紡織基柔性力學傳感器研究進展

田明偉， 李增慶， 盧韻靜， 朱士鳳， 張憲勝， 曲麗君

(1. 青島大學 紡織服裝學院， 山東 青島 266071； 2. 青島大學 纖維新材料與現代紡織重點實驗室培育基地， 山東 青島 266071)

近幾年，人工智能發展進入新階段。特別是在移動互聯網、大數據、超級計算、傳感網、腦科學等新理論新技術以及經濟社會發展強烈需求的共同驅動下，人工智能加速發展，呈現出深度學習、跨界融合、人機協同、群智開放、自主操控等新特征。圍繞教育、醫療、養老等迫切民生需求，加快人工智能創新應用為人工智能的發展重點，其中研發柔性可穿戴的生理監測系統是智能醫療、健康和養老的重要課題[1]。

紡織集合體具有多維多尺度結構、輕質低模量、高柔性及彈性、低成本及結構多元多維化、高親膚性等特點，在智能醫療、健康和養老的柔性智能可穿戴領域具有獨特優勢。與智能手環、智能眼鏡等可穿戴設備相比較，紡織基柔性智能可穿戴設備可與服裝無縫連接，實現一體化設計和應用。例如，智能可穿戴在養老醫療領域的應用設想[2]，智能服裝(E-textile)借助智能傳感器及大數據傳輸系統對老年人的健康進行實時監測和疾病預防，例如貼身的智能服裝(E-textile)等可檢測老人的體溫、心跳、脈搏、血壓、血糖等生命體征指標，智能床單可檢測老人睡眠時間、睡姿等信號，上述信號可實時反饋給社區醫院對老年人健康進行記錄、檢測和治療。

力學傳感器是一種可將特定力學信息(壓縮、彎曲、拉伸、扭轉等)按一定規律轉換成某種可用信號輸出的器件和裝置。一般由力學敏感元件、轉換元件、基本電路3部分組成。力學敏感元件感受力學信息后被測量，轉換元件將響應的被測量轉換成電參量，基本電路把電參量接入電路轉換成電量，輸出至顯示器、記錄設備或數據處理。

紡織基力學傳感器按照敏感元件的工作原理可分為電阻式傳感器和電容式傳感器；根據傳感器形態可分為一維纖維狀、二維織物狀傳感器；根據被測量的力學信號，傳感器可分為壓力式傳感器和應變傳感器。

本文根據不同的敏感元件綜述了電阻式傳感器和電容式傳感器的研究現狀，并對力學傳感器的線性度、遲滯性、重復性、閾值、靈敏度、穩定性等靜態特性進行分析和比較。結合近幾年在一維纖維狀、二維織物柔性力學傳感器在人體運動、體征檢測等領域的研究，對紡織基電阻式力學傳感器、電容式力學傳感器的構筑、性能及應用進行分類、綜述和分析，并對紡織基力學傳感器的發展進行了展望。

1 紡織基電阻式力學傳感器

電阻式傳感器是應用最廣泛的傳感器之一，紡織基柔性電阻式傳感器是一類以紡織品為基體的新型柔性電阻式傳感器，利用導電紡織品的壓阻效應制作成敏感元件，測量微小的力、力矩、壓力、加速度、質量等參數。靈敏系數(gauge factor)用于表征紡織基電阻式力學傳感器的靈敏度，由k0=ΔR/(Rε)可得，其中：ΔR/R為電阻變化量，ε為形變量。目前，紡織基電阻式力學傳感器主要形態結構為一維纖維狀、二維織物狀傳感器。

1.1 一維纖維狀電阻式力學傳感器

纖維狀電阻式傳感器因具有一維結構、柔性可編織等特點，在響應拉伸、彎曲、扭轉等運動信號時具有獨特優勢，可用于監測人體呼吸、脈搏、肢體運動等。具有優良傳感特性的纖維狀傳感器需同時具有高導電性、基體高彈性及高靈敏性等性能；導電功能化主要通過共混紡絲、表面接枝等方法將導電材料復合至纖維內部或表面，基體高彈性的實現通過選取彈性纖維或包芯高彈紗為基體，高靈敏性則通過特殊的加工技術以實現高靈敏系數、低響應時間等要求。

