張曉峰 李國豪 胡吉永 楊旭東 丁 辛

(東華大學紡織學院紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620)

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用于人體上肢運動姿態(tài)監(jiān)測的聚吡咯導電織物的機電性能評價

張曉峰 李國豪 胡吉永*楊旭東 丁 辛

(東華大學紡織學院紡織面料技術教育部重點實驗室，上海 201620)

針對當前可穿戴電子產品對柔性可拉伸纖維基傳感元件的需求，探討導電彈力機織物用于監(jiān)測人體上肢復雜運動姿態(tài)的可行性。為此，采用原位聚合法制備3種不同類型的聚吡咯導電織物(棉/氨斜紋、棉/氨平紋和滌/氨平紋織物)，采用掃描電鏡(SEM)觀察聚合之后聚吡咯在織物中的分布狀態(tài)；分別以這3種導電織物為傳感元件，制作姿態(tài)監(jiān)測織物傳感器，進行上肢運動狀態(tài)的準靜態(tài)測試。掃描電鏡圖顯示，聚吡咯不僅吸附在織物表面，且被吸附在織物內部的每一根纖維表面，可反映所制備導電織物作為傳感器敏感材料的穩(wěn)定性。準靜態(tài)運動的測試結果表明，導電織物拉伸變形時，電阻變化的方向性差異能用于表征人體上肢的不同運動姿態(tài)，且表征過程中3種織物的電阻變化無明顯差異。隨后的棉/氨平紋導電織物彎曲運動實時測試表明，聚吡咯導電織物能夠實時呈現(xiàn)人體關節(jié)的運動幅度及運動次數(shù)。通過觀測聚吡咯導電織物的拉伸電阻變化及其方向性差異，可準確反映上肢的彎曲、旋轉及其復合運動。

彈力織物；電阻；上肢運動；彎曲；旋轉

引言

人體關節(jié)活動狀態(tài)測試在康復醫(yī)學、體育運動等領域都有著重要的應用。例如，在一些體育訓練中，關節(jié)運動信號被用來識別運動員在訓練中的不足，從而有目的地指導后期訓練；在康復醫(yī)學領域，關節(jié)的運動信號被用來檢測病人的康復過程。之前的研究中，加速計、柔性電測角計、攝像機組成的運動捕捉系統(tǒng)已被用于監(jiān)測人體運動[1]。雖然這樣的系統(tǒng)能夠準確地測量人體的動作，但它的便攜性和隱蔽性差，不方便使用。同時，這些組件為剛性或無彈性材料，如被固定在服裝上會影響人們穿著的舒適性。另外，人體膝蓋縱向的皮膚在正常的關節(jié)運動過程中會有40%左右的伸長，為了確保舒適性，在關節(jié)周圍的織物也要求有20%～30%的伸長[2]。因此，開發(fā)一種能用于人體運動與姿態(tài)監(jiān)測且不影響穿著舒適性的可穿戴系統(tǒng)顯得非常必要。導電織物由于其可變的電學特征且能夠很好地與服裝集成，因此適合用于構建這樣的可穿戴感應系統(tǒng)。

不同的傳感原理和傳感材料制作技術已被應用于人體運動姿態(tài)系統(tǒng)的開發(fā)，國內外已有很多學者對不同傳感材料的性能做了研究。在文獻[3]中，作者以導電紗線與絕緣紗線組合的機織結構設計了并聯(lián)式與串聯(lián)式的應變傳感器，通過實驗發(fā)現(xiàn)：如果機織物中的導電紗線為并聯(lián)式, 理論上可用于任意尺寸物體的大應變檢測；若為串聯(lián)式，則僅適用于較小尺寸物體的大應變檢測。文獻[4]報道了一種能夠連續(xù)長期地監(jiān)測人體關節(jié)運動的技術，監(jiān)測原理是基于關節(jié)周圍的皮膚以及彈性織物的拉伸；一根導電紗線貼附在織物上，隨著關節(jié)的彎曲導電紗線會伸長，從而導致其電阻增加。在文獻[5]中，作者采用彈性紗線制作了彈性導電帶，基于彈性導電帶組裝了一個用于檢測人體手肘和膝蓋運動角度的檢測系統(tǒng)；通過實驗發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠很好地反映手肘與膝蓋的運動角度，隨著運動角度的增加，導電彈性帶的電阻幾乎成線性增加。在文獻[6]中，作者提出采用聚吡咯萊卡織物作為一個動態(tài)電路元件組成電路，長條狀導電織物覆蓋在膝蓋上，導電織物電阻隨著膝蓋的彎曲發(fā)生變化。從以上這些研究可知，就目前采用導電織物的電阻變化來測試人體關節(jié)運動的技術而言，基本上都是研究織物在關節(jié)彎曲運動中受到縱向拉伸時織物電阻的變化與關節(jié)的彎曲角度之間的關系，僅能反映人體關節(jié)的彎曲變化。然而，人體關節(jié)的日常運動除了彎曲以外，還有旋轉以及兩者的復合運動，這些運動的同步測量才能有助于全面評價人體運動狀態(tài)。目前，很少研究利用柔性的導電織物來辨別人體關節(jié)的彎曲、旋轉運動及肢體運動的動態(tài)過程。

