可穿戴技術在紡織服裝中的應用研究進展

孫 悅， 范 杰， 王 亮， 劉 雍,2

(1. 天津工業大學 紡織科學與工程學院， 天津 300387； 2. 高性能纖維及紡織復合材料制備技術國家地方聯合工程研究中心， 天津 300387)

可穿戴設備主要指可直接穿戴在人身上的電子設備，是可以整合到衣服中或類似服裝的電子產品[1]。可穿戴技術通過融合材料技術和信息技術，結合大數據平臺、移動互聯網對人體相關信息進行收集、處理和反饋，成為新的數據流量入口，因此，可穿戴設備勢必成為移動互聯網時代的新寵。自2014年開始，隨著硬件熱潮、并購熱潮以及投資熱潮的出現，IT、科技巨頭紛紛推出可穿戴產品，在行業內掀起了一場可穿戴熱潮；在之后的全球移動通信大會上，可穿戴設備再次成為媒體聚焦的重點。可穿戴硬件設備的柔性化、可穿戴設備與服裝的集成已成為21世紀科技公司和學術研究的熱點領域之一。如2016年谷歌公司I/O開發者大會上，谷歌聯合Levi′s推出了一款智能夾克——Project Jacquard。2017年，美國專利商標局公布了蘋果公司的3種智能織物發明專利：可識別觸摸手勢的觸敏紡織裝置、具有嵌入式輸入輸出設備的3D織物結構、具有嵌入式電子元件的織物。可以看出，現在的服裝不僅具有保護人體、維持熱平衡、時尚美觀等基本功能，且能夠實現信息傳遞、娛樂通信、監測健康等特定功能[2]，增加了服裝的功能性、時尚性和科技含量。可穿戴設備與服裝的融合可為人類提供更為便利的智能服務[3]，尤其是在醫療保健、運動健身和休閑娛樂等領域具有廣闊的應用前景。

然而，目前市場上存在的可穿戴產品絕大部分以“戴”為主，而“穿”的產品屈指可數。以智能手環、手表、眼鏡為主流的可穿戴設備并不是收集數據、傳遞信息的最佳選擇，也不是放置傳感器的最佳位置。與之相比，服裝作為消費者的剛性需求，具有柔軟、舒適、可折疊、長期穿著等無可比擬的優勢，更易被消費者所接受。目前，可穿戴設備與服裝的整合正處于起步階段，沒有明確的標準對其進行評價。此外，在紡織服裝領域中，對可穿戴設備發展的相關文獻報道較少。本文對可穿戴技術在紡織服裝領域的發展進行系統敘述，對柔性電子常用的功能性材料和服裝中的主要柔性設備進行分類，力圖全面展現基于紡織服裝可穿戴設備的研究現狀和最新進展，以期在智能紡織服裝的創新發展中，推動智能服裝成為新一代的可穿戴設備，為可穿戴科技產品注入新鮮血液，并帶動傳統紡織服裝行業的轉型升級。

1 可穿戴設備在紡織服裝上的應用

可穿戴設備與紡織服裝的結合始于20世紀70年代末，當時的電子產品體積大且功能單一，而紡織品只是作為特殊的載體來安裝電子器件(如可穿戴的計算機)用于醫療、軍事和航空航天等特殊領域[4]。之后，可穿戴設備處于發展階段，產品相繼出現提升了公眾的認知。1997年，第1套穿戴式電子服裝是由飛利浦服裝設計公司、電子研發公司以及Levi′s公司共同研發的系列電子服裝，包含娛樂和通信功能[4]。隨著新型有機材料、芯片高度集成化以及柔性電子技術的發展，電子元件趨于微型化、柔性化，加速了服裝與電子產品的融合。2004年，Starlab研制的真正用于日常穿著的男士智能化襯衫問世；2009年，美國MIT媒體技術實驗室開發的可接入互聯網系統的服裝標志著一個全新的電子紡織時代的到來[5]。

2012年以來，可穿戴設備隨著移動網絡的快速發展而呈現出爆發式增長，出現了一系列以智能手環、智能手表、智能眼鏡以及智能跑鞋等為主的可穿戴產品，具有實時監測人體的各項生理參數、運動指標、通信和定位等功能。2014年Mimo推出了1款嬰兒連體衣，通過安裝在服裝表面的感應器來監測嬰兒的呼吸[6]。2016年，利用虛擬現實技術開發出VR眼鏡和VR頭盔等設備。這些可穿戴設備大都以佩戴為主。在可穿戴智能服裝中，大部分電子器件都進行了硬殼保護，為穿著舒適性和可機洗性帶來一定的問題。為使電子設備與紡織品更易結合，紡織服裝行業和電子產業正積極尋求解決辦法，谷歌與Levi′s公司合作，利用導電紗線制成電容式觸控感測器連接織物控制器[7]，再與服裝面料融合，利用織物來控制移動設備，開辟了可穿戴全新的交換方式。

