肖學良， 董科， 何文濤， 王霞， 吳美橋， 其美拉珍

(江南大學 紡織服裝學院，江蘇 無錫 214122)

可穿戴電子服裝中織物電極的研究進展

肖學良， 董科， 何文濤， 王霞， 吳美橋， 其美拉珍

(江南大學 紡織服裝學院，江蘇 無錫 214122)

針對織物電極在可穿戴電子服裝中的應用要求，分別介紹當前織物電極的材料和結(jié)構類型，分析織物電極材料和結(jié)構參數(shù)對心電信號采集穩(wěn)定性的影響，總結(jié)織物電極的使用原理以及信號采集穩(wěn)定性和舒適性之間的關系，展望未來可穿戴電子服裝中織物電極的應用前景和發(fā)展方向。

織物電極；可穿戴電子服裝；心電信號；舒適性；穩(wěn)定性

近幾年，人類慢性病(如心腦血管疾病)患者比例不斷增加，導致意外猝死事件頻發(fā)。為了解慢性病的積累程度，患者需在醫(yī)院進行生理信號的長期監(jiān)測，導致醫(yī)院內(nèi)(如心電、B超等監(jiān)測部門)掛號和就診等待時間長和排隊擁擠等。為了緩解該現(xiàn)象，現(xiàn)代醫(yī)療的新理念是讓慢性病的監(jiān)測從醫(yī)院走向社區(qū)和家庭，患者在家中按需監(jiān)測，通過物聯(lián)網(wǎng)技術將生理信號傳送到醫(yī)院，醫(yī)生則根據(jù)信號及時給出診療建議。該思路極大地推動了可穿戴電子服裝的研發(fā)[1]，也推動了其在深潛、軍事、航天、消防等領域的應用研究。電子服裝結(jié)合了紡織服裝技術、微電子技術、通信技術和云技術，可長期監(jiān)測人體生理信號，能在緊急病情發(fā)生前預警，使患者第一時間得到救助。

信號采集電極作為電子服裝的傳感材料，早期多采用粘貼式電極(核心成分為Ag/AgCl)，檢測時需在電極與皮膚間涂抹導電膏。但是導電膏易干，不適合長時間監(jiān)測，連續(xù)使用也會造成皮膚過敏瘙癢或發(fā)炎[2]。

織物電極是一種可長時間監(jiān)測生理信號的柔性干電極。它采用紡織加工技術將導電材料加工成功能性面料，可采集皮膚表面的微弱電勢(生物電信號)。與濕電極相比，織物電極更適合長時間監(jiān)測生理信號。文中綜述了可穿戴監(jiān)測系統(tǒng)中織物電極的材料、結(jié)構和性能的研發(fā)情況，并對其舒適性和監(jiān)測信號穩(wěn)定性的關系進行相應分析。

1 織物電極材料

傳統(tǒng)的Ag/AgCl凝膠電極如圖1所示。織物電極可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Ag/AgCl電極，通過無線傳輸技術，可以實現(xiàn)穿戴、長期、連續(xù)、無擾地監(jiān)測生理信號。相比凝膠電極，織物電極的優(yōu)點在于它的穿戴性、柔軟性、透氣性、舒適性和采集實時性，以及它給監(jiān)護對象帶來的良好體驗。

圖1 Ag/AgCl電極及其復合導電凝膠的織物電極Fig.1 Ag/AgCl electrode and its textile composite electrode

織物電極的材料一般可分為極化金屬、非極化金屬、聚合物鍍層金屬、導電聚合物、納米級有機硅和碳黑等材料[3]。目前,研究熱點包括新型導電聚合物(改性高分子聚酰亞胺)、微型貴金屬、石墨烯、改性導電橡膠、干泡沫電極等。就織物電極而言，新型導電聚合物最易織成電極結(jié)構，同時因其柔性、輕質(zhì)、可編織性強等優(yōu)點引起人們的關注。導電聚合物按照結(jié)構和制備方法不同，可分為復合型、離子型和結(jié)構型。3種結(jié)構類型因材質(zhì)和結(jié)構不同，導電能力差異較大[4]。

另外，聚吡咯/棉織物電極與目前常見的多孔碳材料涂層電極相比，不僅具有無可比擬的柔性和力學性能，而且還有質(zhì)輕、低成本和無毒性的特點，并具有較高的電導率，可以滿足織物電極柔性可穿戴的要求。例如，岳彬彬[5]利用普通的棉織物，通過原位化學聚合(CP)、氣相沉積聚合(CVD)及界面聚合，制備了聚吡咯涂層織物，在反復高強度拉伸后，聚吡咯涂層織物依然能保持較高的電化學性能，能夠適合人體運動時的拉伸，實現(xiàn)織物電極柔化、輕質(zhì)化，可應用于可穿戴監(jiān)測電子服裝。

