紡織基柔性力學傳感器的研究進展

王志偉，黃繼偉，凌新龍

(廣西科技大學生物與化學工程學院，廣西柳州 545006)

0 引言

近年來，隨著人工智能的迅速發展，各個領域中智能可穿戴設備的應用愈發廣泛。 柔性傳感器在智能可穿戴設備中具有關鍵作用，屬于核心部件，一直是研究熱點。 利用紡織材料的柔性、彈性、輕質、多維多尺度結構、以及低成本等特征，以紡織材料為基底與各類傳感材料或元件以不同方式結合制成的紡織基柔性傳感器可以滿足各類可穿戴設備在手感、柔韌性、親膚性以及多元多維化上的要求，使傳感器具有更為廣泛的應用前景。 紡織基柔性力學傳感器可以與服裝實現一體化設計，具有其他智能可穿戴設備無法比擬的優勢，大大增加了智能可穿戴設備的應用設想。

本文首先對柔性力學傳感器的工作原理和分類進行了概述，分析了紡織基柔性力學傳感器的常用材料、制作方法、結構設計的研究現狀。 然后結合近幾年電阻式、電容式、壓電式以及多功能紡織基柔性傳感器的研究現狀綜述了傳感器的研究進展。 最后，討論總結了紡織基柔性觸覺傳感器所面臨的挑戰，并對未來的應用前景進行了展望。

1 紡織基柔性力學傳感器概述

1.1 工作機理及分類

力學傳感器是可將拉伸、壓縮、扭轉等不同形式的受力轉換成電信號輸出的元器件，技術研究和解決的主要問題是如何將外界形變的刺激信號有效轉換為電信號。 敏感元件、轉換元件、基本電路是力學傳感器的三大組成部分。 力學被測量由敏感元件感知響應，被測量在轉換元件中轉換成電參量，再由基本電路將電參量轉換成電量值輸出進行數據處理、記錄、顯示。 轉換元件的信號轉換方式決定了傳感器的工作原理，常見的三種方式分別為壓阻式、壓電式、電容式[1]， 而由于傳感材料以及制備方式的限制，紡織基柔性壓力傳感器通常是采用電阻式和電容式。 根據被測量的力學信號的不同，可分為壓力式和應變式。 從形態上傳感器可分為一維纖維狀、二維織物狀[2]。 此外，由于摩擦納米發電、有機場效應管等理論的出現與應用，新型柔性壓力傳感器展現出了更好的研究前景。 判斷柔性力學傳感器的性能優劣主要是從穩定性、靈敏度、傳感范圍、響應時間、最小檢測限度等指標評價，開發各性能指標協調且使柔性力學傳感器滿足實際應用需求是科研人員不斷的最終目標。

1.2 常用材料

由于基底材料需要作為骨架支撐起柔性力學傳感器，其材料在機械、柔韌、耐用、生物安全等方面的性能必須優異，而以纖維、紗線為基本單位的紡織材料恰好可以滿足基底材料的性能要求。 以不同紡織工藝生產的不同結構的紡織材料作為基地會使傳感器的性能發生改變，同時不同組織結構的組合，也可以形成不同類型、性能各異的傳感器[3]。 因此按紡織不同階段可以將紡織基柔性力學傳感器分為一維纖維狀和紗線狀傳感器、二維織物狀傳感器和三維的服裝紡織品[4]。 同時織物的復雜纖維結構也有足夠大的比表面積，可使用化學法、浸泡法等將活性材料固定在纖維表面，而且織物不同的組織方式也可為傳感器提供不同的設計。從織物的結構上可按梭織、針織、非織造布對傳感器進行區分。

