紗線基柔性應變傳感器及可穿戴應用研究進展

仝飛雨 李煜天 石佳玉 劉金坤 田明偉

摘要：柔性應變傳感器因其具有質輕柔軟、可拉伸等特點，在人機交互和智能可穿戴領域受到廣泛關注。紗線基傳感器由于其結構可變化性和組合可設計性等優點，成為智能可穿戴領域的的重要研究方向。然而，目前紗線基傳感器存在分類不清晰、應用領域不明確等問題。因此，為了系統分析紗線基柔性應變傳感器在可穿戴領域的研究現狀，從紗線的構成出發，將紗線基傳感器分為短纖紗基、長絲基、包芯紗基和股線基四類導電網絡，并介紹了各類型傳感器的制備方法與應用前景。此外，還對傳感器的機械性能和傳感性能進行了比較總結，發現紗線的構成方式與傳感器穩定性、應變范圍和傳感性能之間存在著密切關系。

關鍵詞：紗線基；導電紗線；應變傳感器；傳感性能；可穿戴電子設備

中圖分類號：TS195.644? 文獻標志碼：A??? 文章編號：2097-2911-（2023）01-0060-15

Research Progress in Yarn-based Flexible Strain Sensors and Wearable Applications

TONG Feiyu 1， LI Yutian 1， SHIJiayu 1， LIU Jinkun2， TIAN Mingwei 1*

（1. School of Textile and Clothing， Qingdao University， Qingdao 266071， Shandong China;2. Shandong Anran NanometerIndustrial Development Co.， Ltd， Weihai 264200， Shandong China）

Abstracts： Flexible strain sensors have garnered widespread attention in the fields of human-machine interac- tion and intelligent wearable devices due to their lightweight， soft， and stretchable nature. Yarn-based sensors， owing to their advantages in structural variability and versatile design possibilities， have become a significant ar- ea of research in intelligent wearable applications. However， the current state of yarn-based sensors is plagued by issues such as unclear classification and ambiguous application domains. To systematically analyze the re- search status of yarn-based flexible strain sensors in the wearable domain， begins with an examination of yarn composition and categorizes yarn-based sensors into four conductive networks： short fiber-based， continuous fil- ament-based， core-spun yarn-based， and plied yarn-based. The preparation methods and application prospects for each sensor type are thoroughly presented. Furthermore， a comparative summary of the sensors'mechanical and sensing performances reveals a close relationship between yarn composition and sensor stability， strain range， and sensing capabilities.

Key words： yarn-based; conductive yarn; strain sensor; sensing performance; wearable electronic devices

0 引言

隨著人工智能、新一輪科技革命的推動，傳統紡織產業與基于柔性電子的納米技術、傳感技術和電子控制等領域的交叉融合成為其實現高質量發展、轉型升級的重要突破口。柔性應變傳感器作為數據采集的關鍵媒介，在個性化醫療、人機交互、智能穿戴等領域受到了廣泛關注，并展現出了良好的應用前景[1-2]。作為傳統剛性傳感器的替代品，柔性傳感器改變了無法直接有效地收集人體信息的缺陷，其具有質輕、柔軟、可拉伸和透氣等特點[3]，為全面檢測和量化人體生理和物理信號提供了強大的功能，在可穿戴電子產品、人機交互和生物醫學設備等領域成為了研究熱點[4-6]。導電紗線作為柔性應變傳感器和可穿戴電子設備的關鍵組成部分[7-8]，不僅影響電子紡織品的機械性能，對傳感穩定性起著重要作用[9]。由于柔性設備中人體運動所產生的變形非常復雜，包括拉伸、壓縮、彎曲、扭曲、剪切等多種應變方式的組合，壓力和接觸傳感器成為構建人機界面的關鍵設備，這些人機界面需要與人體曲面高度相容，并且不能犧牲舒適度[10-12]。因此，以紗線為基礎的柔性應變傳感器近年來備受研究關注。

