基于柔性传感器的智能服装研究进展_岳欣琰.pdf

基于柔性传感器的智能服装研究进展岳欣琰1,杨雅晴1,韩 潇1,2,洪剑寒1,2,*,葛烨倩1,2(1.绍兴文理学院 纺织服装学院,浙江 绍兴3 1 2 0 0 0;2.浙江省清洁染整技术研究重点实验室,浙江 绍兴3 1 2 0 0 0)摘 要:柔性传感器因具有延展性好、柔软且易于其他材料集成等优点,与开发智能服装的设计需求相契合,在智能化可穿戴产品中具有广阔发展前景。根据柔性传感技术在纺织服装领域的发展,详述柔性传感器的分类及其研究进展;分析归纳国内外基于柔性传感器在体育运动、医疗健康、休闲娱乐与特殊环境领域下智能服装的研究进展。总结基于柔性传感器智能服装开发应用研究中存在的问题,提出解决措施,以实现兼具智能化与舒适性的服装,发挥智能服装的实际应用价值。关键词:柔性传感器;智能服装;传感器应用;健康监测中图分类号:T P2 1 2 文献标志码:A文章编号:1 6 7 3-0 3 5 6(2 0 2 3)0 6-0 0 0 4-0 5收稿日期:2 0 2 3-0 2-2 3基金项目:中国纺织工业联合会科技指导性计划项目(2 0 2 1 0 0 4);浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划(2 0 2 2 R 4 3 2 A 0 2 0)第一作者:岳欣琰(2 0 0 0),女,硕士研究生,主要研究方向为智能服装柔性器件的设计开发与应用。*通信作者:洪剑寒(1 9 8 2),男,教授,博士,主要研究方向为新型纺织材料的制备与应用,E-m a i l:j h h o n g u s x.e d u.c n。柔性传感器是指采用柔性材料制成能感知收集外界信息,将其转换成某种信号的器件,具有柔性、延展性好、贴体性等优点。服装作为柔性传感器的载体之一,具有透气、适形、可长期穿戴等特性。使服装实现智能化的关键之一便是传感技术,而柔性传感器则是智能服装的重要组成部分。在早期智能服装中,传感器通常为柔性较差的硬质电子器件,体积相对较大且功能性单一,贴体性差,甚至难以集成在服装中,人体在进行活动时传感器易发生位移,从而采集的数据准确性较低,其应用范围受限。因此,如何制备具有功能性的柔性传感器并与服装有效结合便成为智能服装研究的重点。详述了柔性传感器分类,分析梳理了国内外关于柔性传感器在医疗健康、体育运动及休闲娱乐、特殊环境等领域的智能服装的研究应用进展。总结分析了基于柔性传感器在智能服装应用中所具备的优势和局限性,提出解决措施的同时就其未来发展作出展望。1 柔性传感器的分类根据感知机制将柔性传感器主要分为柔性电容式传感器、柔性电阻式传感器、柔性压电式传感器、柔性摩擦电性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主要是基于电容器原理而制成的柔性器件。其中,最典型的“三明治结构”是由介电层夹在由导电聚合物、纤维纱线等柔性材料制成的上下2个平行板电极之间构成,碳纳米管1、炭黑、石墨烯2等低维碳是柔性传感器常用碳系材料。当外界给予一定的刺激时,将引起介电层的变形,此时将外部压力变化转化为平行板间电容的变化。平板电容的计算如式(1):C=r0Ad(1)式中,r为介电层的相对介电常数;0为真空介电常数;A为两电极板间有效面积;d为两电极之间的距离。首先,从介电层发生变形引起电容的改变来看,增强介电层的弹性可以提高柔性传感器的灵敏度,例如聚二甲基硅氧烷(P D M S)3、聚氨酯(P U)4、离子电膜等。同样基于介电层的视角来看,通过改变介电层的微结构来也可以改变传感器的灵敏度响应。S h i等5利用图形化微结构A g NW s/P D M S复合介质,将介质层微结构化,制备出柔性电容压力传感器的灵敏度更高、检出限更低。胡瑞明6设计出复眼微结构的介电层,基于此介电层制备的传感器灵敏度达到0.2 8k P a-1,并且经过1 20 0 0次的撞击后,输出信号仍保持稳定。