可穿戴智能電子服裝的研究進展

馬菡婧 田寶華 何 源

（1.西安工程大學，陜西西安，710048；2.西安交通大學，陜西西安，710049）

紡織服裝在智能電子和信息化科技發展的時代背景下，正經歷著一場技術革命，逐漸成為時代的新興產業；可穿戴智能電子服裝將人們與微電子設備“無縫結合”，在人們的日常工作、生活中扮演著越來越重要的角色[1-4]。隨著微電子元件和微電機系統（Micro-electronics Components&Micro-electromechanical Systems，以下簡稱MEMS）的快速發展，MEMS尺寸突破毫米級，其精度和可靠性的大幅度提升使其能夠應用于可穿戴設備，在電子紡織品中提供集成潛力[5-6]。在人們與電子設備無處不在的交互中（例如智能手機、汽車儀表板、平板電腦），將柔性電路或電子設備與服裝有機結合是一個十分有吸引力的互動方法。根據電容傳感可以檢測和區分不同的交互類型，如觸摸、運動存在、敲擊、溫度變化等[7-13]，可適應人體運動產生的拉伸或彎曲，使其適配在紡織品上的集成，提供長期且隱匿性的動態監控和分析。

盡管剛性可穿戴設備如智能手表、智能眼鏡等已經可以為人們提供持續的連接和數據的收集檢測，然而與此類剛性電子設備不同的是，可穿戴智能電子服裝能夠形成超靈活、可拉伸、可彎曲、能夠皮膚接觸，甚至植入體內且同時最大程度保留紡織品自身的獨特特性，如質量輕、靈活性、耐磨性及其固有的溫暖和舒適性等特點。為了使電子元器件能夠以隱匿式集成到紡織品或服裝中，柔性電子電路的設計與傳感技術必須根據紡織品集成約束和特定幾何形狀的要求，完成與電路靈敏度優化的相關工作。

本文回顧了近年來國際上可穿戴智能電子服裝的最新研究成果，概述了紡織電子技術的發展和相關的挑戰，重點介紹了基于紡織服裝的柔性電子設備及其在可穿戴電子系統中的應用，包括基于傳感器的智能電子服裝、基于纖維的柔性顯示、能量存儲紡織品等，最后展望了未來可穿戴智能電子服裝的發展前景。

1 基于傳感器的智能電子服裝

在可穿戴智能電子服裝中，傳感器設備是最重要的核心環節。由于紡織服裝具有柔性可變形特點，傳統大尺寸剛性傳感器的應用受到了限制。MEMS是一種體積尺寸在毫米級的傳感器，近年來其種類和功能快速發展。MEMS具有體積尺寸小的天然優勢，可以很方便地集成在各種柔性底物表面或嵌入其中，并具有質量輕、靈活、成本低等特點。因此，MEMS在智能可穿戴電子服裝中具有十分廣泛的應用。通過對MEMS的設計和制造，可以實現各式各樣的能量轉換裝置，用于服裝佩戴者一系列物理、化學和生物環境的檢測，如溫度變化、姿勢和身體運動的傳感、疾病監測、語音傳感、面部表情檢測等。根據原理和種類的不同，我們列舉并介紹電容傳感、主動式熱管理兩大類基于傳感器的可穿戴智能電子服裝。

1.1 電容傳感

電容應變傳感器是柔性電子元件中最常見的傳感器類型，自身電容可對外界施加的應變刺激做出響應變化。典型的電容式傳感器由夾在兩個電極之間的電介質組成，其厚度和拉伸方向變化決定其介電性能。平行板配置為目前最流行的架構，可適應主流電容傳感器的設計，因為這種設計和構造最為簡單和直接。為了實現與紡織品或柔性底物的附著，電容傳感器的電極必須是可拉伸的。因此，基于納米材料的可拉伸導體經常用作電極。各種具有先進結構的納米銀線（Silver Nanowire，AgNW）的復合材料被大量用于可拉伸電容式傳感器[14-15]；AgNW由于具有成本低、長度直徑比高、電導率超高、透明度好等特點，完美地與紡織品服裝匹配[16-18]。為了獲得更高的機械性能、靈敏度和更高的可拉伸和介電性能，AgNW通常與具有較小機械模量彈性體材料例如聚二甲基硅氧烷、聚氨酯等復合。

