电性，同时还能保持纺织品的固有特性。 在实际生产过程中，需要根据各导电材料不同的性能，适用的加工工艺、成本等方面来选择不同的导电材料。 如根据渗透导电网络理论，纳米材料在结构上具有高纵横比，使用较少的材料就可构建高效渗透的导电网络。 其中金属纳米材料因具有高导电性和简单制备工艺优势被广泛应用。 碳基材料由于低的成本和可复合性，也具有其使用优势。 对于压电类纺织基柔性力学传感器，常选用聚酰胺11、聚丙烯、聚偏氟乙烯及其聚合物等有机聚合物作为压电材料。 因为虽然其压电系数较低，但柔韧性较好，特别是其中聚偏氟乙烯具有较高的压电灵敏度[21]。

1.3 制作方法

目前，纺织基柔性力学传感器活性层一般由纺织材料和导电功能材料两部分组成。 由于纺织材料多为绝缘材料，因此构建导电功能化纺织材料是制备纺织基柔性传感器的关键。 然而，由于纺织结构的多样性和导电材料的复杂性，导电材料很难集成到纺织体系中。 将导电材料集成至纺织品中生产导电纺织品的方法主要分为两类:一类方法是采用表面功能化改性工艺，在纺织材料表面沉积导电材料，常用的表面功能化改性工艺为浸渍、喷涂、电镀、化学镀等[14，22，23]；另一类方法是在纤维表面或内部构建导电网络结构，最常用的是湿法纺丝法和静电纺丝法[24－26]。

常用的印刷方法如模板印刷、丝网印刷、喷墨印刷等可以根据设计好的图案将导电油墨选择性沉积在纺织品基材上形成导电层。 此类方法可批量生产，能有效的降低成本。 浸涂法是通过将纺织材料浸入导电溶液中形成导电涂层，但是很难实现聚合物的均匀覆盖，而喷涂可有效改善这一情况。物理气相沉积技术是在织物上沉积金属材料常用的方法，采用真空、低电压、大电流条件下的电弧放电技术，使金属靶材在放电气体中蒸发并电离，被蒸发物质及其反应产物会在电场的加速作用下在纺织材料上沉积[27]。 相对于以上将导电材料物理附着在纺织品表面的办法，通过化学反应在纺织品表面合成新的具有导电性的材料，具有更好的结合力和均匀性。 将导电功能材料添加到湿法纺丝和静电纺丝的纺丝液中，可以从纤维层次上将导电材料集成到所制备纤维中，在最大程度上保留纺织材料原有的强度、柔韧性和舒适性等特性。

1.4 结构设计

由于各种场景对纺织基柔性力学传感器应用需求的差异化，不仅要求高的灵敏度，最终产品在机械性能、生物安全以及重量等方面的要求也就不尽相同。 因此，需要通过材料的不同组合和新的结构设计使传感器的差异性更强、适配性更好。

为实现高拉伸性能，除了使高拉伸的纺织基底材料外，必要的几何结构设计可以大幅提高复合材料的拉伸性能。 如相互重叠的纳米材料渗透网络、岛－桥相连的碎片结构都可以通过结构减少或缓解纳米导电材料所承受的应变，从而提高复合材料的拉伸性能[28－30]。 其他如波浪形、 马蹄形设计，分级结构、多孔结构等[31－35]，在改变拉伸变形状态上也有显著效果。 通过纱线中纤维的加捻、缠绕方式的变化或不同纤维间共混方式的不同，可以获得高灵敏度和相对较宽的工作范围[36－38]。 织物从二维到三维尺度上具有大量的微结构，通过不同的交织方式还可以实现丰富的表面纹理，也可通过多种组合形成如间隔、多层堆叠等结构以满足柔性力学传感器的设计要求[39－42]。

2 纺织基柔性力学传感器的研究进展

2.1 电阻式纺织基柔性力学传感器

基于压阻效应电阻式纺织基柔性力学传感器的优势在于其简单的结构，稳定性、灵敏度高且检测范围广。 电阻的变化主要来自于外力作用于传感器时几何结构的改变、电极之间接触面积的变化或由纳米材料组成的导电路径的变化。

对于自身具有良好导电性和信号传输性能的金属基[43]、碳基[44]纺织材料，只需通过纺织品结构设计就可以制备力学传感器，如Li 等[45]用碳纤维与涤纶(PET)纱线交织制备了蜂窝结构织物压力传感器，其灵敏系数达到0.045 kPa－1，传感迟滞性小于0.06，可以实现对小压力范围的精准监测，且可重复性和耐久性很高。 电阻式纺织基柔性力学传感器是通过简单的物理或者化学的方法将导电材料负载到纺织材料表面，但是重复的拉伸或压缩会破坏基体表面导电网络影响传感性能，该方法优势在于其简单的制备过程。 Wang 等[46]利用芯吸效应将石墨烯沉积到具有芯鞘结构的包芯纱纤维表面制得的具有高弹性传感器，可承受到1 万次的拉伸－回复循环测试。 Zhu 等[47]创新地采用毛细管法将银纳米线(AgNWs)整合到聚氨酯(PU)纤维表层形成完全导电的网络，制备了直径为毫米的高灵敏度、可拉伸纤维应变传感器。 高度可拉伸的PU 基体和AgNWs 导电网络的嵌入式结合，赋予PU/AgNWs 纤维出色的可靠性和稳定性。 以导电材料与聚合物为原料通过湿法纺丝或熔融纺丝制备复合纤维构筑的力学传感器结构稳定、可纺织加工性良好，但导电材料在复合纤维中的比例会影响传感器的灵敏度和拉伸断裂强度。 Seyedin等[25]用混合有Mxene 的PU 纺丝液进行湿法纺丝制备出的Mxene/PU 复合纤维，其响应快且导电性良好，特别是其灵敏系数随着拉伸形变量的增加急剧增强，可达12900。 研究人员通过材料的不同结构设计，如多孔、泡沫、仿生或金字塔形，可以在一定程度上优化传感器的性能[48－55]。 虽然电阻式纺织基柔性力学传感器已经在各领域广泛应用，但在大部分应用场景，如人机交互设备、智能可穿戴服装中，传感器都需要面对大量的长时间、重复性机械变形，导致传感器在耐用和稳定等性能上仍需突破。