此外,关于柔性电容式传感器不同的组装形式对其传感性能也有较大影响,C h h e t r y等7运用导电纤维交叉堆叠制备一种简易柔性电容式传感器,介电层为涂覆在导电纤维外的微孔结构P D M S层,其在低压区(2k P a)的灵敏度达至0.2 7 8k P a-1。佑晓露8利用静电纺丝技术构建柔性电容式传感器,分别制备出以纳米纤4纺织科技进展 2 0 2 3年第6期 DOI:10.19507/ki.1673-0356.2023.06.014维气凝胶为介质层的薄膜型电容传感器,基于纳米纤维包芯纱结构的织物型电容传感器,对人体呼吸与微小物体识别等方面得到实际应用。1.2 柔性电阻式传感器柔性电阻式传感器是基于外界施加外力时,通过改变导电材料间的接触电阻和长度电阻引起电信号的变化9,将其转换成电阻值变化。表征电阻式压力传感器的灵敏度常用灵敏度系数S表示,如式(2):S=(R-R0)/R0P-P0(2)式中,R、R0分别表示施加压力前后的传感器电阻值,P、P0分别表示施加外力前后传感器所受压力值。一般由衬底和导电材料组成柔性电阻式传感器的基本结构,常见材料有半导体硅、锗及石墨烯1 0填充高聚物等。张轩豪等1 1在氨纶包覆纱表面包裹了一层迈科烯(MX e n e)导电材料,制备一种氨纶纤维应变式电阻传感器。应变范围为04 0%时,其灵敏度为5.8 2,在进行手势变化时,实现对数字1到1 0的手势识别。P i z a r r o等1 2提出了由低密度聚乙烯制成的抗静电片和导电织物制成的织物压力电阻传感器,制备5个传感器分别在不同的场景下进行评价,在17 0k P a内线性稳定。卢韵静等1 3利用浸渍法在三维聚酯非织造布上接枝氧化石墨烯和P DM S,制备了一种新型三维网状非织造结构传感器。L i a n等1 4用浸渍法得到A g NW s涂层棉,在两层A g NW s涂层棉之间插入棉网间隔物来构筑一种全织物柔性压力传感器,充分利用了纤维/纱线/织物多层接触的协同效应,提高其传感性能。1.3 柔性压电式传感器柔性压电传感器的感应机理是压电材料受到外力作用时产生压电效应,将压力信号转换为电压信号。聚偏氟乙烯(P V D F)1 5、陶瓷和氧化锌(Z n O)等是压电传感器常用压电材料。其中,压电常数表示压电材料机械能与电能二者相互转化的能力,一般压电常数值越大,压电性能越好1 6。C h e n等1 7构筑了能够检测静态压力的纳米线/石墨烯异质结构的压力传感器,其灵敏度达到9.41 0-3k P a-1。池喆敏等1 8利用静电纺丝法和高温烧结法制备了锆钛酸铅纳米纤维(P Z-T N F s),将其与聚酰亚胺(P I)复合得到P I/P Z T N F s材料,制备出柔性压电传感器。当温度在2 02 5 0 内仍具有稳定的信号输出,在1N压力作用下,输出电压为0.5 2V,灵敏度达至1 9 8mV/N,有望应用于高温柔性传感领域。陈广州等1 9构筑了一种基于P V D F加入氧化石墨烯(GO)的柔性压电传感器。利用静电纺丝技术和热蒸镀法制备加入了质量分数0.5%GO后的P V D F/GO复合压电薄膜,在1 2 0N的压力作用下,“三明治”结构的柔性压电传感器灵敏度提升至4 3.1mV/N。1.4 柔性摩擦电型传感器柔性摩擦电型传感器基于摩擦起电的原理由上下2个电极和中间负责摩擦生电的材料构成,具有成本低、易制备和输出电压高的优点,还可制作自供能传感单元。柔性摩擦电型传感器历经基于薄膜式基底、纤维与织物基底结构发展而来,可通过与可穿戴设备结合监测人体运动。F a n等2 0报道可用于监测生理信号的摩擦电机制纺织品传感器阵列。其响应时间短(2 0m s),同时满足可洗涤需求。王跃2 1以MX e n e/T P U柔性电极为摩擦层制备了摩擦电型传感器,该方法制备的MX e n e/T P U电极具有良好的透气性。1.5 柔性光纤传感器柔性光纤传感器是利用光学性质通过光纤将外界物理量转变为光信号2 2-2 3。将光纤传感器应用于纺织服装,其能够代替人们从事特殊环境工作进行压力、温度等物理量测量。