總而言之，利用功能性材料通過紡織服裝加工的方式生產具有電子性能的柔性器件，使二者在保持自身特有的功能下完美融合，是未來智能可穿戴發展的重要趨勢。

2 柔性可穿戴設備、材料與制備工藝

一般來說，柔性可穿戴設備的發展大致經歷了3個階段：剛性化—柔性化—智能化，未來必將朝著信息精準化方向邁進。一種新材料的出現往往都會產生新一代器件及其相應的制作工藝。例如，半導體硅材料的出現決定了傳統微電子采用硬質硅基板或平面玻璃，而要制造這些固態電子設備又使光刻技術得以發展[8]。20世紀60年代對有機材料電學性能的研究以及導電聚合物的相繼發現，柔性基材取代傳統的剛性基板，溶液化工藝取代光刻工藝，提高了生產效率，降低了制造成本，極大地推動了柔性電子的發展。

對于電子智能紡織品而言，除具備柔韌性和可機洗外，還要滿足信號傳輸等要求，因此，人們越來越重視導電纖維的開發和應用。智能紡織品所用的導電纖維主要分為2種：直接導電和經后處理得到的導電纖維[9]。一般而言，直接導電的纖維有拉絲、切削獲得的金屬纖維和導電高分子材料直接紡絲形成導電高分子纖維。然而，金屬纖維手感較差，通常需要與普通纖維進行混紡制備導電織物。另一種通過后處理可得到導電纖維，如噴涂導電涂層、纖維表面吸附導電物質、摻雜碳黑、金屬化合物與成纖物質混合紡絲獲得導電纖維。導電纖維的研制極大地推動了可穿戴設備與服裝面料的融合，但在使用過程中仍需考慮導電纖維的力學強度和耐水洗等性能。

可穿戴設備的柔性化和智能化需要柔性基底為依托。目前，主要利用纖維、紗線、織物、聚合物薄膜和導電涂層等柔性材料來制備柔性可穿戴電子設備。表1示出制備柔性可穿戴基材常用的材料和制作方法。可以看出，涂層和摻雜是目前獲得功能性材料的主要方法。尤其是將低維納米材料摻雜在聚合物中獲得復合材料可彌補單一材料的不足，能夠顯著提高材料的綜合性能，因此，被廣泛用于柔性電子器件的制作。利用編織、刺繡、組合等方法對柔性基材進行結構設計獲得所需性能的電子元件，借助紡織工藝集成到服裝中[10]，然后通過無線通信技術與軟件建立聯系，實現數據傳輸與信息處理等功能。

表1 制備柔性基材常用材料和方法Tab.1 Common materials and methods for preparing flexible substrates

通過上述方法制備的柔性材料，雖然在一定程度上改善了剛性器件的不足，但用于日常可穿戴服裝中仍需要解決材料自身存在的問題，表2概括了纖維、膜和涂層在開發可穿戴設備中的優缺點。

表2 可穿戴傳感器柔性化的比較Tab.2 Comparison of wearable sensor flexibility

3 柔性可穿戴設備的類型

可穿戴設備目前尚沒有統一的分類標準[11]，根據利用紡織品等柔性材料制成的可穿戴設備進行分類，主要可分為信號感測、收集與數據傳輸裝置，自供電、能量收集與管理裝置，紡織天線3種典型柔性可穿戴設備。

3.1 信號感測、收集與數據傳輸裝置

3.1.1傳感器

傳感器可通過將生理或環境信號轉換成電信號來提供用戶和電子系統之間的接口[12]。適用于可穿戴設備的傳感器主要有生物傳感器、動作傳感器和環境傳感器3大類，且這些傳感器存在剛性和柔性之分。由于技術成熟、工藝水平完善，剛性傳感器成為可穿戴設備中最主要的形式[13]。雖然這類傳感器具有良好的電學性能，但存在強度大、不易彎曲等缺點，很難在復雜表面進行檢測，限制了其應用范圍。柔性電子技術推動了可穿戴傳感器柔性化的進程。目前，使用功能紗線或織物直接織制具有優良電性能的元件一直是紡織業和電子行業努力追求的目標。