各種導電材料包括碳基材料中的石墨烯[5－7]、碳納米管[8－9]、碳黑[10]；金屬納米粒子[11]和納米線[12]、液態金屬[13]；導電聚合物中的聚吡咯[14]、聚苯胺[15]、聚噻吩[16]等；過渡金屬碳/氮化合物(MXene)、黑磷、硼烯等[17－20]均被用于構筑高性能柔性力學傳感器。 引入這些材料是因為它們賦予紡織品均勻的導電性，同時還能保持紡織品的固有特性。 在實際生產過程中，需要根據各導電材料不同的性能，適用的加工工藝、成本等方面來選擇不同的導電材料。 如根據滲透導電網絡理論，納米材料在結構上具有高縱橫比，使用較少的材料就可構建高效滲透的導電網絡。 其中金屬納米材料因具有高導電性和簡單制備工藝優勢被廣泛應用。 碳基材料由于低的成本和可復合性，也具有其使用優勢。 對于壓電類紡織基柔性力學傳感器，常選用聚酰胺11、聚丙烯、聚偏氟乙烯及其聚合物等有機聚合物作為壓電材料。 因為雖然其壓電系數較低，但柔韌性較好，特別是其中聚偏氟乙烯具有較高的壓電靈敏度[21]。

1.3 制作方法

目前，紡織基柔性力學傳感器活性層一般由紡織材料和導電功能材料兩部分組成。 由于紡織材料多為絕緣材料，因此構建導電功能化紡織材料是制備紡織基柔性傳感器的關鍵。 然而，由于紡織結構的多樣性和導電材料的復雜性，導電材料很難集成到紡織體系中。 將導電材料集成至紡織品中生產導電紡織品的方法主要分為兩類:一類方法是采用表面功能化改性工藝，在紡織材料表面沉積導電材料，常用的表面功能化改性工藝為浸漬、噴涂、電鍍、化學鍍等[14，22，23]；另一類方法是在纖維表面或內部構建導電網絡結構，最常用的是濕法紡絲法和靜電紡絲法[24－26]。

常用的印刷方法如模板印刷、絲網印刷、噴墨印刷等可以根據設計好的圖案將導電油墨選擇性沉積在紡織品基材上形成導電層。 此類方法可批量生產，能有效的降低成本。 浸涂法是通過將紡織材料浸入導電溶液中形成導電涂層，但是很難實現聚合物的均勻覆蓋，而噴涂可有效改善這一情況。物理氣相沉積技術是在織物上沉積金屬材料常用的方法，采用真空、低電壓、大電流條件下的電弧放電技術，使金屬靶材在放電氣體中蒸發并電離，被蒸發物質及其反應產物會在電場的加速作用下在紡織材料上沉積[27]。 相對于以上將導電材料物理附著在紡織品表面的辦法，通過化學反應在紡織品表面合成新的具有導電性的材料，具有更好的結合力和均勻性。 將導電功能材料添加到濕法紡絲和靜電紡絲的紡絲液中，可以從纖維層次上將導電材料集成到所制備纖維中，在最大程度上保留紡織材料原有的強度、柔韌性和舒適性等特性。

1.4 結構設計

由于各種場景對紡織基柔性力學傳感器應用需求的差異化，不僅要求高的靈敏度，最終產品在機械性能、生物安全以及重量等方面的要求也就不盡相同。 因此，需要通過材料的不同組合和新的結構設計使傳感器的差異性更強、適配性更好。

為實現高拉伸性能，除了使高拉伸的紡織基底材料外，必要的幾何結構設計可以大幅提高復合材料的拉伸性能。 如相互重疊的納米材料滲透網絡、島－橋相連的碎片結構都可以通過結構減少或緩解納米導電材料所承受的應變，從而提高復合材料的拉伸性能[28－30]。 其他如波浪形、 馬蹄形設計，分級結構、多孔結構等[31－35]，在改變拉伸變形狀態上也有顯著效果。 通過紗線中纖維的加捻、纏繞方式的變化或不同纖維間共混方式的不同，可以獲得高靈敏度和相對較寬的工作范圍[36－38]。 織物從二維到三維尺度上具有大量的微結構，通過不同的交織方式還可以實現豐富的表面紋理，也可通過多種組合形成如間隔、多層堆疊等結構以滿足柔性力學傳感器的設計要求[39－42]。