目前，導電紗線已廣泛應用于電磁干擾屏蔽、液晶顯示器、發光二極管、電子封裝、射頻識別、生物納米傳感器等領域[13-15]。柔性可拉伸電子器件是通過將導電納米材料（如銀納米線、碳納米管、石墨烯、聚吡咯等）與柔性高分子基體復合而制成的電子器件，具有優異的柔韌性和穩定的導電性能[16]。然而，實際應用和產業化織造過程中，柔性傳感器會受到拉伸強度低、生物相容性差，傳感范圍低，單一傳感功能等限制因素[17-18]。

研究發現，紗線結構對柔性傳感器的應變和導電性能有直接影響。然而，目前關于紗線結構應變傳感的研究文獻較少[19]。本文從導電紗線的結構進行分類，將紗線基傳感器分為短纖紗基、長絲基、包芯紗基、股線基四種導電網絡，如圖1所示，重點闡述了紗線結構對應變傳感性能的影響。綜述了紗線基柔性應變傳感器在可穿戴領域的應用研究進展，對柔性傳感器的制備途徑、穩定性、耐久性、應變范圍、響應時間等性能進行比較、分析和總結。同時，介紹了各類型紗線基傳感器的應用及其發展趨勢，以期為開發高性能紗線基柔性應變傳感器提供參考。

1 紗線基柔性應變傳感器的制備及性能

1.1 短纖紗基應變傳感器

短纖紗基應變傳感器是一種由短纖維與其它纖維混紡而成的可拉伸導電紗線。此類傳感器具有柔韌性好、導電性好、輕便耐用等特點。另外，由于其體積較小，可以最大限度地提高機械靈活性和導電靈敏度，因此，短纖紗基應變傳感器非常適合進行設計創新，并且很容易組裝成各種結構[20-22]。

MA等[23]通過將不銹鋼短纖維（SSFs）與棉纖維混紡形成導電短纖紗，其中高導電性的不銹鋼纖維分布在棉纖維之間。這種混紡紗通過電滲流形成導電網絡，然后使用導電聚合物聚（3，4-亞乙基二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT：PSS）涂覆 SSF/棉混紡紗，以提高棉纖維對不銹鋼纖維的導電性，如圖2（a）所示。ZHANG等[24]也采用了不銹鋼纖維與棉混紡的方法，然后以混紡紗作為支撐物和集流器制備了聚吡啶（PPy）包覆紗電極，如圖2（b）所示，PPy可通過毛細作用緊密地涂覆在混紡紗的長絲表面和絲間距上。LIU等[25]報道了一種分層石墨烯/金屬紡織復合電極，圖2（c）展示了該層次化復合電極的制備示意圖。該復合電極是將石墨烯和鎳通過化學沉積在棉紗表面制備而成。此種電極既保持了紗線優異的柔韌性，又滿足了可穿戴應用的可編織集成性，同時具有高電容、高能量密度、高功率密度、優異的機械耐久性和柔韌性等綜合優勢[26]。

因此，短纖紗基應變傳感器既保留了普通紡織品的柔韌性，又具有優異的導電性能和機械強度，并且可以直接編織入織物中。因此，這種基于短纖紗的低成本柔性導電紗線在未來可穿戴電子應用中具有巨大潛力[27-29]。

1.2 長絲基應變傳感器

1.2.1 均質共混型

均質共混型導電紗線是指通過將導電材料與柔性基體均勻混合，并經過各種紡絲方法制成的導電紗線[30]。這種制備方法使得導電紗線具有良好的應變性能和導電穩定性，但對于小應變靈敏度較低。常見的制備方法包括熔融紡絲法、濕法紡絲和3D打印等技術。