目前，用于纖維狀電阻式傳感器的導電纖維主要分為基體導電纖維和復合導電纖維2類。基體導電纖維主要以碳納米管、石墨烯等碳納米材料為原料，通過紡絲加工制備高導電性的纖維。研究人員以碳納米管陣列(CNT forest)為原料，通過牽伸加捻工藝制備碳納米管紗線并組裝成一維碳納米管呼吸傳感器，對微弱的氣流進行響應，可準確識別人體呼氣和吸氣的電阻變化差異，具有較高的信噪比[3]。同樣，以取向排列的碳納米管經加捻紡紗，所得碳納米管紗線沉積在100%預牽伸的高彈性硅膠基體上，預牽伸的硅膠基體可使碳納米管纖維緊密接觸，形成理想的導電通路；所制備的可穿戴碳納米管電阻式應變傳感器在大形變量(900%)時，仍可準確地檢測人體活動生理信號[4]。此外，石墨烯中空纖維也用于電阻式應變傳感器[5]，以銅絲為模板通過氣相沉積法在銅絲表面生長石墨烯納米層，經由蝕刻將銅絲去除后獲得石墨烯中空纖維，再在石墨烯中空纖維表面涂層聚乙烯醇皮層，所制備皮芯結構的石墨烯復合纖維具有理想的伸長率(16%)和電導率(9.6×103S/m)。所組裝的電阻式應變傳感器體現出理想的彎曲和拉伸傳感特性，應變靈敏系數為5.02。

復合導電纖維類主要是以長絲、單紗、股線和包芯紗等一維纖維紡織品為基體，通過共混紡絲、化學接枝、自組裝等方法將各類導電材料復合到纖維內部和表面而制成的導電纖維。目前，用于纖維狀電阻式傳感器的導電材料主要有碳納米材料、金屬納米材料和聚合物導電材料3大類。

通過共混紡絲制備的導電纖維具有導電性能穩定、耐水洗、可紡織加工性強等優點。彈性纖維(聚氨酯類、苯乙烯類)是傳感器的理想基體，例如，研究人員以苯乙烯類熱塑性彈性體(SBS)和銀納米線共混紡絲液經濕法紡絲制備導電纖維[6]，再經化學原位法在纖維表面生產銀納米顆粒，制備高電導率的導電纖維(2 450 S/cm)，應變檢測最大伸長率達220%。所組裝的纖維狀電阻式應變傳感器縫制在手套中可檢測每個手指的彎曲信號，可應用于機器人、健康檢測和可穿戴智能服裝。此外，以聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)為彈性基體，少片層石墨烯微片為導電功能材料，通過濕法紡絲制備低比例石墨烯/聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)復合導電纖維(0.1 S/m)，所制備的彈性電阻式應力傳感器具有廣泛的應變測試范圍(可達110%)，伸長率50%和100%所對應的靈敏系數分別為160和2 546[7]。另外，聚氨酯也作為彈性基體應用于傳感器，以聚氨酯為基體，聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT∶PSS)為導電相，通過濕法紡絲制備了PEDOT∶PSS/聚氨酯復合導電纖維，導電滲流閾值為2.9%(電導率0.07 S/cm)，PEDOT∶PSS最高含量為25%，電導率達25 S/cm，該彈性導電纖維在伸長率低于100%時體現出理想的拉伸變形響應[8]。通過濕法紡絲所制備的復合導電纖維中基體與導電材料的位置已相對固定，對低形變量的傳感響應比較靈敏，但對大形變量(大于100%)的響應會由于導電通路的斷裂而無法準確感知，而且導電纖維中導電材料含量通常較高，影響纖維的整體力學性能。

將導電材料通過表面接枝、原位聚合及涂層等復合至纖維表面也是導電纖維常用的制備途徑，具有快速、簡便、結構可控等特點。研究人員采用快速、低成本的邁耶棒涂層法在蠶絲表面涂層超薄石墨片以制備導電蠶絲纖維并組裝為纖維狀電阻式應變傳感器，其應變靈敏系數為14.5，工作伸長率和循環次數分別可達15%和3 000次[9]。以滌綸長絲為基體[10]，在表面原位聚合聚噻吩導電聚合物而制備導電纖維，并在面料上縫紉成曲折和直線2種結構，體現出較靈敏的力學響應特性(靈敏系數約為1)，所組裝的用戶接口UI設備可響應手指的彎曲運動而識別手語。此外，通過熔融靜電紡絲法制備了連續的束狀彈性POE納米纖維[11]，通過浸漬法將導電銀納米線在濃度梯度和毛細管張力的梯度下滲入到納米纖維之間，構筑導電銀納米線/POE 納米纖維束。經組裝的電阻式應變傳感器的工作應變范圍為0～64%，靈敏系數最高可達13 920，可響應的最小應變為0.065%，發生應變和撤除應變的響應時間分別為10和15 ms。氨綸包芯紗因其高彈性及穩定性等優點在纖維狀應力傳感器領域受到廣泛關注，Li等[12]制備了一種新型電阻式應力傳感器包芯紗線，由普通氨綸長絲束為芯層，石墨烯/聚乙烯醇為導電皮層，通過層層自組裝技術制備而成，該結構可增強傳感器的感應特性，靈敏系數可達86.86，線性修正系數為0.97，可重復性誤差僅為2.03%，低遲滯性9.08%。此外，以滌綸/氨綸包芯紗為基體[13]，研究人員在其表面等離子處理后接枝氧化石墨烯以制備纖維狀應變傳感器，因高彈性、皮層滌綸固定加捻方向等特點對拉伸、彎曲、扭轉等動作體現出高靈敏度響應，拉伸變形的檢測分辨率為0.2%，拉伸最大值可達100%，信號響應時間小于100 ms，可重復10 000次以上。