新材料的出現推動新設備的研發。20世紀70年代末，金屬纖維被廣泛應用于紡織行業，因其良好的導電性和可彎曲性，與紡織纖維包纏獲得新型金屬復合紗線開發觸摸傳感器[14]，明顯改善了傳感器的柔軟度，但金屬纖維易斷裂。之后有機材料、薄膜技術和納米材料的發展，促使出現了一系列具有電性能的紗線、織物和薄膜。利用材料特性、結構設計，以紡織材料為基材制備不同類型的傳感器是當前的研究趨勢：如利用碳納米管在拉伸變形時電阻變化的特性制備應變傳感器；利用聚偏二氟乙烯的壓電性來制備壓電傳感器以及“三明治”結構的電容傳感器。然而，大多數報道的柔性傳感器仍處于實驗室研發階段，雖然具有監測運動、心率、呼吸等特殊功能，但真正產業化的設備寥寥無幾。

基于傳統紡織材料，通過溶液化工藝和特殊的結構設計是制備高靈敏度柔性可穿戴傳感器的有效方法[15-17]。圖1示出電容式壓力傳感器的典型制備過程，包含聚合物涂層、浸漬/摻雜、紡織結構設計等方法。Lee等[18]在氨綸纖維表面涂覆聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)(SBS)，然后放在含Ag+溶液中浸漬并將其還原轉化成銀納米顆粒，最后涂覆聚二甲基硅氧烷(PDMS)獲得高靈敏度、優異耐久性、快速響應和松弛時間的高導電纖維，并將其彼此垂直堆疊制造電容式紡織壓力傳感器。除使用功能性纖維外，還可在柔性聚合物基底上通過紡織工藝與服裝結合制備電子元件。在織物表面直接進行圖案化處理也是近年來制備傳感器廣泛應用的方法。通常利用石墨烯、碳納米管、銀納米線、導電碳黑以及2種物質混合制成的導電涂料，或織物上沉積石墨烯氧化物(GO)、ZnO納米結構、導電銀膠等物質開發高靈敏度柔性傳感器[19-20]。雖然，在此基礎上已開發了電容、壓阻、壓電、光電、電化學和濕度等多種操作類型的傳感器，然而，織物與材料間的黏附性以及設備的水洗穩定性仍需進一步的研究。

圖1 電容式壓力傳感器制作示意圖及實物照片Fig.1 Schematic illustration and picture of fabrication of capacitive pressure sensor. (a) Manufacture of conductive fiber; (b) Pressure sensor manufacturing; (c) Pressure sensor on a PET substrate; (d) Picture of pressure sensor

3.1.2電極

服裝中使用電極主要用來采集與人體有關的生物電信號。早期粘貼式Ag/AgCl濕電極[21]克服了剛性電極的不足，可快速適應身體形狀從而減少運動偽影，更好地接觸皮膚降低界面阻抗，由于其較低的成本和良好的性能而被廣泛使用[22]。然而，電極中的凝膠不但會對皮膚產生刺激，還可隨時間脫水造成信號降解，不利于心電信號的長期監測。而織物干電極由于具備柔軟、舒適、透氣和實時采集[21]等優勢，不需要配合導電膏和皮膚，可直接用來測量生物電勢信號，因此，成為最具競爭力的研究對象。根據電極和皮膚之間的耦合方式將干電極分為表面電極、穿透電極和電容電極3類[23]。

織物干電極分機織、針織和非織造結構[21]，其中非織造材料具有良好的力學性能和低制造成本，因此，廣泛用來開發織物電極。通常，在非織造織物上沉積金屬薄膜、導電復合材料、導電涂料或導電紗線刺繡制作紡織電極[24-25]。Murat等[26]在丙烯基彈性體熔噴非織造布上，通過絲網印刷Ag/AgCl導電油墨來制造多層結構干電極，用于心電圖(ECG)監測，如圖2所示。采用聚合物、3D打印[27]制作的微針電極逐漸代替了硅和金屬微針電極，該微針陣列電極以相對低的壓縮力插入皮膚中，并且在電極和皮膚之間保持穩定的接觸阻抗，可記錄形狀和振幅具有良好保真度的肌電圖(EMG)、ECG和腦電圖(EEG)信號，有利于生物信號收集[28]。但需要進一步研究可用于長期監測的電極的皮膚生物相容性、力學和電學穩定性等性能[23]。關于電容電極的開發相對較少，仍有極 大的研究發展空間。

