田明偉， 李增慶， 盧韻靜， 朱士鳳， 張憲勝， 曲麗君

(1. 青島大學(xué) 紡織服裝學(xué)院， 山東 青島 266071； 2. 青島大學(xué) 纖維新材料與現(xiàn)代紡織重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地， 山東 青島 266071)

近幾年，人工智能發(fā)展進(jìn)入新階段。特別是在移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、超級計算、傳感網(wǎng)、腦科學(xué)等新理論新技術(shù)以及經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展強(qiáng)烈需求的共同驅(qū)動下，人工智能加速發(fā)展，呈現(xiàn)出深度學(xué)習(xí)、跨界融合、人機(jī)協(xié)同、群智開放、自主操控等新特征。圍繞教育、醫(yī)療、養(yǎng)老等迫切民生需求，加快人工智能創(chuàng)新應(yīng)用為人工智能的發(fā)展重點(diǎn)，其中研發(fā)柔性可穿戴的生理監(jiān)測系統(tǒng)是智能醫(yī)療、健康和養(yǎng)老的重要課題[1]。

紡織集合體具有多維多尺度結(jié)構(gòu)、輕質(zhì)低模量、高柔性及彈性、低成本及結(jié)構(gòu)多元多維化、高親膚性等特點(diǎn)，在智能醫(yī)療、健康和養(yǎng)老的柔性智能可穿戴領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢。與智能手環(huán)、智能眼鏡等可穿戴設(shè)備相比較，紡織基柔性智能可穿戴設(shè)備可與服裝無縫連接，實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計和應(yīng)用。例如，智能可穿戴在養(yǎng)老醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)想[2]，智能服裝(E-textile)借助智能傳感器及大數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)對老年人的健康進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和疾病預(yù)防，例如貼身的智能服裝(E-textile)等可檢測老人的體溫、心跳、脈搏、血壓、血糖等生命體征指標(biāo)，智能床單可檢測老人睡眠時間、睡姿等信號，上述信號可實(shí)時反饋給社區(qū)醫(yī)院對老年人健康進(jìn)行記錄、檢測和治療。

力學(xué)傳感器是一種可將特定力學(xué)信息(壓縮、彎曲、拉伸、扭轉(zhuǎn)等)按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成某種可用信號輸出的器件和裝置。一般由力學(xué)敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本電路3部分組成。力學(xué)敏感元件感受力學(xué)信息后被測量，轉(zhuǎn)換元件將響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成電參量，基本電路把電參量接入電路轉(zhuǎn)換成電量，輸出至顯示器、記錄設(shè)備或數(shù)據(jù)處理。

紡織基力學(xué)傳感器按照敏感元件的工作原理可分為電阻式傳感器和電容式傳感器；根據(jù)傳感器形態(tài)可分為一維纖維狀、二維織物狀傳感器；根據(jù)被測量的力學(xué)信號，傳感器可分為壓力式傳感器和應(yīng)變傳感器。

本文根據(jù)不同的敏感元件綜述了電阻式傳感器和電容式傳感器的研究現(xiàn)狀，并對力學(xué)傳感器的線性度、遲滯性、重復(fù)性、閾值、靈敏度、穩(wěn)定性等靜態(tài)特性進(jìn)行分析和比較。結(jié)合近幾年在一維纖維狀、二維織物柔性力學(xué)傳感器在人體運(yùn)動、體征檢測等領(lǐng)域的研究，對紡織基電阻式力學(xué)傳感器、電容式力學(xué)傳感器的構(gòu)筑、性能及應(yīng)用進(jìn)行分類、綜述和分析，并對紡織基力學(xué)傳感器的發(fā)展進(jìn)行了展望。

1 紡織基電阻式力學(xué)傳感器

電阻式傳感器是應(yīng)用最廣泛的傳感器之一，紡織基柔性電阻式傳感器是一類以紡織品為基體的新型柔性電阻式傳感器，利用導(dǎo)電紡織品的壓阻效應(yīng)制作成敏感元件，測量微小的力、力矩、壓力、加速度、質(zhì)量等參數(shù)。靈敏系數(shù)(gauge factor)用于表征紡織基電阻式力學(xué)傳感器的靈敏度，由k0=ΔR/(Rε)可得，其中：ΔR/R為電阻變化量，ε為形變量。目前，紡織基電阻式力學(xué)傳感器主要形態(tài)結(jié)構(gòu)為一維纖維狀、二維織物狀傳感器。