丁辛等[6]采用先化學合成再電化學鍍的方法，在織物表面基底涂覆聚吡咯導電層，制備了一種用于采集心電信號織物電極，這種織物電極具有良好的導電性能，且具有良好的柔軟透氣透濕的性能，可直接與監(jiān)測對象的皮膚表面接觸，進行長期的心電采集。

對于某些織物電極，多采用導電材料和常規(guī)紡織材料的復合結(jié)構，或是將導電材料通過各種涂鍍工藝附著在紗線上或印染到織物上，其中后者復合結(jié)構所用材料包括基底材料和導電材料兩個部分。常用的基底纖維材料包括動植物纖維及部分化學纖維?；瘜W纖維中的腈綸、丙綸等由于吸濕性、舒適性、尺寸穩(wěn)定性等較差的原因，并不適合作為基底；而化學纖維中的滌綸纖維及其織物抗皺性好、彈性好、耐磨、吸濕性差、易洗快干、不易蟲蛀和霉爛，反而適合作為導電織物的基底材料。同樣適合做基底材料的還有尼龍長絲、黏膠紗、棉、碳納米管、聚乙烯、聚酰胺等纖維[7]。對于導電部分的材料，則需要根據(jù)基底材料進行選擇，如尼龍長絲一般采用鍍銀，黏膠紗一般與30%的不銹鋼長絲做包芯紗，導電織物鍍銅，滌綸與不銹鋼絲混紡，碳納米管涂覆Ag/AgCl，聚乙烯沉積鈦和銅，聚酰胺等化纖鍍銀等[8]。

2 織物電極結(jié)構

織物電極多采用導電材料和常規(guī)紡織材料的交織結(jié)構，或者將導電材料通過各種涂鍍工藝附著在紗線或印染到織物上，從而形成各種類型的織物電極。

2.1 常見織物電極組裝形式

織物電極根據(jù)制造方法和結(jié)構不同，所得織物電極性能也不同。Catrysse等[9]采用不銹鋼長絲制作如圖2所示的針織結(jié)構電極。該電極優(yōu)點是不刺激皮膚，并且能夠集成在服裝中，缺點為織物和皮膚界面有較大的阻抗，造成心電信號采集過弱或不穩(wěn)定。另外，針織面料在制造過程中易出現(xiàn)卷邊和脫邊，并且在使用過程中，變形較大，受應力時，電阻率也會發(fā)生變化，導致心電信號不穩(wěn)定。

圖2 不銹鋼針織物柔性電極Fig.2 Soft electrode made by steel fiber knitted fabric

黃國勝[10]其將碳纖維導聯(lián)線鋪覆于導電水凝膠上，再利用無紡布通過按壓使三者貼合，發(fā)明了一種一次性的心電監(jiān)測電極。何基偉等[11]研發(fā)了一種非接觸式心電傳感器及其可穿戴式多通道心電采樣內(nèi)衣。在該內(nèi)衣中，通過孔、屏蔽環(huán)、屏蔽層形成了三維屏蔽腔，其在日常的電磁環(huán)境干擾下，能夠采集到優(yōu)異的心電信號。

蔡仁欽等[12]設計了一種新型的心電監(jiān)護電極片。其將導電彈性體置于防黏膜的凹腔內(nèi)，表面與感應極片連接。導電彈性體采用凸出的海綿塊浸漬導電膏，相比傳統(tǒng)的涂覆導電膏，其成本降低，導電性能提高。瞿斌等[13]發(fā)明了一種新型的導電水凝膠電極材料，該電極以聚合物為主體，配以去離子水、電解質(zhì)、保水劑等復合而成。其在使用時表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性，對皮膚黏性強，環(huán)境穩(wěn)定性好，導電性能優(yōu)異。

陳佳品等[14]以石墨烯為基底，將金屬種子層置于金屬電極和柔性石墨烯基底之間，電極引線連接金屬電極于柔性基底。電極之間呈冠狀排列，增加了與皮膚的接觸面積，使得心電信號采集穩(wěn)定性增強；同時由于其質(zhì)地柔軟、可彎曲，故可適應不同體型的人。吳偉等[15]發(fā)明了相似的電極結(jié)構，同時把幾種電極串聯(lián)起來，直接用于貼膚性穿戴，一次性完成十二導聯(lián)的測試和監(jiān)測。

Zieba等[16]設計了一種用于心電監(jiān)測的穿戴系統(tǒng)，如圖3所示的該系統(tǒng)的電極為鍍銀導線的機織面料，電極內(nèi)部采用彈性填充海綿。