XIANG 等[31]采用熔融紡絲和3D 打印技術制備了一種雙滲透結構的傳感器，包含碳納米管（CNT）/丁苯乙烯（SBS）構成的導電相，以及熱塑性聚氨酯（TPU）絕緣相（CNT/ SBS@TPU），如圖3（a）所示，研究結果表明，導電相與絕緣相的比例對雙滲透結構的傳感器有電學性能和傳感性能產生顯著影響。當 SBS： TPU 的比例為5：5時，傳感器的電導率最高，達到1.08×10-3 S/m 。LEE等[32]采用濕法紡絲法制備了一種高拉伸導電纖維，該纖維由銀納米線（Ag- NWs）和銀納米粒子（AgNPs）嵌入苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）彈性基體而制成，如圖3（b）所示。由于導電填料的高質量百分比以及彈性 SBS 基體的作用，嵌入AgNWs的導電纖維表現出優異的初始電導率（2450 S/cm）和斷裂伸長率（900%應變），在拉伸過程中，AgNWs充當了Ag- NPs之間的導電橋梁，使得在高應變條件下仍能保持導電性（100%應變下，電導率下降僅為4.4%）。 SEYEDIN等[33]采用濕法紡絲制備了聚氨酯（PU）/聚（3，4-乙烯二氧噻吩）-聚苯乙烯磺酸（PU/PEDOT：PSS）復絲，該復絲呈現出多孔結構，能夠在高達200%的外加應變下做出重復性響應，GF 系數高達1500（GF 是傳感器的靈敏度系數，是拉伸和非拉伸狀態下傳感響應的相對變化，其絕對值可以作為應變傳感靈敏度的度量）。研究表明，多孔結構的存在顯著改善了構件的拉伸、彎曲、壓縮和沖擊等力學性能，使得復合材料能夠承受更高的載荷， 隨著顆粒間距離的增加，傳感器表現出較高的靈敏度[34-36]。

均質共混型導電紗線因其操作簡單有效、成本低、易規模化生產等優點而備受關注，但該類紗線存在導電材料與聚合物混合不均勻，導致界面結合強度低的問題，從而影響了紗線的拉伸性和導電性能[37-38]。為了克服這一問題，可通過開發出有效穩定的摻雜劑來改善紗線的機械性能和導電性能，實現應變范圍與敏感性能之間的平衡，從而使均質共混型導電紗線能夠具有更好的應變拉伸性和穩定的導電性[39]。

1.2.2 核/殼涂層型

核/殼涂層型導電紗線是一類通過涂覆技術獲得的高性能導電復合紗線，可以通過兩種方式制備：一種是將導電材料涂覆在柔性紗線表面，形成導電網絡；另一種是將柔性基體涂覆在導電紗線上，同樣形成導電網絡，該類導電復合紗線的性能因涂覆技術而異[40]。

NIU等[41]通過超聲和聚多巴胺（PD）輔助化學沉積技術，將碳納米管（CNTs）和銀納米粒子（AgNPs）層連續沉積在可拉伸聚氨酯（PU）長絲上，形成了一種導電材料涂覆彈性紗線的傳感器，如圖3（c）所示，這種傳感器表現出優異的特點，包括高靈敏度（GF系數1004.5）、具有較高的檢測范圍（150%）、快速響應（53 ms）和恢復性（80 ms）。 ZHOU等[42]提出了一種利用熱塑性柔性基體涂覆碳納米管導電紗制備核殼結構應變傳感器的方法，核殼結構示意圖如圖3（d）所示，該傳感器具備高靈敏度（在100%應變時 GF 系數為425）、高拉伸性和高線性度等特點，因此在可拉伸和可穿戴電子設備中得到廣泛的應用。 TANG等[43]根據紗線的加捻結構，對基于浸涂碳納米管油墨的應變傳感器進行了研究，并比較了三種涂層方式（外涂層、內涂層和外/內涂層）的性能影響因素，如圖3（e）所示，研究表明，采用大應變范圍的內涂層作為橋梁連接脆弱的高靈敏度外涂層，可以使傳感器具有理想的應變傳感性能，其可承受的應變范圍可達440%。

綜上所述，核/殼結構型導電紗線填料雖然能夠穩定地嵌入紗線內部，但由于填料難以均勻分散，影響導電網絡的有效構建。為解決這一問題，可使用松散結構盡量減少纖維之間的相互物理結合，這種設計可以提高核殼結構紗線的拉伸性，因為松散的結構有助于彈性紗芯的拉伸及回復[44-45]。與均質共混紗相比，核/殼結構紗具有更好的導電性，但在穩定性與持久性方面稍顯不足，在需要大形變的應用中，表面易出現粗糙開裂現象，從而導致導電紗線的電阻增大，傳感響應降低，這主要是由于導電層的彈性相對于彈性芯的彈性較低所致[46-47]。