1.1 一維纖維狀電阻式力學(xué)傳感器

纖維狀電阻式傳感器因具有一維結(jié)構(gòu)、柔性可編織等特點(diǎn)，在響應(yīng)拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等運(yùn)動信號時具有獨(dú)特優(yōu)勢，可用于監(jiān)測人體呼吸、脈搏、肢體運(yùn)動等。具有優(yōu)良傳感特性的纖維狀傳感器需同時具有高導(dǎo)電性、基體高彈性及高靈敏性等性能；導(dǎo)電功能化主要通過共混紡絲、表面接枝等方法將導(dǎo)電材料復(fù)合至纖維內(nèi)部或表面，基體高彈性的實(shí)現(xiàn)通過選取彈性纖維或包芯高彈紗為基體，高靈敏性則通過特殊的加工技術(shù)以實(shí)現(xiàn)高靈敏系數(shù)、低響應(yīng)時間等要求。

目前，用于纖維狀電阻式傳感器的導(dǎo)電纖維主要分為基體導(dǎo)電纖維和復(fù)合導(dǎo)電纖維2類?；w導(dǎo)電纖維主要以碳納米管、石墨烯等碳納米材料為原料，通過紡絲加工制備高導(dǎo)電性的纖維。研究人員以碳納米管陣列(CNT forest)為原料，通過牽伸加捻工藝制備碳納米管紗線并組裝成一維碳納米管呼吸傳感器，對微弱的氣流進(jìn)行響應(yīng)，可準(zhǔn)確識別人體呼氣和吸氣的電阻變化差異，具有較高的信噪比[3]。同樣，以取向排列的碳納米管經(jīng)加捻紡紗，所得碳納米管紗線沉積在100%預(yù)牽伸的高彈性硅膠基體上，預(yù)牽伸的硅膠基體可使碳納米管纖維緊密接觸，形成理想的導(dǎo)電通路；所制備的可穿戴碳納米管電阻式應(yīng)變傳感器在大形變量(900%)時，仍可準(zhǔn)確地檢測人體活動生理信號[4]。此外，石墨烯中空纖維也用于電阻式應(yīng)變傳感器[5]，以銅絲為模板通過氣相沉積法在銅絲表面生長石墨烯納米層，經(jīng)由蝕刻將銅絲去除后獲得石墨烯中空纖維，再在石墨烯中空纖維表面涂層聚乙烯醇皮層，所制備皮芯結(jié)構(gòu)的石墨烯復(fù)合纖維具有理想的伸長率(16%)和電導(dǎo)率(9.6×103S/m)。所組裝的電阻式應(yīng)變傳感器體現(xiàn)出理想的彎曲和拉伸傳感特性，應(yīng)變靈敏系數(shù)為5.02。

復(fù)合導(dǎo)電纖維類主要是以長絲、單紗、股線和包芯紗等一維纖維紡織品為基體，通過共混紡絲、化學(xué)接枝、自組裝等方法將各類導(dǎo)電材料復(fù)合到纖維內(nèi)部和表面而制成的導(dǎo)電纖維。目前，用于纖維狀電阻式傳感器的導(dǎo)電材料主要有碳納米材料、金屬納米材料和聚合物導(dǎo)電材料3大類。

