摘要：隨著智能可穿戴技術(shù)的發(fā)展，人們對智能化、多功能、易攜帶的可穿戴設(shè)備需求日益增長，可穿戴柔性傳感器受到廣泛關(guān)注并逐漸成為柔性電子領(lǐng)域的研究熱點。一維結(jié)構(gòu)柔性傳感器具備優(yōu)異適形性、高集成度和性能穩(wěn)定等優(yōu)勢，有助于開發(fā)高性能、可連續(xù)生產(chǎn)、多場景應(yīng)用的可穿戴柔性電子產(chǎn)品。文章分析了用于一維結(jié)構(gòu)穿戴柔性傳感器的導(dǎo)電敏感材料和柔性基底材料，對一維結(jié)構(gòu)穿戴柔性傳感器的制備工藝進行劃分，從表面涂層、纖維制備以及結(jié)構(gòu)變化方面總結(jié)了各種一維結(jié)構(gòu)穿戴柔性傳感器的設(shè)計和應(yīng)用。文章討論了一維結(jié)構(gòu)柔性傳感器當前研究中需要突破的工作，對其在可穿戴應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展前景提出展望，為相關(guān)可穿戴柔性器件的研究提供理論價值和工程參考意義。

關(guān)鍵詞：一維結(jié)構(gòu)；柔性傳感器；導(dǎo)電纖維；智能可穿戴

中圖分類號：TP212

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2024）02-0027-13

目前，可穿戴式的柔性傳感器作為智能紡織產(chǎn)品不可或缺的組成部分，已經(jīng)在健康監(jiān)測、人機交互、虛擬現(xiàn)實等應(yīng)用中受到廣泛關(guān)注［1］。紡織材料按照生產(chǎn)加工形式可以劃分為纖維、紗線和織物，在紡織生產(chǎn)的不同階段，纖維和紗線被定義為一維水平結(jié)構(gòu)，織物被定義為二維或三維水平結(jié)構(gòu)。他們具有柔軟舒適、可塑性高、可工業(yè)化生產(chǎn)等特點，廣泛應(yīng)用于服裝、家居用品、工業(yè)制品中，成為可穿戴柔性傳感器的理想載體［2］。現(xiàn)有研究已提出多種方法賦予紡織材料導(dǎo)電傳感性能，分別構(gòu)成了一維纖維基、紗線基和非一維的織物基柔性傳感器。一維結(jié)構(gòu)柔性傳感器較非一維織物基柔性傳感器的集成難度小，具有優(yōu)異的適形性、易編織、柔性可拉伸的特點，可以實現(xiàn)低成本加工和連續(xù)生產(chǎn)，在智能可穿戴產(chǎn)品集成過程中仍然保持紡織品本身的屬性，可最大程度實現(xiàn)穿戴舒適性［2］。目前，一維結(jié)構(gòu)柔性傳感器的研究成果主要應(yīng)用在人體健康監(jiān)測［3］、運動跟蹤［4］以及智能服裝［5］方面，有研究人員通過運用針織［6-7］、編織［8］等技術(shù)將其加工成二維、三維結(jié)構(gòu)的柔性傳感器，開拓了在智能服裝、醫(yī)療健康、能量儲存等領(lǐng)域的應(yīng)用。

柔性傳感器在智能可穿戴設(shè)備的制造加工成本中占較大比例，從材料的選擇到制作完成涉及到多個環(huán)節(jié)，更需要高度精密的設(shè)備和技術(shù)配合，這便提高了一維結(jié)構(gòu)柔性傳感器制備的工藝成本和技術(shù)標準。運用簡單有效的加工方法制備一維結(jié)構(gòu)的可穿戴柔性傳感器，可降低傳感器的成本，有助于拓寬其在智能可穿戴領(lǐng)域的應(yīng)用范圍［9］。構(gòu)成一維結(jié)構(gòu)柔性傳感器的兩大重要組成部分分別是導(dǎo)電敏感材料和柔性基底［10］。前者在實現(xiàn)柔性傳感器導(dǎo)電性、傳感工作范圍和傳感性能方面發(fā)揮重要作用，后者賦予了柔性傳感器的柔韌性、延展性等特點。一維結(jié)構(gòu)柔性傳感器在智能可穿戴領(lǐng)域雖然取得了顯著性進展，但受其制備工藝、尺寸形貌、性能穩(wěn)定性和使用耐久性的影響，多數(shù)報道的研究成果在實際應(yīng)用中面臨著較大挑戰(zhàn)性。因此，本文從實現(xiàn)制備一維結(jié)構(gòu)柔性傳感器的材料出發(fā)，總結(jié)出各類制備一維結(jié)構(gòu)柔性傳感器的導(dǎo)電敏感材料和柔性基底材料，并進一步歸納整理他們的制備工藝，從表面涂層、纖維制備以及結(jié)構(gòu)變化方面闡述各種一維結(jié)構(gòu)穿戴柔性傳感器的設(shè)計和應(yīng)用。文章對一維結(jié)構(gòu)柔性傳感器在當前研究中需要突破的工作進行討論，對其在智能可穿戴應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展前景提出展望，可為相關(guān)可穿戴柔性器件的開發(fā)研究提供參考。