2 紡織基柔性力學傳感器的研究進展

2.1 電阻式紡織基柔性力學傳感器

基于壓阻效應電阻式紡織基柔性力學傳感器的優勢在于其簡單的結構，穩定性、靈敏度高且檢測范圍廣。 電阻的變化主要來自于外力作用于傳感器時幾何結構的改變、電極之間接觸面積的變化或由納米材料組成的導電路徑的變化。

對于自身具有良好導電性和信號傳輸性能的金屬基[43]、碳基[44]紡織材料，只需通過紡織品結構設計就可以制備力學傳感器，如Li 等[45]用碳纖維與滌綸(PET)紗線交織制備了蜂窩結構織物壓力傳感器，其靈敏系數達到0.045 kPa－1，傳感遲滯性小于0.06，可以實現對小壓力范圍的精準監測，且可重復性和耐久性很高。 電阻式紡織基柔性力學傳感器是通過簡單的物理或者化學的方法將導電材料負載到紡織材料表面，但是重復的拉伸或壓縮會破壞基體表面導電網絡影響傳感性能，該方法優勢在于其簡單的制備過程。 Wang 等[46]利用芯吸效應將石墨烯沉積到具有芯鞘結構的包芯紗纖維表面制得的具有高彈性傳感器，可承受到1 萬次的拉伸－回復循環測試。 Zhu 等[47]創新地采用毛細管法將銀納米線(AgNWs)整合到聚氨酯(PU)纖維表層形成完全導電的網絡，制備了直徑為毫米的高靈敏度、可拉伸纖維應變傳感器。 高度可拉伸的PU 基體和AgNWs 導電網絡的嵌入式結合，賦予PU/AgNWs 纖維出色的可靠性和穩定性。 以導電材料與聚合物為原料通過濕法紡絲或熔融紡絲制備復合纖維構筑的力學傳感器結構穩定、可紡織加工性良好，但導電材料在復合纖維中的比例會影響傳感器的靈敏度和拉伸斷裂強度。 Seyedin等[25]用混合有Mxene 的PU 紡絲液進行濕法紡絲制備出的Mxene/PU 復合纖維，其響應快且導電性良好，特別是其靈敏系數隨著拉伸形變量的增加急劇增強，可達12900。 研究人員通過材料的不同結構設計，如多孔、泡沫、仿生或金字塔形，可以在一定程度上優化傳感器的性能[48－55]。 雖然電阻式紡織基柔性力學傳感器已經在各領域廣泛應用，但在大部分應用場景，如人機交互設備、智能可穿戴服裝中，傳感器都需要面對大量的長時間、重復性機械變形，導致傳感器在耐用和穩定等性能上仍需突破。

2.2 電容式紡織基柔性力學傳感器

相比于電阻式紡織基柔性力學傳感器，電容式的響應速度更快、動態范圍更廣、功耗更低[56]，因為其工作原理是通過外力改變使電容器極板之間的距離、相對面積或中間介質狀態來改變電容值，這與平行板電容器工作原理一致。

以纖維為基底材料的電容式傳感器在電容結構的構筑上通常以制備的“皮芯結構”纖維為材料，構筑方式通常使用經緯交織、加捻等。 Zhang等[57]以棉纖維為外層包裹鍍銀尼龍纖維制成包芯紗，再用聚氨酯固定，將兩根導電包芯紗加捻制成的螺旋結構的電容式傳感器具有細小的直徑(0.6±0.05 mm)和織物的紗線形態。 其中鍍銀尼龍纖維作為電極層，聚氨酯涂層作為介電層。 以導電織物作為電極，中間填充柔彈性絕緣材料的三明治式結構是織物基電容式柔性力學傳感器常用的一種結構。 Keum 等[58]制備的電容式傳感器以導電滌綸織物作為電極，聚偏氟乙烯－六氟丙烯/離子液體(PVDF－HFP/IL)復合膜為介電層，其壓力監測范圍高達100kPa，且耐用性較好。 電容式紡織基柔性力學傳感器與服裝的完美融合以及突出的耐用性，在可穿戴設備上有其他類型傳感器無法比擬的優勢，這將助力其在可穿戴設備上的發展與應用。