通過共混紡絲制備的導(dǎo)電纖維具有導(dǎo)電性能穩(wěn)定、耐水洗、可紡織加工性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。彈性纖維(聚氨酯類、苯乙烯類)是傳感器的理想基體，例如，研究人員以苯乙烯類熱塑性彈性體(SBS)和銀納米線共混紡絲液經(jīng)濕法紡絲制備導(dǎo)電纖維[6]，再經(jīng)化學(xué)原位法在纖維表面生產(chǎn)銀納米顆粒，制備高電導(dǎo)率的導(dǎo)電纖維(2 450 S/cm)，應(yīng)變檢測最大伸長率達(dá)220%。所組裝的纖維狀電阻式應(yīng)變傳感器縫制在手套中可檢測每個手指的彎曲信號，可應(yīng)用于機(jī)器人、健康檢測和可穿戴智能服裝。此外，以聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)為彈性基體，少片層石墨烯微片為導(dǎo)電功能材料，通過濕法紡絲制備低比例石墨烯/聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)復(fù)合導(dǎo)電纖維(0.1 S/m)，所制備的彈性電阻式應(yīng)力傳感器具有廣泛的應(yīng)變測試范圍(可達(dá)110%)，伸長率50%和100%所對應(yīng)的靈敏系數(shù)分別為160和2 546[7]。另外，聚氨酯也作為彈性基體應(yīng)用于傳感器，以聚氨酯為基體，聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT∶PSS)為導(dǎo)電相，通過濕法紡絲制備了PEDOT∶PSS/聚氨酯復(fù)合導(dǎo)電纖維，導(dǎo)電滲流閾值為2.9%(電導(dǎo)率0.07 S/cm)，PEDOT∶PSS最高含量為25%，電導(dǎo)率達(dá)25 S/cm，該彈性導(dǎo)電纖維在伸長率低于100%時體現(xiàn)出理想的拉伸變形響應(yīng)[8]。通過濕法紡絲所制備的復(fù)合導(dǎo)電纖維中基體與導(dǎo)電材料的位置已相對固定，對低形變量的傳感響應(yīng)比較靈敏，但對大形變量(大于100%)的響應(yīng)會由于導(dǎo)電通路的斷裂而無法準(zhǔn)確感知，而且導(dǎo)電纖維中導(dǎo)電材料含量通常較高，影響纖維的整體力學(xué)性能。

將導(dǎo)電材料通過表面接枝、原位聚合及涂層等復(fù)合至纖維表面也是導(dǎo)電纖維常用的制備途徑，具有快速、簡便、結(jié)構(gòu)可控等特點(diǎn)。研究人員采用快速、低成本的邁耶棒涂層法在蠶絲表面涂層超薄石墨片以制備導(dǎo)電蠶絲纖維并組裝為纖維狀電阻式應(yīng)變傳感器，其應(yīng)變靈敏系數(shù)為14.5，工作伸長率和循環(huán)次數(shù)分別可達(dá)15%和3 000次[9]。以滌綸長絲為基體[10]，在表面原位聚合聚噻吩導(dǎo)電聚合物而制備導(dǎo)電纖維，并在面料上縫紉成曲折和直線2種結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)出較靈敏的力學(xué)響應(yīng)特性(靈敏系數(shù)約為1)，所組裝的用戶接口UI設(shè)備可響應(yīng)手指的彎曲運(yùn)動而識別手語。此外，通過熔融靜電紡絲法制備了連續(xù)的束狀彈性POE納米纖維[11]，通過浸漬法將導(dǎo)電銀納米線在濃度梯度和毛細(xì)管張力的梯度下滲入到納米纖維之間，構(gòu)筑導(dǎo)電銀納米線/POE 納米纖維束。經(jīng)組裝的電阻式應(yīng)變傳感器的工作應(yīng)變范圍為0～64%，靈敏系數(shù)最高可達(dá)13 920，可響應(yīng)的最小應(yīng)變?yōu)?.065%，發(fā)生應(yīng)變和撤除應(yīng)變的響應(yīng)時間分別為10和15 ms。氨綸包芯紗因其高彈性及穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)在纖維狀應(yīng)力傳感器領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注，Li等[12]制備了一種新型電阻式應(yīng)力傳感器包芯紗線，由普通氨綸長絲束為芯層，石墨烯/聚乙烯醇為導(dǎo)電皮層，通過層層自組裝技術(shù)制備而成，該結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)傳感器的感應(yīng)特性，靈敏系數(shù)可達(dá)86.86，線性修正系數(shù)為0.97，可重復(fù)性誤差僅為2.03%，低遲滯性9.08%。此外，以滌綸/氨綸包芯紗為基體[13]，研究人員在其表面等離子處理后接枝氧化石墨烯以制備纖維狀應(yīng)變傳感器，因高彈性、皮層滌綸固定加捻方向等特點(diǎn)對拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等動作體現(xiàn)出高靈敏度響應(yīng)，拉伸變形的檢測分辨率為0.2%，拉伸最大值可達(dá)100%，信號響應(yīng)時間小于100 ms，可重復(fù)10 000次以上。