為了獲得滿足上述運動監(jiān)測要求的導電織物，比較成熟的工藝技術是利用導電聚合物制備?；谶@類織物的傳感器相對于其他傳感器而言，具有輕盈、良好的彈性、抗腐蝕、易制作等優(yōu)點[7]。在常用的導電聚合物(聚吡咯(PPy)、聚苯胺(PANI)以及聚噻吩(PTh))中，聚吡咯具有高導電性、良好的環(huán)境穩(wěn)定性、易合成、高黏附性、無毒等特點[8]，因此聚吡咯導電織物適合用于制作可穿戴的織物傳感器。Li等[9]研究發(fā)現(xiàn)，聚吡咯聚合尼龍/萊卡混紡導電平針織物的表面電阻在拉伸時表現(xiàn)出很高的靈敏度。Wu等研究了導電聚合物PPy涂層萊卡織物的應變-電阻關系，應變敏感系數(shù)約25[6]。因此，采用聚吡咯導電織物制作的傳感器集成到服裝中，其電阻值將隨著關節(jié)的運動而發(fā)生改變，電阻值的方向性變化就能監(jiān)測人體關節(jié)的運動分量。同時，作為一個可穿戴的傳感元件，聚吡咯導電織物導電性能的穩(wěn)定性也是一個很重要的指標。Amol等研究了聚吡咯導電棉織物的導電穩(wěn)定性[10]，提出：聚吡咯導電棉織物的電阻隨著在空氣中暴露的時間增加而增大，而摻雜劑的加入使得電阻增大的速率大大減小，這是由于空氣中的氧氣破壞了聚吡咯大分子的共軛結構，從而使電阻增大；同時，洗滌作用會使得電阻增大，干洗之后的電阻增加程度明顯小于濕洗之后，這是由于洗滌使聚吡咯上的摻雜離子脫落，并且水中的堿性離子會使得聚吡咯大分子發(fā)生脫摻雜反應，從而使電阻增加。另外，Liang等采用標準膠帶測試法，對聚吡咯導電棉織物上聚吡咯對棉織物的機械附著強度進行測試，發(fā)現(xiàn)加入摻雜劑聚合得到的聚吡咯導電織物經過100次測試循環(huán)之后，電阻幾乎沒有變化[11]。從當前的研究來看，摻雜劑的加入使得聚吡咯導電織物的導電性能穩(wěn)定，符合傳感器的設計要求。

從前面的敘述可知，采用到導電織物作為傳感元件時能反映肢體運動。因此，為了獲得導電性能穩(wěn)定的聚吡咯導電織物，本研究以三氯化鐵(FeCl3)為氧化劑、蒽醌磺酸鈉(AQSA)為摻雜劑，通過原位聚合法制備聚吡咯導電彈力機織物。從前面敘述還可知，目前采用導電織物作為傳感元件來監(jiān)測肢體運動時，僅關注肢體的彎曲運動。為了探索導電織物是否可用于表征上肢的復雜運動姿態(tài)以及運動的動態(tài)過程，采用正方形的聚吡咯導電彈力機織物貼附于人體肘關節(jié)，檢測該織物沿兩對角線上的電阻，通過在兩個方向上電阻值的差異來表征上肢的彎曲、旋轉運動和手臂伸屈運動的動態(tài)過程。