圖3 機織紡織結(jié)構電極簡化模型Fig.3 Electrode model of woven fabric

圖3中的電極能夠較好地與皮膚貼在一起，鍍銀的紗線提高了電極的信息傳導性，且長期佩戴也不會刺激皮膚。

織物電極的導電面料按照織造方法通常可以分為4類結(jié)構形式：機織、針織、非織造還有其他織物。圖4為不同織物電極的面料形貌。

圖4 織物電極面料Fig.4 Textile electrodes

2.2 機織結(jié)構的織物電極

機織結(jié)構的織物電極是利用經(jīng)緯導電紗線交織而成，結(jié)構穩(wěn)定，均勻性和一致性較高。郭維[17]采用鍍銀滌綸長絲作為機織結(jié)構的導電纖維，并在機織結(jié)構面料內(nèi)包裹海綿，利用海綿彈力確保導電布與皮膚的充分接觸；同時在外圈應用硬海綿和支撐墊進一步提高織物電極的支撐力，減緩穿戴過程中的沖擊。織物電極的結(jié)構及實物如圖5和圖6所示。

圖5 織物電極的結(jié)構Fig.5 Structure illustration of a woven electrode

圖6 織物電極實物Fig.6 A real woven electrode

另外，機織結(jié)構的織物電極可以機織物為底層，通過涂鍍導電材料的工藝制得。 如張經(jīng)緯[18]通過電化學聚合的方法，復合制成了聚吡咯/棉織物心電電極，用于測量人體在靜態(tài)時的心電信號。李惠芝等[19]研究了不同機織結(jié)構參數(shù)對聚吡咯織物的導電性能影響。其選用37 tex滌棉短纖紗，通過改變織機的卷曲速度及緯密制備了4種不同緯密的平紋織物、透孔組織織物和1/3右斜紋織物。通過化學氧化合成法在織物上復合導電材料。研究發(fā)現(xiàn)，織物緯密度或線密度越大，織物表面比電阻越小，導電性能越強；超過臨界值后，導電性能則會下降。

張輝等[20]設計了一種柔性無線生物電電極，包括機織結(jié)構的導電層，黏性層，柔性層及導電件，導電件穿過柔性層和黏性層與導電層連接，導電層是由若干導電紗線以機織結(jié)構織造而成，機織導電面料粘附在黏性層上，信號收集與發(fā)射裝置置于柔性層上并與導電件連接，這種設計避免了紡織穿梭過程中對紗線表面導電層的磨損，確保電極具有良好的導電性能，降低信號的衰減，增加柔性電極的可穿戴性。

機織結(jié)構的織物電極還可以通過提花工藝獲得。韓國延世大學[21]利用賈卡提花織機，采用雙面組織結(jié)構制得機織提花組織的織物電極，用以檢測人體的生理信號。該織物選用82.5 dtex/36 f和S捻的滌綸長絲作為經(jīng)紗，鍍銀紗線作為緯紗制得底層，再用鍍銀紗線在底層上織造傳感層，這樣鍍銀紗線就行成了雙層結(jié)構，該機織提花結(jié)構的織物電極尺寸為50 mm×50 mm。

2.3 針織結(jié)構的織物電極

針織物在使用過程中由于受到反復拉伸會出現(xiàn)松懈變形、起毛鉤絲等問題，因此這類織物電極的信號采集也會受到影響。另外，在織造針織電極時，可以采用織物涂敷導電材料的方式，也可通過導電紗線與其他材料織造獲得織物電極。

楊旭東等[22]研發(fā)出一種針織絨毛柔性心電電極，克服了現(xiàn)有的柔性紡織織物心電電極不能與皮膚穩(wěn)定接觸，以及由于角質(zhì)層生長引起的接觸阻抗增大的問題，并且能夠有效避免由導電膏引起的皮膚過敏。

劉燾[23]應用涂碳纖維及其導電復合絲線選用緯平組織和1+1羅紋結(jié)構制得針織結(jié)構的織物電極。研究發(fā)現(xiàn)，1+1羅紋組織較緯平組織的穩(wěn)定性好；但模擬水洗過程時，發(fā)現(xiàn)隨著水洗次數(shù)的增加，整體電阻增加，并且電阻變化越來越不穩(wěn)定。王金鳳等[24]通過緯編方式制得4種如圖7所示的織物電極。比較4種織物電極采集生理信號的靈敏度，發(fā)現(xiàn)豎條紋雙羅紋針織結(jié)構采集信號的靈敏度高于橫條紋雙羅紋針織物，又高于鍍銀紗緯平針織物；并且從雙羅紋電阻重復性看出，其滿足傳感器重復性與穩(wěn)定性的要求，可以用于開發(fā)對心跳、呼吸等信號以及心肺功能的監(jiān)測裝置。