上述表面處理的導(dǎo)電纖維拉伸變形響應(yīng)的最大范圍均不超過100%，在測量大形變時受到限制。彈性基體的預(yù)牽伸處理可以將響應(yīng)范圍擴(kuò)大，且對應(yīng)變具有一定的選擇性和設(shè)計性。例如，利用毛筆將銀納米線涂覆于預(yù)牽伸的氨綸纖維表面[14]，氨綸回復(fù)后表面呈現(xiàn)出多尺度褶皺狀微結(jié)構(gòu)，銀納米線褶皺結(jié)構(gòu)的高度為1.7 μm、長度為2.6 μm，皮芯結(jié)構(gòu)紗線具有理想電導(dǎo)率(1.0×104～1.0×105S/cm)、伸長率(400%)和耐久性(1 200 s超聲水洗處理)。所組裝的電阻式應(yīng)變傳感器的壓縮靈敏度和彎曲靈敏度分別為0.12 kPa-1和0.012 rad-1，快速的響應(yīng)和回復(fù)時間(35、15 ms)，較低的質(zhì)量閾值(10 mg)和可重復(fù)性(大于4 000次)。此外，可穿戴設(shè)備中除傳感器外，其他柔性電子器件既要具有理想的變形能力又要在形變時電阻仍保持穩(wěn)定以保證信號的準(zhǔn)確傳輸。Liu等[15]在Science報道，以預(yù)牽伸的橡膠纖維(預(yù)牽伸1 400%)為芯紗、碳納米管為皮層制備了分層緊扣的皮芯復(fù)合纖維，所制備的超彈性電子器件形變量達(dá)到1 000%時電阻變化不超過5%，體現(xiàn)出優(yōu)異的電阻穩(wěn)定性。

1.2 二維織物狀電阻式力學(xué)傳感器

織物電阻式力學(xué)傳感器可檢測二維平面的形變，檢測范圍和應(yīng)用更為廣泛，針織結(jié)構(gòu)因具有高彈和高回復(fù)性等特點(diǎn)，在紡織基傳感器領(lǐng)域有廣泛研究。例如，研究人員將炭黑和聚偏氟乙烯涂敷于針織物表面以制備高重復(fù)性和低遲滯性的脈搏監(jiān)測傳感器，其壓力響應(yīng)誤差低于2%，遲滯回線偏差小于10%[16-17]。另外，以針織物為基體，研究人員通過表面浸漬及原位生長法在滌綸纖維表面生成納米銀粒子，分析了在應(yīng)變條件下針織物線圈結(jié)構(gòu)對導(dǎo)電通路的影響，構(gòu)建電阻式應(yīng)變傳感器用于檢測人體各種運(yùn)動狀態(tài)[18]。此外，以PEDOT∶PSS為導(dǎo)電相，聚氨酯為彈性基體[19]，通過濕法紡絲制備導(dǎo)電彈性纖維(25 S/m)，纖維伸長率至260%時纖維變?yōu)榻^緣體說明達(dá)到其應(yīng)變響應(yīng)極限。通過針織加工制備針織彈性結(jié)構(gòu)的電阻式應(yīng)變傳感器，不同的針織結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出不同的響應(yīng)靈敏度和耐久性，靈敏度最高可達(dá)1。進(jìn)一步，研究人員以尼龍/氨綸彈力針織物為基體[20]，表面涂覆氧化石墨烯并還原為導(dǎo)電彈性織物，測試了其應(yīng)力應(yīng)變傳感特性，所組裝的電阻式應(yīng)力傳感器的靈敏系數(shù)為18.5，可檢測手腕旋轉(zhuǎn)、手指彎曲等小形變?nèi)梭w運(yùn)動。