2.3 壓電式紡織基柔性力學傳感器

利用紡織材料(例如纖維和織物)的壓電傳感器的研究相對于電阻式和電容式紡織基柔性力學傳感器還不夠廣泛和深入。 通過壓電效應，壓電材料可以將機械能轉化為電能輸出，以壓電材料制備的傳感器也就具有了更快的響應速度，更高的敏感度，以及自供電的優勢。 因為壓電材料的這些特點，壓電式傳感器廣泛應用于動態刺激檢測，如振動、彎曲、滑移等運動，特別是在低功耗傳感設備上是首選材料。 He 等[59]將PVDF 和四針狀氧化鋅(T－ZnO)混合涂覆在PET 織物網上，將T－ZnO 納米結構的抗菌性能和壓電、氣敏、光催化結合在一起。 T－ZnO/PVDF 的壓電效應導致了運動動力觸覺感知行為，例如電子皮膚可以檢測肘部彎曲或手指按壓。 Mokhtari 等[60]采用熔融紡絲法制備含鈦酸鋇(BT)納米粒子和不含BT 納米粒子的PVDF混合壓電纖維，將其織造為針織織物應用于膝蓋部位運動的實時監測。 不同于通過納米結構來提高PVDF 壓電薄膜的輸出性能，Ahn 等[61]以PVDF 薄膜為中間層夾在3D 間隔織物中間，對3D 間隔織物單絲施加預應變以減小能量吸收間隔，并將單絲用作壓力變送器，將壓電輸出電壓(4.6 V)放大5倍(25.6 V)。

2.4 多功能紡織基柔性力學傳感器

近年來紡織基柔性力學傳感器多功能化已經成為一種研究趨勢。 因為使用場景的不同，傳感器在追求性能提升的同時往往需要被賦予抗菌、阻燃、電磁屏蔽等功能[62－65]。 Zheng 等[66]將粘彈性MXene 油墨絲網印刷在非織造布上，構建壓力傳感器和超級電容器的交叉電極。 將交叉電極與MXene/AgNWs 裝飾的無紡布層結合形成壓力傳感器，涂覆凝膠電解質構建全固態超級電容器，并集成形成多功能自供電壓力傳感器，不僅傳感性能良好，而且具有超快的溫度響應和優異電磁屏蔽性能。 將高電導率和機械柔韌性的水溶性聚乙烯醇(PVA)模板輔助銀納米纖維(AgNFs)轉移到織物表面作為傳感器電極，采用表面結構尺寸穩定性好、力學性能優異的高彈性3D 織物作為電容介電層，構筑的傳感器具有壓力和拉力的雙響應性能。

3 總結與展望

本文主要從電阻式、電容式、壓電式和多功能方向總結了紡織基柔性力學傳感器近期的研究進展，詳細闡述了構建基于紡織材料的柔性力學傳感器的工作機理、常用材料、制備方法及其結構設計。紡織材料因其特殊的紡織結構成為設計柔性力學傳感器的理想載體。 結合它自身所擁有的豐富結構、吸濕、柔軟、透氣舒適、低成本等優點，近年來發展突飛猛進，已深入的融合進可穿戴設備，在醫療監測、環境監測、運動監測等方面的應用尤為突出。但隨著實際應用對傳感器性能要求的進一步提升和不同應用場景對傳感器的差異化、多功能化要求，使傳感器的發展仍然面臨諸多挑戰。 通過選用適合基底和導電材料、優化的傳感器結構設計等方法提高其重復性、耐用性、生物安全性、穩定性等重要性能指標仍需進一步研究。 紡織基柔性力學傳感器的發展必須從實際應用出發，加強新材料的運用，并進行多功能、一體化的開發。 同時因為應用領域的廣泛性，傳感器需要多學科交叉的共同研究，紡織基柔性力學傳感器的發展前景有著巨大的潛力和重要意義。