1 材料與方法

1.1 材料

化學試劑：吡咯，化學純，國藥集團；三氯化鐵(FeCl3)，化學純，國藥集團；蒽醌磺酸鈉(AQSA)，分析純，國藥集團；氫氧化鈉(NaOH)，分析純，上海試劑一廠。采用了3種織物試樣，其規(guī)格參數(shù)如表1所列。

表1 織物試樣的規(guī)格參數(shù)

1.2 原位聚合法制備聚吡咯導電織物

聚吡咯導電織物的主要制備工序依次分為兩步：堿減量處理和原位聚合。

1)堿減量處理：將織物沿著經、緯紗方向剪成8 cm×8 cm的正方形試樣，然后放入濃度為1 mol/L的NaOH溶液浸泡1 h。取出后用大量清水沖洗，再用蒸餾水清洗，直至洗液呈中性。將清洗好的織物放入溫度80℃的烘箱中干燥20 min，使織物充分干燥。

2)原位聚合：將烘干好的織物放入吡咯與AQSA的混合溶液中，在溫度為0℃的冰浴中浸漬1 h，讓織物充分吸收吡咯。其中，吡咯的濃度為0.12 mol/L，AQSA的濃度為0.01 mol/L。然后，將濃度為0.18 mol/L的FeCl3溶液用滴定管滴入織物與吡咯的混合溶液中，再將這些混合溶液放入溫度為0℃的冰浴中充分反應2 h。之后，將試樣取出用蒸餾水沖洗，直至蒸餾水中無黑色顆粒狀物質，接著將試樣放入溫度80℃的烘箱中干燥20 min。

1.3 關節(jié)運動表征

通過測試導電織物電阻的變化來表征關節(jié)運動，為了測試導電織物多個方向上的動靜態(tài)電阻，設計了一個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

該系統(tǒng)選擇一個能夠有效精確地測試電阻的惠斯通電橋測試電路，因為惠斯通電橋(見圖1(a))已經被證明是一個最佳的選擇[12]。采用惠斯通電橋來測試織物電阻時，Rx可以采取如下計算：

當電橋平衡時，Vg=0，有

(1)

當Vg≠0時，有

(2)

恒定電壓Vs由吉時利2231A-30-3型三通道直流電源提供，Vg通過USB-M19289B12型號數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)采集(采樣頻率為200 Hz)，整個測試示意如圖1(b)所示。其中，采用兩個電橋同時測試導電織物兩個對角線方向上的電壓，然后通過式(1)、(2)計算得出兩個方向上的電阻。在測試時，采用直流電源的兩個通道對兩個電橋同時輸入10 V的電壓，即Vs=10 V，其中R1=R3=200 Ω，R2=100 Ω。

圖1 測試系統(tǒng)。(a)惠斯通電橋電路;(b)測試示意Fig.1 Test system. (a) Wheatstone bridge circuit; (b) Schematic diagram of test procedure

1.3.1 關節(jié)彎曲運動表征

在測試關節(jié)彎曲運動時，將聚吡咯導電織物分別修剪成7 cm×7 cm大小的試樣，并將其縫在護肘上的相應位置(見圖2，其中方向1為圖1中的AB向，方向2為CD向)，使織物的經向沿著手臂方向，然后貼上電極，并將導線與電極固結相連，接入測試系統(tǒng)。然后，將護肘戴在測試者的手臂上，定位導電織物覆蓋肘關節(jié)，且按圖1(b)所示的方案連接好測試電路。為了在準靜態(tài)測試過程中能夠控制肘關節(jié)的彎曲角度，自制了一個簡易裝置進行角度測量，如圖3所示。關節(jié)彎曲角度以20°為增量或減量，先從0°增大到120°，然后逐次減小，從120°回復到0°，測試5個循環(huán)，計算在5個循環(huán)下每個角度對應電阻的平均值。