機(jī)織、非織造、靜電紡納米膜結(jié)構(gòu)在傳感器領(lǐng)域也有研究。例如，以滌綸機(jī)織物為原料，利用噴涂輔助技術(shù)將碳納米管/石墨烯雜化碳材料沉積在機(jī)織物表面，再原位生長氧化鋅納米線，并組裝成彎曲應(yīng)力電阻式傳感器，結(jié)果表明，紡織基傳感器的靈敏系數(shù)(7.64)優(yōu)于平面薄膜基傳感器[21]。研究人員[22]制備了同步檢測壓力/拉伸運(yùn)動的電阻式傳感器，可監(jiān)測人體運(yùn)動和生命體征并以二維力學(xué)圖顯示，以氨綸編織的彈力繩為原料，在其表面原位生成銀納米顆粒后，再在其表面涂覆絕緣彈性體。彈力繩交織形成的二維機(jī)織物可檢測人體頸部扭轉(zhuǎn)、手指彎曲、脈搏等。此外，采用簡單的浸漬涂敷法在無紡布表面沉積氧化石墨烯，經(jīng)還原制備導(dǎo)電石墨烯無紡布，試樣的最小電阻值為600 Ω。對組裝電阻式傳感器的拉伸、彎曲和壓縮傳感特性進(jìn)行測試，其應(yīng)變靈敏系數(shù)為7.1，最高靈敏度為0.057 kPa-1，并測試了其檢測手指、肘、膝蓋等大形變響應(yīng)和脈搏、心跳等微形變響應(yīng)[23]。進(jìn)一步，采用靜電紡絲制備大批量聚氨酯納米纖維膜，通過溶液涂層技術(shù)在納米膜表面沉積PEDOT導(dǎo)電材料，制備具有高導(dǎo)電性能(30～200 S/m)的納米膜，所組裝的電阻式應(yīng)變傳感器具有理想的耐久性和靈敏度[24]。研究人員以不同組織結(jié)構(gòu)的蠶絲織物為模板，構(gòu)筑具有不同微結(jié)構(gòu)的PDMS膜，降低了生產(chǎn)成本和加工工藝。在PDMS膜上沉積單壁碳納米管進(jìn)一步提高其傳感性能，靈敏度達(dá)到1.80 kPa-1、最小壓力檢測限低至0.6 Pa、響應(yīng)時間小于10 ms、循環(huán)穩(wěn)定性超過67 500圈。該傳感器可準(zhǔn)確地監(jiān)測螞蟻和蜜蜂等小昆蟲重量、人發(fā)出不同單詞時的聲帶振動以及正常人和孕婦的脈搏[25]。

天然織物經(jīng)高溫?zé)崃呀馓蓟蟪尸F(xiàn)導(dǎo)電特性，再經(jīng)封裝后組裝成柔性電阻式傳感器。Wang等[26]通過高溫?zé)崃呀夥▽πQ絲織物進(jìn)行碳化后再進(jìn)行封裝即可制得柔性電阻式傳感器。該傳感器兼具寬應(yīng)變檢測范圍(0～500%)，在0～250%和250%～500%應(yīng)變范圍內(nèi)靈敏系數(shù)分別達(dá)9.6和37.5，且響應(yīng)時間小于70 ms，循環(huán)性和耐用性能極佳。將該傳感器貼服于人體皮膚或交織在服裝上可實(shí)現(xiàn)對人體關(guān)節(jié)運(yùn)動(比如慢跑、跳躍等)、脈搏、微表情、呼吸、聲帶發(fā)聲等微弱運(yùn)動的可穿戴式檢測。棉織物[27-28]、人造纖維織物[29]等紡織品也經(jīng)相似的方法制備了柔性傳感器，為柔性可穿戴傳感器的低成本、大規(guī)模制備提供了一條實(shí)用的途徑。

2 紡織基電容式力學(xué)傳感器

電容式傳感器是一個具有可變參量的電容器，將被測非電量變化成為電容量。紡織基電容式力學(xué)傳感器通常是變極距型電容式傳感器，與電阻式傳感器相比，在壓力傳感器中具有動態(tài)響應(yīng)特性好、可重復(fù)性強(qiáng)等特點(diǎn)。