圖2 多層結構干電極示意圖Fig.2 Schematic illustration of multilayer tructure dry electrode

3.2 能量收集與管理裝置

3.2.1電池

由于需要進行電信號處理，電池一般是可穿戴設備的重要部件。目前，大部分可穿戴設備安裝的均為質量輕、形狀和尺寸多變的鋰聚合物電池。電池的續航能力短、制作成本較高等問題制約了可穿戴設備的發展。針對服裝中的柔性可穿戴設備，克服傳統電池不能彎曲的剛性特征，一系列柔性電池被開發利用。目前，主要采用碳納米管、石墨烯、導電聚合物、碳紙/碳纖維布和導電紙/導電織物制作柔性電極，使用傳統液態和柔性固態電解質，通過打印、噴涂、沉積、層壓、紡織等工藝開發可變形柔性電池[29]。圖3示出通過水熱處理方法在鈦箔表面生成纖維狀的鈦酸鋰為負極，錳酸鋰為正極，制備的具有優異彎曲性能的柔性疊層結構電池[30]。

圖3 柔性疊層結構電池照片Fig.3 Photograph of flexible battery with layered structure

LG公司開發了一款具有極佳彎曲和扭轉能力的電纜型電池，在PET無紡隔膜組裝成的空心結構中灌注電解液，以螺旋型的Ni-Sn合金為負極，鋁箔-鈷酸鋰(LCO)為正極的新型電池[31]，如圖4所示。此外，為克服鋰離子電池的容量和能量密度問題，開發了Li-S電池、太陽能電池和燃料等柔性電池[32]。

圖4 螺旋形金屬線負極的空心電纜鋰離子電池Fig.4 Cable-shaped Li-ion batteries based on hollow-spiral anode metal materials. (a) Schematic of Li-ion batteries; (b)Photography of Li-ion batteries

3.2.2自供電設備

能量采集和自供電設備是指可利用光、風、熱能、呼吸能以及人體運動等各種能量，將其轉化為電能或為可穿戴電子設備提供持續供電的裝置[33]。若將太陽能、熱能和動能等清潔能源收集轉化成電能以隨時為電子設備充電，則通常需要將能量轉換部件與能量存儲部件結合起來使用。Thomas等[34]研制出可同時吸收和儲存太陽能的服裝，用紗線將由太陽能電池板和超級電容器組成的銅帶編織在一起，嵌入到服裝中從而實現可穿戴，這種自供電設備避免了因蓄電池體積大、不易攜帶造成充電困難的問題。除上述這種能量采集方式外，利用風能、蒸汽、熱電等能量轉換部件與二次電池、超級電容器等能量存儲部件聯合使用的自供電系統為柔性可穿戴設備提供了新的思路和途徑，有望取得突破性進展。如利用溫差發電的可穿戴設備——熱電發電機，可將熱能直接轉化成電能[35]。目前，摻雜Bi2Te3的合金在熱電中處于主導地位[36]，為減少熱電材料和互連線材料的電/熱損失，人們致力于開發導熱系數低的熱電材料和低電阻的連接線，并已研究出采用柔性導電聚合物和印刷導電圖案來提高熱電發電機輸出功率的熱電發電機[37]。此外，電阻很低的EGaln液態金屬互連線已問世，將用于連接溫差電元件[38]，為制備性能更高的柔性可穿戴熱電發電機提供了可能。但是另一方面，目前柔性電熱自供電設備的輸出效率遠低于剛性電熱設備，制約了柔性熱電材料與器件的發展。

近年來，由于摩擦電納米發生裝置(TENG)易于制造且在機械能采集和自供電傳感方面性能優異，因此，被廣泛研究[39]。利用2種不同材料間因外力導致接觸面積的變化使各自帶有相反的電荷(通常金屬涂層帶正電和聚合物帶負電)或利用織物上生長氧化鋅納米線/納米棒壓電材料受力變化從而產生電流[40-41]，通過編織、組合制成柔性電子裝置并整合到服裝上。圖5示出聚對二甲苯/鎳/聚酯摩擦電納米發生裝置制作示意圖。盡管近幾年許多研究報道了基于聚合物和金屬薄膜的柔性可穿戴摩擦電納米發生裝置，但有機柔性襯底存在不耐高溫、穩定性和透氣性較差等缺點，仍迫切需要開發輕質、柔軟、透氣、可洗滌、可拉伸的紡織摩擦電納米發電裝置[42]。將能量轉換裝置與超級電容器等能量存儲裝置聯合集成到服裝面料中，為可穿戴電子設備持續供電開辟了一條新途徑。