1.3 包芯紗基應變傳感器

包芯紗是由兩種或兩種以上的纖維組合而成，其中，芯紗可以是高彈長絲或短纖紗，而外包纖維通常采用天然纖維[48]。彈性包芯紗以彈性長絲為芯，外包以短纖維或紗連續包纏在伸長狀態下的彈性長絲上，形成具有彈力的紗線。這種紗線結構利用了包芯設計的優勢，提高了應變傳感器的拉伸性和穩定性。相比之下，普通紗線只能維持較小的應變量，遠低于可拉伸導電紗線顯著變形的典型水平，因此無法用于紗線基柔性應變傳感器的應用[49-51]。當彈性纖維作為紗芯時，導電紗線在一定應變范圍內的電阻不會大幅改變，且在紗線伸長過程中，紗線的截面積和長度不會發生變化，滿足應變傳感不靈敏特性。雖然彈性纖維存在易老化等缺陷[52]，但彈性包芯紗的紡紗工藝可靠，成紗性能出色。該紗線不僅具備彈性纖維的特性，而且在拉伸時較少出現露芯現象，因此被廣泛應用于紗線基柔性應變傳感器中[53]。

WANG 等[54]通過將高導電性單壁碳納米管（SWCNTs）加入棉/聚氨酯（PU）彈性包芯紗中，如圖4（a）所示，證明了包芯紗應變傳感器能夠有效地監測人體四肢運動，例如手指和肘部。由于棉/PU紗的覆蓋結構以及 SWCNTs的增強作用，這種紗線可承受高達300%的應變，并且在40%應變下可循環近30萬次而無明顯斷裂。另外， SUN等[55]介紹了一種將天然棉紗纏繞在高彈性聚氨酯長絲上形成包芯紗結構的傳感器。該紗線可拉伸至150%的應變而不變形。圖4（b）顯示了包芯紗拉伸過程的示意圖。基于包芯紗制備的紡織品可以進一步拉伸至300%，而基于普通棉紗的織物基傳感器只能達到20%。NAN 等[56]采用靜電紡絲技術制備了連續摻雜氧化石墨烯（GO）的聚丙烯腈（PAN）納米纖維紗線，并通過原位聚合法將導電聚吡咯（PPY）涂覆在納米纖維表面，制得的導電納米纖維紗線進一步纏繞在彈性紗線上，形成柔性導電包芯紗（GC- NF@ECYs），如圖4（f）所示。這種傳感器單元對施加的外部壓力變化能夠迅速做出響應，圖4（f）顯示了 GCNF@ECYs傳感器單元在壓縮過程中主要結構變化的示意圖，實驗結果表明，在施加1 V的恒定電壓時，該傳感器對0.01-5 N的壓力能夠產生瞬時電流響應，當壓力頻率從5 Hz增加到40 Hz時，輸出電流的變化是有規律的且可重復的。這些結果表明 GCNF@ECYs傳感器單元能夠在寬頻率范圍內工作，并且具有超高靈敏度和超快反應響應（15 ms），如圖4（c）、（d）、（e）所示。

因此，包芯紗工藝為紗線基傳感器的制備提供了一種簡單高效的方法，其紗線結構的優異性能可顯著提升傳感器的拉伸性能和結構穩定性，并保持一定應變范圍內傳感穩定性[57]。通過特定螺旋包芯結構的可穿戴傳感器，可以監測和記錄人體運動變化，例如手腕運動、手臂彎曲、步態等[58-59]，為可穿戴健康監測電子設備的開發提供了有力支持，未來的研究可以進一步改進包芯紗工藝，優化傳感器結構，探索更廣泛的應用領域。

1.4 股線基應變傳感器

1.4.1 雙螺旋型

雙螺旋結構型導電紗線由兩種不同性質的纖維組成：外包纖維和芯纖維。外包纖維通常具有相對較大的剛性，而芯纖維則具有較大的彈性且初始狀態較直。當雙螺旋紗線在縱向拉伸時，外包紗會逐漸伸長取代芯紗的位置，而芯紗則逐漸彎曲成螺旋狀，導致紗線整體橫向膨脹。這種效應是由于兩組分之間的強伸性能差異及相互擠壓作用所引起的[60-61]。雙螺旋結構大大提高了紗線的傳感性能和穩定性，獲得的紗線具有分層結構和高導電性能，這表明其在智能紡織品、人機界面和能量收集以及熱管理等方面具有巨大潛力[62]。