2.1 一維纖維狀電容式傳感器

纖維狀電容式傳感器通常由2個電極及電介質(zhì)夾層構(gòu)成。例如，以正方形截面的硅膠作為電介質(zhì)芯層，其對稱兩側(cè)面生長碳納米管層，制備一維纖維狀電容式應(yīng)變傳感器[30]。該傳感器拉伸200%時其比電容變化率達(dá)115.7%，該纖維狀傳感器加捻至1 700 r/m，其比電容變化率為26%，可作為扭轉(zhuǎn)傳感器檢測尼龍人工肌肉的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動。目前，纖維狀電容式傳感器的構(gòu)建主要以高導(dǎo)電纖維為基體，表面涂層聚合物電介質(zhì)(硅膠、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯)后十字交叉組裝成電容式壓力傳感器[31]。

十字交叉纖維狀電容式壓力傳感器用的纖維基體、導(dǎo)電材料、電介質(zhì)及其組裝方法成為研究熱點(diǎn)[32-34]。例如，以2層交織的碳納米管紗線為電極，硅膠為電介質(zhì)制備了柔性的全碳電容式壓力傳感器織物[35]。該傳感器可彎折、扭轉(zhuǎn)和拉伸，其低壓和高壓的敏感度分別為0.034 kPa-1和0.5 MPa-1。此外，以芳綸纖維為基體[31]，采用原位生成法沉積銀納米顆粒后纖維具有理想的導(dǎo)電性(0.001 5 S/m)，在界面橡膠的作用下銀納米顆粒具有牢固的界面結(jié)合力，3 000次彎曲測試后電阻保持穩(wěn)定性。2根導(dǎo)電纖維十字交叉后經(jīng)由PDMS封裝后制備電容式壓力傳感器，在低壓范圍內(nèi)其最高靈敏度為0.21 kPa-1，響應(yīng)時間小于10 ms，將該傳感器縫制至服裝中可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互作用和感應(yīng)。PDMS[36]可用于組裝導(dǎo)電纖維十字交叉電容式壓力傳感器，將葡萄糖加入PDMS封裝體中再經(jīng)水洗去除，獲得了具有多孔結(jié)構(gòu)的PDMS電介質(zhì)結(jié)構(gòu)，傳感器體現(xiàn)出理想的靈敏度和穩(wěn)定性。Liu等[15]在Science報道，以預(yù)牽伸的橡膠纖維(預(yù)牽伸1400%)為芯紗、碳納米管為皮層，經(jīng)循環(huán)組裝制備了碳納米管/橡膠/碳納米管/橡膠纖維的多層緊扣的電容式應(yīng)變傳感器，傳感器形變量950%時比電容數(shù)值線性增長至860%，為目前報道中最高的比電容變化值，而且體現(xiàn)出優(yōu)異的無滯后性和穩(wěn)定性。以棉纖維為基體采用浸漬涂敷法[37]沉積銀納米線，在氫鍵作用下銀納米線牢固沉積于棉纖維表面，具有理想的導(dǎo)電性(1.0×10-6～1.0×10-7S/m)和耐水洗性(水洗1 500 min)。導(dǎo)電棉纖維十字交叉組裝成電容式壓力傳感器，具有理想的靈敏系數(shù)(3.4 kPa-1)、快速地響應(yīng)和釋放時間(小于50 ms)和耐久性(大于5 000次)。

