柔性傳感器在智能可穿戴中的應用研究進展

王 銀,王 萍,匡才遠,秦 芳

(金陵科技學院,江蘇 南京211169)

智能柔性可穿戴產品是一種由功能部件、顯示部件和綁定部件組成,具有可穿戴性、便攜性、智能性的特征,并且能夠穿戴在用戶身體上進而發揮其特定功能的智能產品[1]。近年來,隨著互聯網、超級計算、大數據、腦科學等高新技術的興起,人類進入了智能化時代。各國為了占領智能柔性可穿戴領域的技術制高點,紛紛制定研發計劃,著力突破技術難關[2]。其中,柔性傳感器充當智能可穿戴設備的功能部件,成為相關人員的研究重點。以傳感器物理感知性能作為分類依據,智能可穿戴中柔性傳感器可分為電-力學、氣體學、光纖學三大類。總結了目前嵌入柔性傳感器的智能可穿戴產品的三大應用領域,即生理參數監測、動作監測以及環境監測。

1 智能可穿戴柔性傳感器的分類

1.1 柔性電-力學傳感器

柔性力學傳感器是一種由基本電路、力學敏感元件和轉換元件組成,可以將壓縮、拉伸、彎曲等特定力學信息通過某種轉換機制轉換成電信號輸出的智能可穿戴器件。2018年,田明偉等[3]依據敏感元件的不同,將力學傳感器歸類為電容式力學傳感器與電阻式力學傳感器。2019年,黃武桐[4]通過采用氧化石墨烯等材料,制備出具有高靈敏度、高識別度、高抗外界干擾能力的可穿戴柔性電阻式力學傳感器。該傳感器采用雙層電阻設計,不僅能夠用于檢測小于25 Pa的壓力,還能用于監測不同材料表面的粗糙度、音樂的節奏、手腕處的脈搏及人體的呼吸等,用途廣泛。同年,孫旭光等[5]以碳納米管-聚合物為基礎,研究出一種可拉伸、高靈敏度、可量產、適合大面積制作的6×8柔性壓阻觸覺傳感器陣列,解決了觸覺傳感器的高靈敏度與空間分辨率結合度不足的問題。

美國Tekscan公司研發的Flexiforce柔性電阻式壓力傳感器不僅使用、攜帶方便,而且在滯后性、靈敏度、漂移等方面具有優良性狀。2017年,龐欣等[6]借助該傳感器,研究壓力襪不同部段的人體壓力,驗證了人體大腿、小腿、腳踝等部位壓力值符合壓力襪的設計。2019年,李思明等[7]將質量分數為20%的不銹鋼顆粒嵌入黏膠導電纖維中紡成紗線,織造出柔性壓力傳感器,通過研究壓力監測襪應變與壓力的關系,得出傳感器的靈敏度與電阻值隨著壓力的增加而降低直至不變的結論。

導電纖維與導電紗線在智能可穿戴領域扮演了重要的角色,針織導電織物通過導電紗線在受力變形時產生電阻傳感,是未來高端紡織業的發展方向[8]。2016年,蔡倩文等[9]通過研究鍍銀纖維、銅纖維、不銹鋼微絲與銅絲等導電纖維與黏膠及彈力錦綸/氨綸包芯紗混織,得出此5種材料均適合柔性傳感器的制作,其中鍍銀纖維導電性最佳,銅絲織造的柔性傳感器手感較差,需要后續研究改善。2019年,王曉等[10]采用銅納米材料線,得到一個可以反復拉伸或彎折也能保持優良導電性能的電極。

1.2 柔性氣體傳感器

氨氣(NH3)是一種具有腐蝕性和強烈刺激性的氣體,對環境和人類的危害都非常大,所以對NH3的監測非常重要,柔性氣體傳感器應運而生。柔性氣體傳感器是一類由轉換元件和敏感元件組成,能夠將被檢測氣體中特定成分的濃度轉換成一定規律電信號的裝備或器件,被廣泛運用于智能可穿戴設備、環境保護、軍事等方面。2018年,聶清欣[11]通過選用SiO2等材料,將其制成納米纖維膜,然后運用原位聚合、靜電紡絲、溶膠凝膠等技術,制備出柔性SiO2/聚苯胺(PANI)復合納米氣敏傳感器,用以監測大氣中NH3含量,確保空氣指數在可控、可監測范圍。2019年,李思琦[12]聚焦聚苯胺等納米復合敏感材料,利用水熱法和原位化學氧化聚合法等,制備了一種具有高靈敏度的室溫柔性NH3傳感器。同年,劉春華通過利用不同材料之間的協同效應,將聚苯胺與不同NH3敏感材料進行復合,有效提高了薄膜電阻式NH3傳感器的敏感度[13]。

不同人體都含有自身特有的氣味,人體氣味中含有豐富的個人生理信息[14-15]。李晗宇等[16]依據人體氣味識別技術,通過采集不同人體氣味并運用氣相色譜—質譜分析,研發了一款基于傳感器陣列的可穿戴電子鼻。該傳感器陣列不僅可以用于識別不同的人體氣味,也可以進一步開發應用到人體測試當中。

1.3 柔性光纖傳感器

柔性光纖傳感器是一類由光源、入射光纖、出射光纖、光探測器、光調制器與解調制器組成,具有將從入射光纖進入光源的光學性質轉換成被調制的信號光作用的裝備或器件,按照傳感原理可以分為傳光型傳感器和傳感型傳感器[17]。2016年,田新宇等[18]嘗試將光纖布拉格光柵傳感器植入到以復合組織為基礎的針織織物空氣層中,以此來實現低失真度對人體脈搏波的檢測。