TANG等[63]采用靜電紡絲加捻的方法制備了具有拉伸應變傳感能力的多維碳基納米材料/熱塑性聚氨酯復合納米纖維紗（MCN/TPU-NY），如圖5（a）所示。研究表明，不同導電納米填料可以顯著影響紗線電導率、力學性能和應變傳感性能，發現以碳黑（CBs）為主要填料的應變傳感器表現出負壓阻效應和雙峰響應，同時，添加碳納米管（CNTs）和石墨烯（GRs）這兩種填料可以增強負壓阻效應，減弱雙峰現象，從而有利于實際應用。SHANG等[64]通過傳統的加捻紡絲工藝制備了高度扭曲的雙螺旋結構碳納米管紗線，并展示了一種獨特的斷裂機制。在螺旋紗線中，斷裂發生為兩個階段，在第一階段，兩根紗線同時承受力，直到其中一根紗線斷裂，在第二階段，剩余的紗線繼續被拉伸，直到完全斷裂，如圖5（b）所示。相對于以往大多數形態為直線型的碳納米管紗線，這種分層雙螺旋紗線賦予了材料新的彈性等力學性能，從而將紗線的應用領域拓展到更廣闊的范圍。

綜上所述，雙螺旋結構的導電紗線具有優異的傳感性能和應用潛力，通過調整扭曲結構來實現高靈敏、耐久性和低滯后等特性[65]。這種方法通過特殊的螺旋結構，有效地減緩了裂紋形態導致的導電層斷裂，保持了更多的導電通路，為紗線提供高導電性和可拉伸性，使紗線在垂直方向完全壓縮后也能恢復原狀。螺旋型導電紗線易于與織物和其他功能組件集成，構建織物基可穿戴系統，但制得的柔性電子器件與紡織材料之間的連接牢固性、柔軟度、舒適性與耐久性仍然是限制產業應用的難題[66]。另外，還需要解決在自由狀態下，包纏紗組分易從芯紗上退繞脫散下來，導致結構不穩定性。因此，需要尋找解決方案以增強雙螺旋結構型導電紗線的穩定性和可靠性，以實現其更廣泛的應用[67]。

1.4.2 多股線型

多股線型導電紗線是一種由多股纖維或導電材料組成的導電紗線。這種導電紗線的特點是在一個紗線中包含了多根股線或導電絲，通過彼此之間的連接形成導電網絡。多股線型導電紗線通常具有較高的導電性能和靈活性，因為由多股纖維組成的紗線可以提供更多的導電路徑，從而增強了整體的導電能力。這種導電紗線常用于智能紡織品、傳感器、可穿戴設備和柔性電子產品等領域，以實現高效的電導和可靠的功能性。

WANG 等[68]采用染色工藝制備了單壁碳納米管（SWCNTs）/羊毛復合導電紗線，其微觀結構示意圖見圖5（c）。該結構導電紗線的顯著優勢體現在電子紡織品的耐磨性和舒適性。復合紗線還展現出很強的可編織性，能夠適用于各種變形條件。在人體活動中，多股線型導電紗線表現出良好的適應性和穩定性，為實現柔性可穿戴電子產品的可穿戴性提供了潛在的應用前景。QI 等[69]采用“溶脹超聲”和一步加捻工藝制備了具有電驅動雙向形狀記憶效應和應變傳感性能的還原氧化石墨烯（RGO）/乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（EVA）復合紗線，如圖5（d）所示。該復合紗線具有高電導率（31.28 S/m），能夠控制電驅動的可逆應變和高能量密度（72.5 J/kg）。這項工作為開發具有雙向形狀記憶、電驅動和應變傳感性能的 RGO/EVA 復合紗線提供了一種新方法，在軟致動器、可穿戴傳感器和人工肌肉等領域具有很好的潛力[70-72]。