1導(dǎo)電敏感材料

柔性傳感器主要是依靠完整的導(dǎo)電通路感知外界變化傳輸信號，其性能的優(yōu)劣取決于導(dǎo)電敏感材料的電學(xué)和力學(xué)性能。目前常用的導(dǎo)電敏感材料主要有碳基材料、金屬納米材料和導(dǎo)電高分子材料。

1.1碳基材料

近年來，碳基材料因其具有高導(dǎo)電性、化學(xué)穩(wěn)定性好，機械耐久性強等特性在柔性傳感、儲能器件、電磁屏蔽等領(lǐng)域倍受青睞。例如，以零維的炭黑（Carbon black，CB）［11］、一維的碳納米管（Carbon nanotubes，CNTs）［12］、二維的石墨烯（Graphene，Gr）［13］為代表的碳基材料常作為導(dǎo)電敏感材料制備高性能柔性傳感器。

1.1.1炭黑（CB）

CB是一種天然的生物質(zhì)碳材料，顆粒直徑一般10～100 nm，呈黑色無定形粉末狀，是通過煤、天然氣和燃料油在缺乏空氣條件下不完全燃燒或分解得到的含碳產(chǎn)物。與其他類型的碳材料相比，CB制備工藝簡單，價格低廉且來源廣泛，形成的導(dǎo)電通路在循環(huán)應(yīng)變下表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性和耐久性。Jang等［14］在纖維表面構(gòu)建具有彈性微珠的CB納米粒子層，通過調(diào)節(jié)CB涂層中的彈性微珠的數(shù)量來提高傳感器的靈敏度，纖維傳感器的敏感因子可達863，該纖維傳感器示意圖如圖1所示。Guo等［15］受魚側(cè)線鱗片的結(jié)構(gòu)啟發(fā)，組成了CB/多壁碳納米管和Gr納米片的雙導(dǎo)電層纖維應(yīng)變傳感器。這種雙導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)有助于實現(xiàn)快速響應(yīng)和高線性度，響應(yīng)時間低至60 ms。

1.1.2碳納米管（CNTs）

CNTs是由碳原子組成的石墨烯片層（管壁）卷曲形成中空結(jié)構(gòu)圓柱形的碳管，碳原子的P電子形成大范圍的離域π鍵，共軛效應(yīng)顯著，使其獲得優(yōu)異的導(dǎo)電性，電導(dǎo)率和電流容量分別高達107 S/cm和109 A/cm2 ［12］。此外，CNTs還具有優(yōu)異的機械性能，彈性模量和拉伸強度分別高達1 TPa和100 GPa，斷裂伸長率為15%～30%，是制備柔性應(yīng)變傳感器的理想碳材料。CNTs根據(jù)管壁的層數(shù)可分為單壁碳納米管（Single-walled carbon nanotubes，SWCNTs）和多壁碳納米管（Multi-walled carbon nanotubes，MWCNTs）。其中，SWCNTs的電導(dǎo)率高達107 S/cm，高于金屬銅，且穩(wěn)定性優(yōu)于MWCNTs。Choi等［16］利用CNTs制備了可作為應(yīng)變傳感器或超級電容器兩種不同應(yīng)用場景的復(fù)合纖維，在300%的應(yīng)變下仍具有穩(wěn)定的電容變化。通過調(diào)控CNTs在基體表面的取向、長度、厚度等方法，構(gòu)筑具有高縱橫比的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，達到提高柔性傳感器靈敏度的目的。He等［17］研究了MWCNTs的排列和含量對復(fù)合纖維應(yīng)變傳感性能的影響。調(diào)控具有良好對齊排列MWCNTs的復(fù)合纖維表現(xiàn)出5200的高敏感因子。