圖7 4種針織結(jié)構的織物電極Fig.7 Four knitted structure of textile electrodes

2.4 非織造結(jié)構的織物電極

非織造結(jié)構材料具有良好的斷裂強度、斷裂伸長等力學性能，生產(chǎn)流程短、成本低，因此應用較為廣泛。許鳳鳳等[25]采用了磁控濺射法，在非織造布的表面形成一層沉積納米銀薄膜使非織造布可以導電，用于制造織物傳感器。該結(jié)構織物的納米銀薄膜與基片結(jié)合好，且薄膜具有純度高、致密性好、成膜均勻、織物電極無化學污染等特點。

Ninane等[26]設計了一種非織造結(jié)構的織物電極，可對人體生理信號進行長期監(jiān)測，這種電極采用多層三維結(jié)構，具有優(yōu)越的親水性，能夠儲存一定量的溶液，在擠壓時浸出潤濕皮膚和電極的接觸面，降低了電極與皮膚界面的阻抗。KANG等[27]通過手工繪制或絲網(wǎng)印刷的方法，在非織造布的表面形成導電線路和導電層，制得了非織造活性電極，結(jié)果表明，該類活性電極透氣性提高，貼膚性設計方面更為靈活。

2.5 刺繡結(jié)構的織物電極

采用刺繡方式織造織物電極較為靈活方便。彭曉慧等[28]按照設計的結(jié)構將鍍銀纖維通過刺繡方式制得了織物電極，并作為呼吸監(jiān)測的壓力傳感器。此外，為了提高傳感器的靈敏度和重復性，還可將接觸電阻串聯(lián)起來，并在接觸點涂覆硅膠，具體如圖8所示。在制作過程中，選用11.1 tex的鍍銀長絲紗經(jīng)合股加捻制備成傳感材料(18根/股，兩股合捻，股線捻度8捻/dm)，縫在6 cm×6 cm的滌綸基布上。經(jīng)試驗證明該電極具有生理信號采集的可行性。

圖8 涂覆硅膠的刺繡型織物電極樣本 Fig.8 Embroided fabric electrode covered with silica gel

ZHANG H等[29]以鍍銀紗電鍍制備得到的Ag/AgCl復合紗線作為傳感材料，采用刺繡毛圈的結(jié)構制得毛圈高3 cm，針距1 mm，直徑3 cm的圓形織物電極。其優(yōu)點是毛圈結(jié)構可以穿過體毛，貼膚性更好，能夠更為精準地測得生理信號，且在使用過程中無需對皮膚進行處理。另外，該類毛圈結(jié)構的織物電極在與外部連接過程中，采用織物電極中間釘上電極扣，公扣與母扣相連實現(xiàn)了電極的可拆卸性。

3 結(jié)語

對比傳統(tǒng)醫(yī)用電極，織物電極從材料和結(jié)構的角度分析，具有柔軟性、透氣性、穩(wěn)定性、舒適性和可長期穿戴性等特點，因此在人體生理信號監(jiān)測的應用中起著越來越重要的作用[30]。隨著微電子技術和信息技術的迅猛發(fā)展，紡織傳感必將成為生命健康的材料和技術研究熱點。

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(責任編輯：邢寶妹)

Research Progress of Electrodes in Wearable Electronic Garments

XIAO Xueliang, DONG Ke, HE Wentao, WANG Xia, WU Meiqiao, Qimeilazhen

(School of Textile and Clothing,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

Wearable electronic garment is a kind of platform for monitoring people's biosignals. Textile electrode is one of the most important sensors in the garment, and it attracts most attentions in recent years. Because of soft, permeable, attachable, nontoxic, wearable, and real-time for monitoring, textile electrode is becoming more and more popular in human health area. In this article, on the basis of the garment's requirement for textile electrodes, the most advances of textile electrodes were reviewed, including their materials, structures and assembly style. The effect of such parameters on biosingnals monitoring was analyzed, and the working principle of different textile electrodes and the relationship of singnal stability and comfortability were obtained. Finally, a future development of textile electrode is prospected for specific applications and directions.

textile electrode,wearable electrode garment,biosingnals,comfortability,stability

2016-11-26；

：2016-12-20。

江蘇省自然科學基金項目(BK20160157)；江蘇省政策引導類計劃(產(chǎn)學研合作)項目(BY2016022-07)；國家級大學生創(chuàng)新訓練計劃項目(201610295020)。

肖學良(1984—)，男，副教授，碩士生導師。主要研究方向為智能纖維材料及其復合結(jié)構。 Email:xiao_xueliang@jiangnan.edu.cn

TS 101.8< class="emphasis_bold"> 文獻標志碼： A

A

2096-1928(2017)01-0001-06