此外，構建導電網絡和分層結構是提高應變傳感器靈敏度的有效方法，多股螺旋結構的復合紗線具有良好的三維導電網絡和高拉伸、高靈敏性能，這將進一步增強該復合紗線在應變傳感器領域的應用潛力。

2 紗線基應變傳感器的可穿戴應用現狀

2.1 人體運動

近年來，紗線基柔性應變傳感器因其質量輕、高度靈活、可拉伸，并能有效地將外力刺激轉化為電信號，用于測量物體受力變形所產生的應變，受到越來越多的關注。

QU等[73]基于炭黑納米粒子和聚多巴胺涂層的商用包芯紗，制備了一種智能織物應變傳感器，對織物進行100%應變拉伸100次，該傳感器依然可以輸出穩定的電信號，經過各種人體運動的應用測試，該傳感器能夠檢測手指手腕、肘關節、膝關節、踝關節、腰部背部運動彎曲，表明該紡織品在檢測人體運動方面具有的巨大潛力。 FU等[74]提出了一種摩擦芯紡絲生產的液態金屬基雙螺旋芯紗線（DHCYs），該紗線由雙螺旋彈性空心長絲組成，外層覆蓋著親膚纖維，保證了紗線和織物的穿著舒適性。由于將液態金屬注入空心長絲中，因此該紗線具有優異的導電性，可以監測不同的人體動作，如圖6（a）所示。此外，這種紗線還能夠無線充電、實現非接觸式傳感、電熱致變色和焦耳加熱。這種多功能、舒適、可伸縮的紗線將廣泛應用于人體運動監測、能量收集和熱管理等領域。

2.2 醫療監測

紗線基柔性應變傳感器作為可穿戴和植入式電子產品的關鍵組成部分，推動了與人體健康監測和醫療診斷有關的應用。作為可穿戴設備，它在肢體運動檢測、呼吸信號采集等人體連續健康監測中具有廣闊的實際應用前景。

中醫是源自陰陽五行系統的傳統醫學，幾千年來一直被中國人用來治療疾病。雖然中醫因其無創診斷而受到高度贊賞，但其主觀性（如指尖摸脈）仍然是教學和培養年輕人才的挑戰。傳感器設備的應用為中醫現代化診斷提供了一個可靠的實現路徑。CHEN[65]等提出了一種超快速響應/恢復壓阻式壓力紗線基傳感器，用于表皮脈沖監測。該傳感器在靈敏度（0.57 kPa-1）、響應時間（2 ms）、弛豫時間（2 ms）、線性度（4.9%）、應變量（7.8%）、耐久性（6000次循環）和遲滯性（5.3%）方面達到了平衡的性能。這種導電織物可以靈活地組裝在粘合劑繃帶中作為傳感器，如圖6（b）所示。通過各種表皮脈沖檢測證明，紗線基應變傳感器有望用于日益增長和擴大的醫療保健市場。PARK等[75]制造了一種可穿戴的應變傳感器，通過將可拉伸的導電紗線鎖縫到織物基材上來監測人體呼吸。該傳感器可以監測慢呼吸、快呼吸、深呼吸和淺呼吸四種不同的呼吸模式，并將結果與參考呼吸值進行比較，證明了其在呼吸監測中的可行性。

2.3 健康養老

隨著人口老齡化程度日趨嚴重，老年人的身心健康狀況越來越受人們的關注，養老相關的醫療服務需求不斷增加，養老和健康體系面臨嚴峻挑戰。在此背景下，用于監測老年人血壓、心率、呼吸頻率、皮膚溫度、身體運動等身體信號的可穿戴設備逐漸成為研究熱點。

這些監測指標可用于評估老齡化和慢性疾病早期預警，如帕金森、海爾茲海默癥等疾病。此外，還可用于健康異常警報，典型的應用是跌倒檢測和跌倒風險估計，跌倒是老年人受傷的主要原因，經常導致死亡。HOWCROFT等[76]對跌倒風險分類能力進行了全面的研究，其中包括兩種類型的可穿戴傳感器（加速度計、壓力傳感鞋墊）、四個加速度傳感器位置和三種類型的模型（神經網絡、支持向量機、樸素貝葉斯），典型的足底壓力分布如圖6（c）所示。LIN等[77]通過將金屬纖維與非金屬短纖維纏繞在一起，形成導電紗線，將其編織為智能可穿戴背心，可用于檢測身體的多種信號，用于實時姿勢監測和緊急警報。這種背心提供了一種高度便攜和低成本的解決方案，可以在室內和室外等多場景應用。