圖2 測試用護肘Fig.2 Elbow pad attached with sensing elements

圖3 自制角度測量儀Fig.3 Angle measuring instrument

1.3.2 關節(jié)旋轉運動表征

測試旋轉運動時護肘的佩戴和固定同上一節(jié)，初始時關節(jié)應屈成90°置于托板上，如圖4所示。定義從位置1→位置2旋轉手臂為內旋，從位置2→位置1為外旋，一次內旋與一次外旋為一個循環(huán)，旋轉時手臂不離開托板。測試10個循環(huán)，觀察織物電阻隨著旋轉的實時變化。

圖4 手臂旋轉示意Fig.4 Diagram of human arm rotating direction

1.3.3 上肢伸屈運動動態(tài)表征

上述分析都是將關節(jié)運動離散成幾個特征動作，對每個特征動作得出的電壓進行測量，然后換算成電阻，通過電阻的變化來表征關節(jié)的運動。而在現(xiàn)實生活中，人們關節(jié)的運動都是連續(xù)動態(tài)的。如果能通過導電織物的電阻變化對關節(jié)的連續(xù)運動進行表征，則對以后組裝成可穿戴的運動監(jiān)測系統(tǒng)具有現(xiàn)實應用意義。在測試時，按彎曲運動的表征方法，穿戴好縫上導電織物的護肘并連接好電路；手臂自然下垂，開始測量后不停地重復伸屈動作，用數(shù)據(jù)采集卡記錄下這段連續(xù)時間內的電壓變化。測試時，測試者在規(guī)定的30 s時間內完成20 次的伸屈運動，盡量保證每一次的運動速度一致。測試5個循環(huán)，取其平均值。

2 結果

2.1 導電織物形貌表征

采用掃描電鏡(SEM)觀察聚合之后的織物形貌，其SEM圖片如圖5所示，其中(a)系列為放大200倍的SEM圖，(b)系列為放大1 500倍之后的SEM圖。從圖5(a)中可以看出，在3塊織物表面上吸附了一層均勻的聚吡咯；從圖(b)中可以看出，聚吡咯不只是吸附在織物表面上，每根纖維表面也吸附上了一層聚吡咯。這使得織物在經歷摩擦等機械作用后，只是織物表面上的聚吡咯有一定的脫落，而織物內部纖維的聚吡咯層不會有太多影響。因此，導電織物的導電性能不會有明顯影響。

圖5 3種織物聚合之后在不同放大倍數(shù)下的掃描電鏡圖。(a) 200倍; (b) 1 500倍Fig.5 SEM micrograph of fabrics after polymerization with different maganification. (a) 200×; (b) 1500×

2.2 關節(jié)彎曲運動表征

圖6為圖2所示織物在兩個方向上的電阻隨著關節(jié)彎曲角度變化而變化的趨勢。可以看出，3種織物的電阻均隨關節(jié)彎曲角度變化而變化，棉/氨斜紋織物的電阻在兩個方向的差異比其他種織物的??；相對而言，棉/氨平紋織物的電阻變化一致性較好?？傮w來說，3種織物的電阻變化趨勢及幅度無明顯差異：隨著彎曲角度的增加，在方向1上的電阻增大，方向2上的電阻減?。幌喾?，隨著彎曲角度的減小，方向1上的電阻減小，方向2上的電阻略微增加。這說明在關節(jié)彎曲過程中，覆蓋在關節(jié)上的導電織物受到的拉伸力在織物兩個方向上并不是一樣的，沿方向2織物的受力大。這就導致在彎曲過程中織物沿方向2受到拉伸而伸直，而在方向1上織物有一定程度的彎曲、起拱。由于不同的織物變形機理，導致在相應方向上電阻變化有差異。導電織物主要由紗線電阻以及經、緯紗在交織處的接觸電阻構成電阻網絡。對于紗線電阻，織物受到拉伸時，受拉方向上的的紗線由于受到外力作用而伸直，使得紗線內部的纖維之間接觸更加緊密，從而紗線內部的導電通路增多，紗線電阻減小；對于接觸電阻，織物受到拉伸時，經、緯紗線交織點接觸更加緊密，從而接觸電阻減小。當織物在方向2受到拉伸時，該方向上的屈曲紗線被伸直、壓扁，形成紗線的纖維之間接觸更緊密，且經、緯紗之間接觸面積更大，所以電阻減?。欢藭r在方向1上織物被彎曲起拱，經、緯紗在交織處會有一定程度的分離，使接觸電阻增大，所以該方向上的電阻略微增大。