2017年,楊昆等[19]利用宏彎原理,通過研究光信號衰減與光纖彎曲曲率半徑之間關系,確定了光纖傳感器織物的地組織,最終實現了該傳感器可通過電壓值的變化反應出牽拉過程中光信號對應的織物形狀的變化,以此來完成人體生理信號的監測。

2019年,曲道明等[20]通過試驗確定了光柵中心波長漂移量與聚酰亞胺薄膜曲率之間的關系,建立解調、光纖傳感及曲率標定裝置,提出一種植入光纖光柵敏感元件的聚酰亞胺薄膜柔性曲率傳感器。該柔性傳感器可應用于柔性傳感測量領域。

2 智能可穿戴柔性傳感器的應用

2.1 生理參數監測

為了實現智能可穿戴服裝的無線傳輸與人體生理參數采集,易紅霞等[21]將傳感器以鍍銀導電紗線的形式編織在智能可穿戴服裝上,運用ZigBee的無線網絡來采集人體的呼吸信號,繼而存儲于終端設備以備日后查詢,推動了具有生理參數監測功能的智能可穿戴服裝的發展。

壓力舒適性是服裝整體舒適性的重要評價標準。為了測量無縫內衣對于人體腹部產生的壓力與服裝舒適性,王金鳳等[22]以局部添紗的形式將鍍銀導電錦綸紗線織進柔性傳感器,簡化了服裝壓力的測量。

SOFTCEPTOR是一款可以進行連續監測人體心率、呼吸等生理信息的新型柔性應變傳感器,它不僅彈性好、靈敏度高,還具有方便連接、可水洗、安全環保等優點,率先在全球將柔性織物與傳感器結合。為了探討該傳感器更多的靜態性能,方方等[23]借助3365INSTRON萬能試驗機,試驗分析了該傳感器的線密度、靈敏度、重復性誤差、遲滯、傳感器織物彈性性能和試驗數據校正,得出該傳感器具有高靈敏度、良好的彈性性能,但是存在重復性誤差較大等問題的結論。

雖然目前用于人體健康的智能可穿戴設備受到了社會的廣泛關注,但是低成本、大面積制備易于轉移和自粘性的柔性超薄膜依然面臨極大的挑戰。中國科學院寧波材料技術與工程研究所陳濤研究員課題組[24]從空/水界面處制備出碳納米管(CNTs)薄膜,然后將熱塑性彈性高分子(TPE)溶液噴灑在該薄膜表面,從而形成CNTs/TPE非對稱二維Janus雜化膜,構成一種超薄、自粘附和自支撐的柔性傳感器。該傳感器不僅可以用于實時監測人體生理行為,還可用于監測聲音的擾動與微小氣流變化。

2.2 動作監測

隨著物聯網、互聯網技術的發展與各種柔性傳感器的出現,以智能可穿戴為基礎的人體動作監測設備具有良好的發展前景。2015年,謝娟[25]借助鍍銀導電紗線設計出一款可以用來監測人體前后身肩部、肘部關節、膝部關節和腹部呼吸的智能護膝與智能T恤,不僅得出了各部位傳感器顯示的電阻與人體運動姿勢存在一定響應關系的結論,還驗證了智能護膝的高靈敏度。楊航等[26]借助壓電薄膜傳感器來采集人體進行乒乓球運動時肘部運動姿勢的數據信號,然后設計了一款信號調理電路,最終實現了乒乓球運動時揮拍次數與揮拍頻率的測量。張曉峰等[27]利用原位聚合法制出3種聚吡咯導電織物,以此來實現人體上肢運動姿勢的測量。溫雯等[28]通過分析傳感器應變-電阻數據變化,獲取到人體下肢運動姿勢,完成了智能運動跑步褲的設計。

2019年,高香玉[29]以智能可穿戴設備為基礎,設計并研發出人體行為監測系統。該系統通過采集人體活動數據并上傳到云平臺進行數據分析,從而識別出人體動作,可在人體跌倒時發出報警信號。同年,廖璐璐等[30]針對大幅度人體運動姿勢的測量與細微人體動作的探測,運用石墨烯等材料,制備出一款柔軟、成本低、靈敏度高、電氣連接方便的可穿戴傳感器。

2.3 環境監測

隨著柔性微型電路與柔性傳感器的研究,大量智能可穿戴設備被運用到環境監測、健康等領域。2015年,中科院蘇州納米技術與納米仿生研究所[31]通過制備氧化石墨烯超薄膜,構建非接觸式柔性傳感器,實現了對濕度寬范圍、高靈敏度的檢測。柔性傳感器具有柔韌性好的特點,經常被集成于智能可穿戴設備中來實現體表溫度的測量。Dankoco M D等[32]采用噴墨印刷的技術,將主要成分為銀的熱敏電阻器積淀在聚酰亞胺薄膜上,從而使該傳感器具有測量人體體表溫度的功能。李連輝等[33]采用噴涂成膜技術,將多壁碳納米管等材料制成快速響應、高靈敏度的柔性納米仿生振動傳感器。該柔性傳感器分辨時間短、檢測范圍寬,可以高質量地實時檢測并記錄聲音信息,可以用于耳膜損傷導致的耳聾等耳部疾病的輔助治療。

3 結語

雖然國內外對柔性傳感器與智能穿戴的研究比較廣泛,但是創新類的智能可穿戴仍然存在許多難題。未來,無論是智能可穿戴還是柔性傳感器,都將朝專業化、低成本化、市場應用化與多功能方向發展。中國目前的智能可穿戴設備與柔性傳感器仍然處于研發初期,但是隨著相關研發技術與理論的成熟,相關行業研發模式將會逐漸從以技術為導向轉換成以用戶為導向,逐漸打破多學科綜合交叉的技術壁壘,走上智能可穿戴的自主研發產業化與市場運用化道路。