2.4 軍事安防

目前，將可穿戴式紗線基傳感器嵌入軍用服裝和裝備中，實時監測士兵的身體動作和姿態。通過這種方式，可以識別士兵的運動狀態、姿勢變化，例如站立、行走、奔跑、蹲下等，從而幫助指揮官了解士兵的實時情況，并做出相應的指揮決策。在戰場環境中，士兵可能面臨各種復雜的地形和戰斗條件，跌倒是一種潛在的危險情況。紗線基柔性應變傳感器可以用于檢測士兵是否跌倒，并在發現跌倒事件后，實時發送緊急警報，以便及時采取救援措施。

YOU等[78]構建了一種基于彈性包芯紗的可穿戴電子織物，其螺旋結構和介電層的三維彈性多孔納米纖維結構，以及導電電極的纖維聚集體結構，使得電子織物的傳感器單元具備了可拉伸性和機織性，并在多重力靈敏度方面起著關鍵作用。此外，這種基于傳感器單元的電子織物能夠識別人類或金屬的靠近，特別適用于軍事安防領域，如圖6（d）所示。其主要機理是當手指或其它接地導體接觸電子織物的傳感器單元時，邊緣電場（通過傳感器正上方的介質）被手指部分吸收并分流到地面，導致電容減少。因此，這種傳感器可以模擬人體皮膚的真實觸摸，而不受電子織物上是否有外力的影響，并且能靈敏地檢測人體或金屬導體的接近程度。

目前，紗線基柔性應變傳感器在軍事安防領域的應用將為軍隊提供更多的實時信息和智能化支持，有助于提高戰場指揮決策能力、保障士兵的安全和裝備的可靠性，進而提升軍隊的戰斗力和應對能力。

3 總結與展望

本文從可拉伸導電紗線的構成方式出發，對短纖紗基、長絲基、包芯紗基和股線基應變傳感器進行了分類和闡述。介紹了紗線基柔性應變傳感器的研究、發展和制備途徑及其應用，并對這些傳感器的穩定性、耐久性、應變范圍和響應時間等性能進行總結歸納，著重探討了紗線成形方式對應變傳感性能的影響。本文得出以下結論：

（1）短纖紗基柔性應變傳感器與其它柔性紗線混紡可提高舒適性。由于體積小，機械靈活性和靈敏度較其他結構有明顯提升，而且易于組裝成各種新結構的應變傳感器。

（2）長絲基柔性應變傳感器具有工藝簡單和易于規模化生產的優點。均質共混型導電紗線具有良好的應變性能和導電性，但導電材料在聚合物中容易分散不均，導致紗線導電性能不穩定。因此，開發有效且穩定的摻雜劑以提高紗線性能是生產均質共混導電紗線的重要方向。而核殼結構型雖然能通過增加導電涂層厚度來實現高導電性，但導電層厚度的增加和較小的可拉伸性將限制其進一步應用。

（3）包芯紗基柔性應變傳感器具有工藝簡單、結構穩定、高生產效率和優良成紗性等特點，結合導電材料與彈性紗線的包芯結構，包芯紗基傳感器不僅具備彈性纖維的高應變特性，還顯著提高了導電紗線的傳感性能，包芯紗結構是研究高性能紗線基應變傳感器的重要方向。

（4）股線基柔性應變傳感器的螺旋和加捻結構為導電紗線提供了緊密的多維空間導電網絡，相比較單根涂層型導電紗，股線基導電紗具有更好的靈敏度、導電性和穩定性等優點，彌補了單一導電材料的性能缺陷。通過研究導電材料之間的協同和界面作用，進一步改善導電紗的綜合傳感性能是股線基導電紗研究的發展方向。

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（責任編輯：周莉）