圖6 織物電阻與關節(jié)彎曲角度的關系。(a)棉/氨斜紋; (b)棉/氨平紋; (c)滌/氨平紋Fig.6 Relationship between fabric electrical resistance and joint bending angle. (a)C/SP plain; (b)C/SP twill; (c)T/SP plain

同時，從圖6中可以明顯看出，3種類型的織物無論在方向1還是在方向2上，電阻變化在手臂的一個彎曲循環(huán)中都存在滯后性。這是因為，織物在手臂彎曲過程中被拉伸，產生了不可回復的塑性變形。因此，織物在回復過程中相同位置的電阻值會產生差異，從而產生電阻變化的滯后性，并且方向2上的滯后性明顯比方向1上的要大。如前所述，手臂彎曲過程中織物在方向2上受到的拉伸作用大，所以織物在方向2上產生的塑性變形大，使得其滯后性增大。

2.3 關節(jié)旋轉運動表征

圖8 上肢伸屈運動的動態(tài)測試。(a)方向1；(b)方向2Fig.8 Real-time recording of upper limb flexion extension movement. (a) Direction 1; (b) Direction 2

圖7所示為織物電阻隨著關節(jié)旋轉而變化的趨勢，其中的數(shù)據(jù)點為人體手臂旋轉10次循環(huán)中各次導電織物的電阻變化?？梢钥闯觯?種織物的電阻均隨手臂周期性的轉動而周期性地變化，且棉/氨斜紋織物和滌/氨平紋織物在方向2上的電阻隨循環(huán)次數(shù)的增加而略微下降。相對而言，棉/氨平紋織物的電阻變化在周期性旋轉運動中比較穩(wěn)定，但3種導電織物在關節(jié)旋轉運動過程中的電阻變化無明顯差異。在每一次的旋轉循環(huán)的內旋階段，即由位置1旋轉至位置2(見圖4)時，電阻都是在方向1上增大，在方向2上減小，而在外旋階段與之相反。這是因為，關節(jié)每一次的旋轉運動，都使得導電織物在方向2上拉伸，而在方向1上會相應彎曲起拱。由前述彎曲運動的分析可知，導電織物在方向2上被拉伸，所以電阻減?。幌喾?，方向1上的電阻增大。故綜合兩個方向上的電阻變化信息可知，當方向1的電阻增大而方向2的電阻減小時，手臂內旋；當方向1的電阻減小而方向2的電阻增大時，手臂外旋。同時，從圖7中可以看出數(shù)據(jù)有一定的波動性。產生這種波動性的原因與在彎曲運動中產生滯后性的原因一樣：織物在手臂的多次旋轉運動中被反復拉伸，從而使織物產生了不可逆的塑性變形，使得織物在同一位置的電阻產生差異。

2.4 上肢伸屈運動動態(tài)表征

從前面準靜態(tài)測試的結果可知，3種導電織物在表征人體關節(jié)運動的過程中電阻的變化沒有明顯差異，故在進行上肢伸屈運動的動態(tài)表征時，選取棉/氨平紋導電織物為例進行測試(見圖8)。

圖7 織物電阻與關節(jié)旋轉之間的關系。(a)棉/氨斜紋; (b)棉/氨平紋; (c)滌/氨平紋Fig.7 Dependence of fabric resistance on joint rotation extent. (a)C/SP plain; (b)C/SP twill; (c)T/SP plain

圖8所示為該織物兩端的電壓在手臂不停地做伸屈運動過程中的變化，其中的數(shù)據(jù)點為經過低通濾波處理得到的5次測試的平均值，每一個完整的波形代表手臂的一次伸屈運動。可以看出，兩個方向的測試結果在30 s時間內都有20個波形，這與測試者的運動次數(shù)相同。兩圖中的波形有高有低，這是因為手臂在運動過程中每一次下垂和上抬的力度都不一樣，導致每一次織物的變形不同，所以電阻的變化不一致，故電壓的變化也不一致。