A b r o等2 7通过光纤布拉格光栅(F B G)传感器研制光纤布拉格光栅智能传感带,监测膝关节运动的姿势。隋丹丹等2 4对光纤传感器的微结构进行优化,提出倒凹槽结构的模型来提高柔性光纤传感 器的灵敏度,实现对压力 的 实 时 监 测。H a o等2 5结合了光纤光栅传感器和3 D打印技术,开发了一种智能鞋垫,其中光纤布拉格光栅是由锗硼加光敏硅纤维制作而成,鞋垫内的纤维布拉格光栅会随着足底压力的变化而变化,进而完成步态姿势的监测。R o-m a n o等2 6制备了可用于监测射箭运动员心率和呼吸频率的柔性纤维布拉格光栅传感器,根据身体运动变化对反馈的数据进行分析,实现了心跳和呼吸频率的监测,同时还提出优化弓箭手的传感器定位的方法。2 基于柔性传感器的智能服装应用2.1 基于柔性传感器在体育运动的智能服装A b r o等2 7开发了一种基于柔性传感技术的新型智能服装。通过将柔性传感器缝制在身体各关节部位,监测处于不同角度下身体关节的变化,在膝部和肘5 2 0 2 3年第6期 进展与述评 部的最小灵敏度可达0.9 4和0.8,感知静态姿势和动态中的屈曲角度,但存在的问题是该智能服装不能进行洗涤。针织物具有丰富的组织结构变化,可以更方便地实现服装智能化设计,其应变性能和结构组织适合人体运动的应用。L i等2 8研究了应用镀银导电纤维在高弹针织运动裤上直接制作柔性传感器。通过4.0蓝牙将测量数据传输到计算机,实现了对不同步态下腿部运动的状态监测,但是该研究缺乏运动多样性在传感区域相互之间的测试。温雯等2 9实现了智能跑步运动裤的基础原型制作。在人体下肢选取3个部位放置柔性传感器,通过采集的应变-电阻变化信号表征人体下肢运动状态。孟子征等3 0研制了两种规格的可监测呼吸的智能运动背心,以改性碳纳米管/聚氨酯(m-MWNT/P U)作为导电膜制备柔性应变传感器,并分析了影响智能背心的柔性传感器性能因素,确保对人体呼吸进行动态监测的数据准确,通过子母扣的连接方式实现智能背心设计制作。杨晓红等3 1运用D 2 0 2 7柔性压阻式压力传感器,设计了监测运动训练中身体部位压力分布的智能运动服。柔性压力传感器被嵌入服装中,当人体进行运动时传递出的信号通过特定线路、无线通信技术和数据处理系统被转换为显示设备上的数据,在满足服装功能性基础上实现了智能化应用。王侠3 2结合了膝关节健康监测的需求,主要基于织物基底使用编织结构的柔性压力传感器来研究智能运动裤设计。但未构成完整的检测系统,需进一步利用信号处理和无线技术,并且该研究中的柔性传感器并未完全贴合监测部位,试验结果存在一定程度的的误差。2.2 基于柔性传感器在医疗健康上的智能服装基于柔性传感技术的智能服装应用于医疗健康领域,有利于收集人体发射出的生理信号,如心率、呼吸、体温、血压等参数。实时评估个人的生理状况,适当预防一些身体不适的问题。周艺颖3 3设计了可用于胳膊动态监测的智能T恤和膝盖运动监测的智能紧身裤。分别制备了叉指型和三明治结构的2种柔性传感器,对2种结构的传感性能进行分析,将运用多孔MWNT/P U复合膜研制出三明治结构的柔性压阻传感器与服装集成,可用作监测人体的胳膊和腿部运动状态以及受伤人员肘关节和膝部康复训练阶段检测。何崟3 4制备了3种类型的柔性压阻传感器,利用m-MWNT/P U复合导电膜制作的柔性压阻传感器设计一种监测呼吸频率的智能背心,其余2种柔性压阻传感器分别用来制作了监测手部活动的智能手套和检测足部压力的智能鞋垫。Y u等3 5对儿童智能体温监测服的设计进行了探讨,通过嵌入不同类型的微型传感器,实现对微气候和体温、心律、血压等生理参数的监测。针织结构智能服装具有特殊的线圈结构,当织物在日常活动中发生形变时,很大程度上使得智能化纱线的性能不会因织物变形损坏,确保了智能服装的性能稳定3 6。F a n等2 0运用导电纱线和尼龙纱线编织而成柔性摩擦电型传感器与羊毛衫相结合组成智能针织服装。这种柔性摩擦电全织物传感器阵列(T AT S