上述表面處理的導電纖維拉伸變形響應的最大范圍均不超過100%，在測量大形變時受到限制。彈性基體的預牽伸處理可以將響應范圍擴大，且對應變具有一定的選擇性和設計性。例如，利用毛筆將銀納米線涂覆于預牽伸的氨綸纖維表面[14]，氨綸回復后表面呈現出多尺度褶皺狀微結構，銀納米線褶皺結構的高度為1.7 μm、長度為2.6 μm，皮芯結構紗線具有理想電導率(1.0×104～1.0×105S/cm)、伸長率(400%)和耐久性(1 200 s超聲水洗處理)。所組裝的電阻式應變傳感器的壓縮靈敏度和彎曲靈敏度分別為0.12 kPa-1和0.012 rad-1，快速的響應和回復時間(35、15 ms)，較低的質量閾值(10 mg)和可重復性(大于4 000次)。此外，可穿戴設備中除傳感器外，其他柔性電子器件既要具有理想的變形能力又要在形變時電阻仍保持穩定以保證信號的準確傳輸。Liu等[15]在Science報道，以預牽伸的橡膠纖維(預牽伸1 400%)為芯紗、碳納米管為皮層制備了分層緊扣的皮芯復合纖維，所制備的超彈性電子器件形變量達到1 000%時電阻變化不超過5%，體現出優異的電阻穩定性。

1.2 二維織物狀電阻式力學傳感器

織物電阻式力學傳感器可檢測二維平面的形變，檢測范圍和應用更為廣泛，針織結構因具有高彈和高回復性等特點，在紡織基傳感器領域有廣泛研究。例如，研究人員將炭黑和聚偏氟乙烯涂敷于針織物表面以制備高重復性和低遲滯性的脈搏監測傳感器，其壓力響應誤差低于2%，遲滯回線偏差小于10%[16-17]。另外，以針織物為基體，研究人員通過表面浸漬及原位生長法在滌綸纖維表面生成納米銀粒子，分析了在應變條件下針織物線圈結構對導電通路的影響，構建電阻式應變傳感器用于檢測人體各種運動狀態[18]。此外，以PEDOT∶PSS為導電相，聚氨酯為彈性基體[19]，通過濕法紡絲制備導電彈性纖維(25 S/m)，纖維伸長率至260%時纖維變為絕緣體說明達到其應變響應極限。通過針織加工制備針織彈性結構的電阻式應變傳感器，不同的針織結構表現出不同的響應靈敏度和耐久性，靈敏度最高可達1。進一步，研究人員以尼龍/氨綸彈力針織物為基體[20]，表面涂覆氧化石墨烯并還原為導電彈性織物，測試了其應力應變傳感特性，所組裝的電阻式應力傳感器的靈敏系數為18.5，可檢測手腕旋轉、手指彎曲等小形變人體運動。