3 討論和結論

3種不同類型的聚吡咯導電織物作為傳感元件，在表征上肢關節(jié)的準靜態(tài)運動時電阻變化沒有明顯差異，說明它們均能用于表征上肢關節(jié)運動。但是，測試結果顯示，在關節(jié)運動中導電織物的響應均具有滯后性及波動性，這是由于織物在拉伸作用下產生的塑性變形所致，為拉伸電阻式織物傳感器的內在缺陷。電阻式織物傳感器本質上是源于織物的紗線交織狀態(tài)和紗線中纖維交叉狀態(tài)的變化，也就是織物在不同尺度下的構成單元間接觸狀態(tài)變化引起織物電阻變化。接觸狀態(tài)變化反映了紗線及纖維之間的相對滑移和變形，因它們之間的滑移摩擦作用導致發(fā)生的滑移和變形具有一定程度的塑性變形，表現(xiàn)為拉伸電阻式織物傳感器的響應滯后性和響應重復性。但是，織物的這種塑性變形在同一批次中具有統(tǒng)計學規(guī)律。在進行基于織物拉伸電阻變化的傳感器設計時，對于同一批次的導電織物可以進行多次測量，確定這種滯后性隨著拉伸次數(shù)增加的變化規(guī)律，這樣可在傳感器的轉換函數(shù)中增加補償量，以減小甚至消除這種滯后性。

聚吡咯導電織物適用于開發(fā)監(jiān)測人體上肢肘關節(jié)運動的柔性傳感器，且本研究證實：通過綜合導電織物在兩個方向上電阻變化的方向性差異，可判斷上肢的彎曲以及旋轉運動狀態(tài)，為上肢功能運動表征提供了一種便捷的方法。當然，由于織物本身存在的滯后性，在以后的研究中需要確定其塑性變形對電阻響應滯后性的影響規(guī)律，以便定義傳感器的轉換函數(shù)，進一步提高測試精度。除此之外，筆者沒有對聚吡咯導電織物因摩擦、洗滌等機械作用而產生的電阻不穩(wěn)定性問題進行探討，改進的方法之一是采用透氣導濕膜對導電織物進行封裝，這在后續(xù)研究中將給予驗證。

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Mechanic-Electrical Property Characterization of PPy-Coated Conductive Woven Fabric for Human Upper Limb Motion Monitoring

Zhang Xiaofeng Li Guohao Hu Jiyong*Yang Xudong Ding Xin

(KeyLabofTextileScience&Technology,MinistryofEducation,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

The emerging wearable electronics require a kind of fiber-based flexible and stretchable sensing elements. It is studied for the capability of conductive woven stretch fabric in sensing human upper limb motion behavior as well as its sensing mechanism. This article proposed three types of polypyrrole (PPy)-coated woven fabrics by in-situ polymerization, i.e. C/SP plain fabric, C/SP twill fabric and T/SP plain fabric. The scanning electron microscopy (SEM) was used to observe the distribution of polypyrrole on fabric as well as fibers. Each of three PPy-coated fabrics was considered as the sensing element to test the quasi-static bending and rotation motion. From the scanning electron microscopy (SEM) of the fabric after polymerization, it can be seen that the PPy was not only adsorbed on the surface of the fabric but on the every fiber inside of the fabric, which represented the resistance against mechanical abrasion. The results of the quasi-static test showed that all of the three fabrics can reflect the human limb motion, and the change of their resistances had no observable difference. And then, the C/SP plain fabric was taken an example to test the real-time bending motion of limb motion. The results of the real-time test showed the PPy-coated woven fabrics can reflect real-time motion amplitude and numbers of the motion. It is concluded that the directional differences of the resistance of the PPy-coated woven fabrics can reflect the bending and rotatory movement of the human upper limbs.

stretch fabric; electrical resistance; upper limb movement; bent; rotatory

10.3969/j.issn.0258-8021. 2015. 06.005

2015-05-15， 錄用日期:2015-10-30

國家自然科學基金(51405079)；中國博士后科學基金(2015M570307)；中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金

R318

A

0258-8021(2015) 06-0670-07

*通信作者(Corresponding author)， E-mail: hujy@dhu.edu.cn