CNTs具有非極性結(jié)構(gòu)，且具有較大的長徑比和強的范德華力，容易聚集甚至形成大的團簇進而影響到傳感器的傳感特性。研究人員常采用在CNTs表面引入化學(xué)基團表面修飾、添加表面活性劑、使用有機溶劑或超聲處理來改善CNTs的分散性。蒲海紅等［18］利用羧基改性CNTs，纖維素與CNTs相互作用提高其分散性和穩(wěn)定性。從圖2（a）—（b）電阻響應(yīng)曲線圖［18］中看出，纖維素/CNTs復(fù)合纖維在呼吸和浸水-干燥時產(chǎn)生規(guī)律的電阻變化，說明了在具有導(dǎo)電特性外還具備了濕度敏感特性。李東亮等［19］利用CNTs與聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段熱塑性彈性體（SBS）之間π-π鍵相互作用，改善CNTs的分散性。當長CNTs（10～30 μm）與短CNTs（0.5～2.0 μm）比例為4∶1時，SBS/CNTs彈性導(dǎo)電復(fù)合纖維的電導(dǎo)率最高為4×10-4 S/cm。

1.1.3石墨烯（Gr）

Gr作為石墨的二維同素異形體，由一層碳原子以sp2雜化軌道按蜂巢晶格排列構(gòu)成的二維碳納米材料，單層Gr的厚度約為0.34 nm，具有極高的載流子遷移率（15000 cm2/V·s）、高電導(dǎo)率（106 S/cm）、高彈性模量（1 TPa）的特點，廣泛應(yīng)用于柔性電子器件的研發(fā)［13］。Wang等［20］利用Gr作為導(dǎo)電材料制備一維超彈性螺旋導(dǎo)電傳感包芯紗線，設(shè)計了具有不同傳感性能的紡織基傳感器。這種經(jīng)Gr改性的包芯紗線，結(jié)果表明彈性（ε gt;300%）、超10000次循環(huán)可重復(fù)性，同時可檢測0.3%的小應(yīng)變。將其編織二維織物的傳感器可以與服裝無縫集成，促進智能服裝的開發(fā)的應(yīng)用。對傳感層進行微結(jié)構(gòu)化處理，有助于提升柔性傳感器的靈敏特性，如Huang等［21］將Gr與納米微球結(jié)合制備了納米級多孔傳感纖維傳感器，在二維結(jié)構(gòu)Gr之間添加納米尺寸小球聚合物增大比表面積形成更多導(dǎo)電通路，微小的刺激將觸發(fā)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)變化，使其在應(yīng)變5%內(nèi)敏感因子為51，低至0.01%的應(yīng)變都能被檢測。該多孔纖維傳感器可以識別脈搏波，利用其制得的織物基傳感器還能實時評估物體位置信息，在開發(fā)多場景智能紡織品方面具有很大潛力。