機織、非織造、靜電紡納米膜結構在傳感器領域也有研究。例如，以滌綸機織物為原料，利用噴涂輔助技術將碳納米管/石墨烯雜化碳材料沉積在機織物表面，再原位生長氧化鋅納米線，并組裝成彎曲應力電阻式傳感器，結果表明，紡織基傳感器的靈敏系數(7.64)優于平面薄膜基傳感器[21]。研究人員[22]制備了同步檢測壓力/拉伸運動的電阻式傳感器，可監測人體運動和生命體征并以二維力學圖顯示，以氨綸編織的彈力繩為原料，在其表面原位生成銀納米顆粒后，再在其表面涂覆絕緣彈性體。彈力繩交織形成的二維機織物可檢測人體頸部扭轉、手指彎曲、脈搏等。此外，采用簡單的浸漬涂敷法在無紡布表面沉積氧化石墨烯，經還原制備導電石墨烯無紡布，試樣的最小電阻值為600 Ω。對組裝電阻式傳感器的拉伸、彎曲和壓縮傳感特性進行測試，其應變靈敏系數為7.1，最高靈敏度為0.057 kPa-1，并測試了其檢測手指、肘、膝蓋等大形變響應和脈搏、心跳等微形變響應[23]。進一步，采用靜電紡絲制備大批量聚氨酯納米纖維膜，通過溶液涂層技術在納米膜表面沉積PEDOT導電材料，制備具有高導電性能(30～200 S/m)的納米膜，所組裝的電阻式應變傳感器具有理想的耐久性和靈敏度[24]。研究人員以不同組織結構的蠶絲織物為模板，構筑具有不同微結構的PDMS膜，降低了生產成本和加工工藝。在PDMS膜上沉積單壁碳納米管進一步提高其傳感性能，靈敏度達到1.80 kPa-1、最小壓力檢測限低至0.6 Pa、響應時間小于10 ms、循環穩定性超過67 500圈。該傳感器可準確地監測螞蟻和蜜蜂等小昆蟲重量、人發出不同單詞時的聲帶振動以及正常人和孕婦的脈搏[25]。

天然織物經高溫熱裂解碳化后呈現導電特性，再經封裝后組裝成柔性電阻式傳感器。Wang等[26]通過高溫熱裂解法對蠶絲織物進行碳化后再進行封裝即可制得柔性電阻式傳感器。該傳感器兼具寬應變檢測范圍(0～500%)，在0～250%和250%～500%應變范圍內靈敏系數分別達9.6和37.5，且響應時間小于70 ms，循環性和耐用性能極佳。將該傳感器貼服于人體皮膚或交織在服裝上可實現對人體關節運動(比如慢跑、跳躍等)、脈搏、微表情、呼吸、聲帶發聲等微弱運動的可穿戴式檢測。棉織物[27-28]、人造纖維織物[29]等紡織品也經相似的方法制備了柔性傳感器，為柔性可穿戴傳感器的低成本、大規模制備提供了一條實用的途徑。

2 紡織基電容式力學傳感器

電容式傳感器是一個具有可變參量的電容器，將被測非電量變化成為電容量。紡織基電容式力學傳感器通常是變極距型電容式傳感器，與電阻式傳感器相比，在壓力傳感器中具有動態響應特性好、可重復性強等特點。

2.1 一維纖維狀電容式傳感器

纖維狀電容式傳感器通常由2個電極及電介質夾層構成。例如，以正方形截面的硅膠作為電介質芯層，其對稱兩側面生長碳納米管層，制備一維纖維狀電容式應變傳感器[30]。該傳感器拉伸200%時其比電容變化率達115.7%，該纖維狀傳感器加捻至1 700 r/m，其比電容變化率為26%，可作為扭轉傳感器檢測尼龍人工肌肉的扭轉運動。目前，纖維狀電容式傳感器的構建主要以高導電纖維為基體，表面涂層聚合物電介質(硅膠、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯)后十字交叉組裝成電容式壓力傳感器[31]。

十字交叉纖維狀電容式壓力傳感器用的纖維基體、導電材料、電介質及其組裝方法成為研究熱點[32-34]。例如，以2層交織的碳納米管紗線為電極，硅膠為電介質制備了柔性的全碳電容式壓力傳感器織物[35]。該傳感器可彎折、扭轉和拉伸，其低壓和高壓的敏感度分別為0.034 kPa-1和0.5 MPa-1。此外，以芳綸纖維為基體[31]，采用原位生成法沉積銀納米顆粒后纖維具有理想的導電性(0.001 5 S/m)，在界面橡膠的作用下銀納米顆粒具有牢固的界面結合力，3 000次彎曲測試后電阻保持穩定性。2根導電纖維十字交叉后經由PDMS封裝后制備電容式壓力傳感器，在低壓范圍內其最高靈敏度為0.21 kPa-1，響應時間小于10 ms，將該傳感器縫制至服裝中可實現人機交互作用和感應。PDMS[36]可用于組裝導電纖維十字交叉電容式壓力傳感器，將葡萄糖加入PDMS封裝體中再經水洗去除，獲得了具有多孔結構的PDMS電介質結構，傳感器體現出理想的靈敏度和穩定性。Liu等[15]在Science報道，以預牽伸的橡膠纖維(預牽伸1400%)為芯紗、碳納米管為皮層，經循環組裝制備了碳納米管/橡膠/碳納米管/橡膠纖維的多層緊扣的電容式應變傳感器，傳感器形變量950%時比電容數值線性增長至860%，為目前報道中最高的比電容變化值，而且體現出優異的無滯后性和穩定性。以棉纖維為基體采用浸漬涂敷法[37]沉積銀納米線，在氫鍵作用下銀納米線牢固沉積于棉纖維表面，具有理想的導電性(1.0×10-6～1.0×10-7S/m)和耐水洗性(水洗1 500 min)。導電棉纖維十字交叉組裝成電容式壓力傳感器，具有理想的靈敏系數(3.4 kPa-1)、快速地響應和釋放時間(小于50 ms)和耐久性(大于5 000次)。