圖1為電容應變傳感器在可穿戴智能電子服裝中的應用示例。

圖1 基于電容傳感類智能電子服裝應用示例

圖1（a）為定制的一種牛仔服上集成可觸控柔性鍵盤[19]。將電路走線、元件連接墊利用縫合模式嵌入織物表面，再以CAD工具設計出電路布局的微型電路板；夾克一側為織物鍵盤，另一側為合成器、揚聲器等。圖1（b）為一種聚亞酰胺電容式、雙功能型的觸摸感應電子織物。根據電路對紡織環境進行了優化設計，嵌入織物內部。當觸摸者雙手觸及織物表面時，電容器電容發生變化傳遞給顯示裝置。此時信號燈亮起，當觸摸者雙手離開織物表面時，信號燈熄滅。圖1（c）是一種透明電子皮膚示意圖，該透明電子皮膚以聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）為底物，通過微刻蝕技術在透明PDMS薄膜上嵌入納米金屬線，PDMS與金屬線間組成了超級電容器。該裝置可以檢測佩戴者體溫、脈搏、心跳等變化，用于實時監測。圖1（d）為一種微型集成高精度MEMS的電子皮膚貼片示意圖[20]。該裝置以脈搏振動為能量驅動，不需要電池，可永久性高靈敏檢測出脈搏變化（如幅度和頻率等），同時還能檢測出脈搏變化曲線中的相位差，可用于精密醫療分析。圖1（e）為還原氧化石墨烯摻雜的聚苯胺中空纖維構成的網格織物[21]。通過對該網格布的大面積覆蓋，同樣可以實現上述類似超級電容器的相同功能。

1.2 主動式熱管理

溫度調節和熱響應是可穿戴智能電子服裝研究中最為關注的熱點問題。通常，可穿戴熱響應元件在智能電子服裝中主要有熱舒適和熱動力治療兩個領域的研究和應用。具有保暖和快干涼爽的服裝已在消費市場中廣泛流行，然而傳統被動防護的服裝因人體與環境接觸表面積大、能量利用率較低，無法精準滿足個性化的熱舒適要求。為了進一步彌補被動防護服裝的缺點，將熱傳導材料或電子元器件集成在服裝中，可形成具有主動防護功能的可穿戴熱管理智能電子服裝。圖2為主動式熱管理智能電子服裝應用示例。

圖2 主動式熱管理智能電子服裝應用示例

圖2（a）展示了一種集成MEMS于服裝表面的“S”形涂層貼[22]。該涂層是經過納米金屬線修飾的棉織物，該涂層內部內嵌一個MEMS傳感系統，由低壓電源驅動。試驗測試結果表明：涂層貼敷皮膚能夠為佩戴者在炎熱環境中提供顯著的涼爽感體驗，與周圍傳統棉織物有5℃的溫度差。圖2（b）是一種金屬納米銀顆粒整理的多功能疏水織物，具有主動加熱功能，可以直接以人體體溫為溫度驅動，使織物能夠主動生熱并且同時具備透氣防水的功能[23]。圖 2（c）為一種主動式低壓驅動的熱管理手套[24]。該手套手指部分由導電聚合物涂層整理，利用3 V低壓電源為驅動，可以迅速加熱手指部分，為冬季嚴寒者提供舒適手部操作環境。可穿戴智能電子紡織品同樣能夠在熱動力治療中扮演重要角色。在醫療領域，熱療或皮膚局部加熱可以擴大血管系統，增加該區域的血流量。此方法可以緩解局部疼痛。圖2（d）為一種電源驅動的可拉伸網狀結構[25]。用于腕部熱動力治療。該結構由金屬納米銀線構成，可以提供關節點的熱療，同時網狀結構保證關節靈活的活動不受影響。若將熱管理元器件與其他傳感器結合，可以形成物聯網系統，系統檢測到溫度異常時，可及時將用戶數據分析并上報。圖2（e）是將可穿戴設備集成于物聯網中，用于及時通信[26]。