2.2 二維織物電容式傳感器

由導(dǎo)電織物和夾層電介質(zhì)構(gòu)成的電容式傳感器是一種新型的傳感器結(jié)構(gòu)，具有成形加工容易、形狀任意設(shè)計等特點(diǎn)。研究人員構(gòu)建了5層織物結(jié)構(gòu)的電容式[38]，其中兩層鎳/銅涂層機(jī)織物為導(dǎo)電電極，3層熱熔機(jī)織物將導(dǎo)電織物間隔以形成電容結(jié)構(gòu)，安裝于人體腹部以檢測呼吸。導(dǎo)電硅膠[39]作為電極，炭黑/硅膠作為電介質(zhì)組裝成電容式壓力傳感器并印刷至織物表面，用于實(shí)時檢測鞋底應(yīng)力變化，具有理想的靈敏度(0.025 36 kPa-1)和動態(tài)響應(yīng)時間(89 ms)。同時，以導(dǎo)電銀纖維針織物為電極和有機(jī)硅彈性體為電介質(zhì)[40]，由激光切割確定織物結(jié)構(gòu)，以制備高度可拉伸的紡織-硅膠電容傳感器。該電容式傳感器由導(dǎo)電編織織物作為電極，有機(jī)硅彈性體作為電介質(zhì)，通過將同軸電纜的導(dǎo)線與熱塑性薄膜傳感器封裝連接，具有高線性度，低遲滯性等特點(diǎn)，還可集成在重建手套上用于監(jiān)控手指運(yùn)動。該團(tuán)隊[41]將有機(jī)硅彈性體部分設(shè)計成微多孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高電容傳感器的靈敏度。

3 織物組合設(shè)計的力學(xué)傳感器

由于織物具有可任意組合、層疊、拼接等特點(diǎn)，使紡織基傳感器的組裝具有更廣闊的思路和理念。在電阻式、電容式傳感器的基礎(chǔ)上，基于織物組合設(shè)計理念也研發(fā)出一些新型柔性傳感器。根據(jù)“動態(tài)橋接理論”[42]制備了高靈敏度的雙層棉織物傳感器。2層棉織物分別由銀納米線和氧化石墨烯處理后疊加制備雙層導(dǎo)電棉織物傳感器，雙層結(jié)構(gòu)賦予傳感器高靈敏度、低相應(yīng)時間、高循環(huán)性等優(yōu)點(diǎn)。雙股加捻碳納米管導(dǎo)電棉紗[43]用于柔性壓力傳感檢測，實(shí)驗(yàn)以棉紗線為基體，采用溶液浸漬法在一股棉紗表面沉積均勻碳納米管導(dǎo)電層用于檢查壓力的強(qiáng)度，另一根棉紗表面沉積階梯狀厚度的碳納米管導(dǎo)電層用于檢測施加壓力的位置。雙股加捻棉紗可組裝成一維、二維和三維的電阻式壓力傳感器，體現(xiàn)出色的靈敏度(0.015 6 kPa-1)和循環(huán)性。此外，研究人員制備了三明治結(jié)構(gòu)的柔性傳感器組成[44]，其中第1層為滌綸織物表面經(jīng)化學(xué)生長的團(tuán)化鎳薄膜，第2層為碳納米管沉積織物，第3層為封裝層。紡織結(jié)構(gòu)壓力傳感器具有高靈敏度(14.4 kPa-1)、低檢測下限(2 Pa)、快速響應(yīng)(24 ms)、低能耗(6 μW)等特點(diǎn)。Lai等[45]設(shè)計了空氣夾層的壓力傳感器，下層為嵌有導(dǎo)電紗線的紡織面料，上層為表面沉積銀納米線的彈性體，2層間空氣夾層作為電介質(zhì)，該結(jié)構(gòu)的傳感器具有高靈敏度和低響應(yīng)下限。

4 結(jié)束語

紡織基柔性力學(xué)傳感器因其結(jié)構(gòu)可變化性、組合可設(shè)計性等特點(diǎn)在智能可穿戴領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力，高導(dǎo)電性、高彈性及回復(fù)性、高靈敏性和耐久性是紡織基柔性力學(xué)傳感器的重要指標(biāo)。導(dǎo)電纖維是智能可穿戴設(shè)備的基礎(chǔ)關(guān)鍵材料，即要在傳感器中體現(xiàn)出靈敏的應(yīng)變響應(yīng)特性，又要在導(dǎo)電線路中保持電阻一致以保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。紡織基體的高彈性及回復(fù)性是力學(xué)傳感器耐久性的重要指標(biāo)，高彈纖維的成形及紡織結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是關(guān)鍵。高靈敏性主要通過纖維、織物的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)一步提高，非對稱結(jié)構(gòu)纖維、多層異形結(jié)構(gòu)織物的復(fù)合等方式是高靈敏性紡織基傳感器的研究方向。

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