2.2 电容式纺织基柔性力学传感器

相比于电阻式纺织基柔性力学传感器，电容式的响应速度更快、动态范围更广、功耗更低[56]，因为其工作原理是通过外力改变使电容器极板之间的距离、相对面积或中间介质状态来改变电容值，这与平行板电容器工作原理一致。

以纤维为基底材料的电容式传感器在电容结构的构筑上通常以制备的“皮芯结构”纤维为材料，构筑方式通常使用经纬交织、加捻等。 Zhang等[57]以棉纤维为外层包裹镀银尼龙纤维制成包芯纱，再用聚氨酯固定，将两根导电包芯纱加捻制成的螺旋结构的电容式传感器具有细小的直径(0.6±0.05 mm)和织物的纱线形态。 其中镀银尼龙纤维作为电极层，聚氨酯涂层作为介电层。 以导电织物作为电极，中间填充柔弹性绝缘材料的三明治式结构是织物基电容式柔性力学传感器常用的一种结构。 Keum 等[58]制备的电容式传感器以导电涤纶织物作为电极，聚偏氟乙烯－六氟丙烯/离子液体(PVDF－HFP/IL)复合膜为介电层，其压力监测范围高达100kPa，且耐用性较好。 电容式纺织基柔性力学传感器与服装的完美融合以及突出的耐用性，在可穿戴设备上有其他类型传感器无法比拟的优势，这将助力其在可穿戴设备上的发展与应用。

2.3 压电式纺织基柔性力学传感器

利用纺织材料(例如纤维和织物)的压电传感器的研究相对于电阻式和电容式纺织基柔性力学传感器还不够广泛和深入。 通过压电效应，压电材料可以将机械能转化为电能输出，以压电材料制备的传感器也就具有了更快的响应速度，更高的敏感度，以及自供电的优势。 因为压电材料的这些特点，压电式传感器广泛应用于动态刺激检测，如振动、弯曲、滑移等运动，特别是在低功耗传感设备上是首选材料。 He 等[59]将PVDF 和四针状氧化锌(T－ZnO)混合涂覆在PET 织物网上，将T－ZnO 纳米结构的抗菌性能和压电、气敏、光催化结合在一起。 T－ZnO/PVDF 的压电效应导致了运动动力触觉感知行为，例如电子皮肤可以检测肘部弯曲或手指按压。 Mokhtari 等[60]采用熔融纺丝法制备含钛酸钡(BT)纳米粒子和不含BT 纳米粒子的PVDF混合压电纤维，将其织造为针织织物应用于膝盖部位运动的实时监测。 不同于通过纳米结构来提高PVDF 压电薄膜的输出性能，Ahn 等[61]以PVDF 薄膜为中间层夹在3D 间隔织物中间，对3D 间隔织物单丝施加预应变以减小能量吸收间隔，并将单丝用作压力变送器，将压电输出电压(4.6 V)放大5倍(25.6 V)。

2.4 多功能纺织基柔性力学传感器

近年来纺织基柔性力学传感器多功能化已经成为一种研究趋势。 因为使用场景的不同，传感器在追求性能提升的同时往往需要被赋予抗菌、阻燃、电磁屏蔽等功能[62－65]。 Zheng 等[66]将粘弹性MXene 油墨丝网印刷在非织造布上，构建压力传感器和超级电容器的交叉电极。 将交叉电极与MXene/AgNWs 装饰的无纺布层结合形成压力传感器，涂覆凝胶电解质构建全固态超级电容器，并集成形成多功能自供电压力传感器，不仅传感性能良好，而且具有超快的温度响应和优异电磁屏蔽性能。 将高电导率和机械柔韧性的水溶性聚乙烯醇(PVA)模板辅助银纳米纤维(AgNFs)转移到织物表面作为传感器电极，采用表面结构尺寸稳定性好、力学性能优异的高弹性3D 织物作为电容介电层，构筑的传感器具有压力和拉力的双响应性能。

3 总结与展望

本文主要从电阻式、电容式、压电式和多功能方向总结了纺织基柔性力学传感器近期的研究进展，详细阐述了构建基于纺织材料的柔性力学传感器的工作机理、常用材料、制备方法及其结构设计。纺织材料因其特殊的纺织结构成为设计柔性力学传感器的理想载体。 结合它自身所拥有的丰富结构、吸湿、柔软、透气舒适、低成本等优点，近年来发展突飞猛进，已深入的融合进可穿戴设备，在医疗监测、环境监测、运动监测等方面的应用尤为突出。但随着实际应用对传感器性能要求的进一步提升和不同应用场景对传感器的差异化、多功能化要求，使传感器的发展仍然面临诸多挑战。 通过选用适合基底和导电材料、优化的传感器结构设计等方法提高其重复性、耐用性、生物安全性、稳定性等重要性能指标仍需进一步研究。 纺织基柔性力学传感器的发展必须从实际应用出发，加强新材料的运用，并进行多功能、一体化的开发。 同时因为应用领域的广泛性，传感器需要多学科交叉的共同研究，纺织基柔性力学传感器的发展前景有着巨大的潜力和重要意义。