圖5 聚對二甲苯/鎳/聚酯摩擦電納米發生裝置示意圖Fig.5 Schematic illustration of Parylene/Ni/Polyester triboelectric nanogenerators

3.2.3超級電容器

超級電容器作為一種新型儲能裝置，其作用類似于電池，具有充電時間短、使用壽命長、可多次充放電、綠色環保等特點。超級電容器常用的電極材料主要有碳材料、金屬氧化物和導電聚合物，提高電極材料的比表面積、導電性能及孔徑是提高超級電容器的質量比電容和能量密度的關鍵[43]。現已用碳納米管和聚吡咯納米線與柔性紡織纖維復合制備出纖維狀柔性超級電容器[44]，可通過絲網印刷技術直接在紡織品上打印出超級電容器。此外，將超級電容器與能量收集裝置結合，制造出既能產生電能又能儲存電能的織物狀電子元件[45]，如圖6所示。

圖6 基于柔性紗線超級電容器和TENG織物的可穿戴自充電服裝Fig.6 Wearable self-charging clothing based on flexible yarn supercapacitor and fabric TENG.(a) Schematic of yarn supercapacitor; (b) Schematic of textile TENG; (c) Schematic of self-charging clothing

3.3 紡織天線

天線是能夠將傳輸線上傳輸的導行波變換成在自由空間中傳播的電磁波，或者進行相反變換的一種變換器，是用來發射或接收電磁波的裝置。通過織物來實現人體無線通信網絡是未來無線通信的重要發展方向之一[46]，微帶天線因其具有薄剖面、體積小、質量輕和易于共形等優點易實現多頻帶、圓極化等形式，是可穿戴天線中研究最多的一類[47]。輻射貼片是紡織天線中最核心的部件，通過前面制作導電材料的方法可制備性能不同的輻射單元。貼片和接地板使用的導電材料通常是銅箔、銅、鎳、銀金屬涂層、導電銀或銅墨、導電聚合物以及其復合材料等[48-49]；而介質板即紡織天線的基底使用介電常數低的柔性紡織品[50]。為使天線充分發揮自身的輻射作用，可將貼片設計成不同的形狀，如方形、圓形、矩形、橢圓、三角形以及開槽貼片等。紡織天線大都以提高帶寬和增益為目的進行設計，兼顧質量輕、便攜化、小型化、柔性化等外觀特性，廣泛應用于工業、科學、醫療等領域的通信或監測系統。

4 總結與展望

未來的可穿戴設備與服裝融合發展是必然趨勢。如今，智能服裝通過與手機APP、藍牙設備及其他無線通信設備結合，實現了可穿戴設備的智能化，廣泛應用于醫療監護和運動健身等領域。但可穿戴設備存在電池續航能力差、產品同質化、缺乏獨立性、設計感不足、價格昂貴等突出問題。除此之外，技術、應用和交互三大挑戰限制了可穿戴電子智能服裝的發展。在技術方面，傳感器的精準度和靈敏度有待進一步改善；在應用方面，數據的采集和分析能力不足以為用戶提供真正需要的信息，限制了應用的范圍和領域；在交互方面，電子元件不只是單一的感測、收集數據，更應該增強人機交互和相應的反饋機制，增強電子智能服裝實用性，因此，應該加強新型材料的研發與應用，優化制作工藝和方法，提高數據收集與處理能力。

可穿戴設備與服裝的結合是柔性電子技術、信息技術、紡織服裝技術等高技術推動下的產物。柔性電子元件以通信技術為支撐，以新型功能性紡織材料為基礎，不僅涉及芯片、關鍵部件的研制，而且包含操作系統、數據處理等軟件的開發，克服了傳統電子設備無法彎曲、拉伸、變形的剛性特征，賦予了紡織品感知、傳導、儲存的電子性能，帶動了傳統紡織行業的轉型升級。隨著科技的發展與進步，相信未來可穿戴智能服裝不僅在航空航天、軍事等領域發揮重要作用，而且成為普通人生活、工作、學習等不可或缺的一部分，應用前景將十分廣泛。

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