2.2 二維織物電容式傳感器

由導電織物和夾層電介質構成的電容式傳感器是一種新型的傳感器結構，具有成形加工容易、形狀任意設計等特點。研究人員構建了5層織物結構的電容式[38]，其中兩層鎳/銅涂層機織物為導電電極，3層熱熔機織物將導電織物間隔以形成電容結構，安裝于人體腹部以檢測呼吸。導電硅膠[39]作為電極，炭黑/硅膠作為電介質組裝成電容式壓力傳感器并印刷至織物表面，用于實時檢測鞋底應力變化，具有理想的靈敏度(0.025 36 kPa-1)和動態響應時間(89 ms)。同時，以導電銀纖維針織物為電極和有機硅彈性體為電介質[40]，由激光切割確定織物結構，以制備高度可拉伸的紡織-硅膠電容傳感器。該電容式傳感器由導電編織織物作為電極，有機硅彈性體作為電介質，通過將同軸電纜的導線與熱塑性薄膜傳感器封裝連接，具有高線性度，低遲滯性等特點，還可集成在重建手套上用于監控手指運動。該團隊[41]將有機硅彈性體部分設計成微多孔結構，進一步提高電容傳感器的靈敏度。

3 織物組合設計的力學傳感器

由于織物具有可任意組合、層疊、拼接等特點，使紡織基傳感器的組裝具有更廣闊的思路和理念。在電阻式、電容式傳感器的基礎上，基于織物組合設計理念也研發出一些新型柔性傳感器。根據“動態橋接理論”[42]制備了高靈敏度的雙層棉織物傳感器。2層棉織物分別由銀納米線和氧化石墨烯處理后疊加制備雙層導電棉織物傳感器，雙層結構賦予傳感器高靈敏度、低相應時間、高循環性等優點。雙股加捻碳納米管導電棉紗[43]用于柔性壓力傳感檢測，實驗以棉紗線為基體，采用溶液浸漬法在一股棉紗表面沉積均勻碳納米管導電層用于檢查壓力的強度，另一根棉紗表面沉積階梯狀厚度的碳納米管導電層用于檢測施加壓力的位置。雙股加捻棉紗可組裝成一維、二維和三維的電阻式壓力傳感器，體現出色的靈敏度(0.015 6 kPa-1)和循環性。此外，研究人員制備了三明治結構的柔性傳感器組成[44]，其中第1層為滌綸織物表面經化學生長的團化鎳薄膜，第2層為碳納米管沉積織物，第3層為封裝層。紡織結構壓力傳感器具有高靈敏度(14.4 kPa-1)、低檢測下限(2 Pa)、快速響應(24 ms)、低能耗(6 μW)等特點。Lai等[45]設計了空氣夾層的壓力傳感器，下層為嵌有導電紗線的紡織面料，上層為表面沉積銀納米線的彈性體，2層間空氣夾層作為電介質，該結構的傳感器具有高靈敏度和低響應下限。

4 結束語

紡織基柔性力學傳感器因其結構可變化性、組合可設計性等特點在智能可穿戴領域具有很大的應用潛力，高導電性、高彈性及回復性、高靈敏性和耐久性是紡織基柔性力學傳感器的重要指標。導電纖維是智能可穿戴設備的基礎關鍵材料，即要在傳感器中體現出靈敏的應變響應特性，又要在導電線路中保持電阻一致以保證信號傳輸的穩定性。紡織基體的高彈性及回復性是力學傳感器耐久性的重要指標，高彈纖維的成形及紡織結構的優化設計是關鍵。高靈敏性主要通過纖維、織物的結構設計進一步提高，非對稱結構纖維、多層異形結構織物的復合等方式是高靈敏性紡織基傳感器的研究方向。

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