2 基于纖維的柔性顯示

關于開發基于纖維顯示設備的可穿戴電子產品研究較多。早期大多數研究專注于將傳統發光二極管（Light Emitting Diode，LED）集成到織物上。然而，傳統的LED相對體積較大、厚度較厚，集成后破壞了織物獨特的柔順性。隨著有機發光二極管（Organic Light Emitting Diode，OLED）工藝和技術的進步，光纖OLED器件的實現已成為可能。KWON S等演示了浸漬同心涂覆工藝基于纖維的OLED[27]。其中以直徑為300 μm的聚乙烯對苯二甲酸酯纖維作為基材，聚3，4-乙烯二氧噻吩聚苯乙烯磺酸鹽和聚苯乙烯作為透明電極和發射層的材料。

3 能量存儲紡織品

在電子服裝中，電路驅動需要能量來源，傳統鋰離子電池存在質量重、不可變形等缺點，且在受沖擊時存在重大的安全隱患。此外，由于電子服裝無法集成大容量電池，智能電子服裝頻繁充放電操作也為使用者帶來諸多不便。若能將具有自發電功能的設備集成在柔性服裝內，則可解決上述存在的問題。在適合服裝上的能量收集裝置類型中，基于纖維的染料敏化太陽能電池（Fiber-shaped Dye-sensitized Solar Cell，F-DSSC）和摩擦納米發電機（Fiber-shaped Triboelectric Nanogenerators，F-TENG）是最為常見的兩種儲能模式，可以方便嵌入紡織品中。其中，F-DSSC可以在白天戶外陽光下將太陽能轉化為電能存儲，而F-TENG可將佩戴者運動中產生的動能存儲并轉化。

YANG Z等設計了一種纖維型可拉伸FDSSC系統，其中外層纏繞導電鈦金屬絲為電極，染料化改性的彈性橡膠纖維為介電質，所形成的線纜型F-DSSC能量轉換效率可達7.13%，并在20個周期的循環拉伸后性能表現依舊穩定[28]。在F-TENG模式中，ZENG W等研究了一種完全基于纖維素的納米發電機，可用于收集紡織品運動中所產生的動能[29]。具體原理是：將鈮酸鈉摻雜的聚氯乙烯熔融態通過靜電紡絲技術制備出PVDF-NaNbO3纖維，以PVDF-NaNbO3纖維構成的非織造材料作為壓電元件，該器件可在0.2 MPa脈沖強度下（模擬人體運動中所能產生的脈沖）產生3.2 V開路電壓和4.2 mA電流。在循環測試模擬中，耐久性可超過1×106次周期。將該FTENG系統集成在智能服裝中的肩袖等高頻運動部位，利用人體運動中的自然擺動，可以產生低頻低壓交流電[30]。F-TENG系統可以在無太陽的情況下儲能供電，但必須依賴佩戴者的運動，而F-DSSC則可以在佩戴者靜止狀態下依靠光照進行儲能供電。因此，F-TENG與F-DSSC結合可以彌補彼此的局限。

4 結語

在智能可穿戴電子服裝中，MEMS系統設備及功能的發展使得柔性顯示器、能量發生器、傳感器及其他微電子電氣系統在電子紡織品中的集成與應用成為現實。為了實現完整的電子紡織系統，通過現代化的生產技術，如3D打印、三維織物、高精度紡絲、精密成形等，可有效應用上述電子設備，并成功集成在服裝甚至人體皮膚。MEMS系統很大程度上縮小了電子設備的尺寸和體積，與織物集成性大幅度提升，在未來電子紡織系統中，可以設想完全基于纖維的電子紡織品設備將成為主流，同時提供最小的功耗和自我維持甚至自修復功能。此外，開發人體內生物安全和低刺激材料同樣不應忽視，為電子服裝長久、穩定并安全的工作奠定基礎。