1.2金屬納米材料

金屬材料由于其高導(dǎo)電性和價格低廉的優(yōu)勢成為工程領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的導(dǎo)電材料，但一般尺度的金屬材料雖可滿足柔性電子設(shè)備要具備良好的電學(xué)性能需求，但是存在舒適度低、可變形性差、可集成性低等問題。金屬納米材料是零維納米顆?；蛞痪S納米線形式作為基本單元構(gòu)成的金屬材料［22］。除了保留一般尺度金屬的特點外，且易與其他物質(zhì)發(fā)生吸附、鍵合反應(yīng)，還具有高度可塑性、表面能高和表面原子比例大的特點。在各種金屬納米材料中，銅（Cu）、金（Au）和銀（Ag）金屬基在柔性傳感領(lǐng)域常有研究報道。其中，在銀基納米材料中，如銀納米顆粒（AgNPs）和銀納米線（AgNWs）前者粒徑通常小于100 nm，后者直徑一般為幾十到幾百納米，長度可達到微米甚至數(shù)毫米，成為構(gòu)建柔性傳感器導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的常用選擇之一。Lu等［23］提出用聚乙二醇（PEG）衍生物對AgNWs進行表面改性提高其分散能力，改善了聚氨酯（PU）和AgNWs的相容性，制備了可拉伸導(dǎo)電復(fù)合纖維顯示出超14000 S/cm的高初始電導(dǎo)率。Zhao等［24］報告了金納米線制備的可拉伸導(dǎo)電纖維。該纖維以金納米線為“種子”，使用金納米線作為附著的“根”和發(fā)芽的“種子”。金納米線成功地嵌入聚合物基底的內(nèi)部，應(yīng)變?yōu)?80%時，其電導(dǎo)率可達461 S/cm。將其編織進手套，可作為可穿戴發(fā)光二極管電路的一部分，手套實物如圖3（a）所示。在導(dǎo)電敏感材料中，碳基材料呈黑色、金屬納米材料往往是灰白色或棕褐色，受到材料本身特征限制，有關(guān)導(dǎo)電紗線色彩變化的研究鮮有報道。Tang等［25］在銅納米線上化學(xué)沉積Ag涂層，通過浸漬—提拉法制備了多種顏色的導(dǎo)電紗線，彩色導(dǎo)電線的實物如圖3（b）所示。利用這種導(dǎo)電線作柔性溫度傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)測體溫變化，圖3（c）為傳感器應(yīng)用示例，該傳感器的溫度誤差可控在0.3 ℃內(nèi)。

利用金屬納米材料制備的導(dǎo)電纖維、紗線的導(dǎo)電性能優(yōu)良，但是得到的一維可穿戴傳感器的粗糙度較大，將其進一步加工時出現(xiàn)性能穩(wěn)定性差的問題，這便阻礙了一維可穿戴傳感器的進一步推廣使用。提高金屬納米材料的穩(wěn)定性，進行封裝處理減少對其使用性能的影響，將會有利于拓寬在柔性電子應(yīng)用的開發(fā)。

1.3導(dǎo)電高分子材料

導(dǎo)電高分子材料是指具有導(dǎo)電功能的高分子聚合材料，又稱導(dǎo)電聚合物。根據(jù)結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電原理將其可分為本征型和復(fù)合型兩類導(dǎo)電高分子材料。即本身具有導(dǎo)電特性稱本征型導(dǎo)電高分子材料，然而通過摻雜導(dǎo)電填料后分散在單相或多相高分子基體中獲得的導(dǎo)電性則稱復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料［26］。聚合物導(dǎo)電性必須具備兩個條件：一是能夠產(chǎn)生足夠數(shù)量的載流子（電子、空穴或離子等）；二是能夠在大分子鏈內(nèi)或分子鏈之間形成導(dǎo)電通道。如果對分子的基本結(jié)構(gòu)進行目的性設(shè)計，導(dǎo)電高分子材料可以被調(diào)整為具備電、磁和光學(xué)的獨特性質(zhì)。迄今為止，在柔性傳感領(lǐng)域?qū)щ姼叻肿硬牧系木圻量≒olypyrrole，PPy）、聚苯胺（Polyaniline，PANI）、聚（3，4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT：PSS）等導(dǎo)電高分子材料在柔性傳感領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。

a）聚吡咯（PPy）。PPy由吡咯（Py）單體經(jīng)氧化形成陽離子自由基進而聚合成的高分子化合物，表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性、穩(wěn)定性、密度低且易于制備。Hui等［27］通過PPy/聚乙烯醇（PVA）導(dǎo)電性油墨在紗線結(jié)構(gòu)基材制備了柔性傳感器， 其制備過程示意如圖4所示，該傳感器的靈敏度為39，具有200%工作范圍。陸趙情等［28］利用PPy開發(fā)了一種氣凝膠纖維傳感器，具有95%～99.8%的孔隙率，電導(dǎo)率能達到10～30 S/cm，孔隙率的增加提供給傳感器更大的比表面積，有助于提升的傳感器的靈敏度。

b）聚苯胺（PANI）。PANI是一種具有特殊電學(xué)和光學(xué)性能的高分子化合物，它是由苯胺用氧化劑氧化并使用質(zhì)子酸摻雜獲得，電化學(xué)性能穩(wěn)定。吳穎欣等［29］利用原位聚合法形成了一層致密的PANI導(dǎo)電層，使氨綸/PANI復(fù)合導(dǎo)電纖維電導(dǎo)率為0.63 S/cm，較處理前的氨綸電導(dǎo)率（1×10-10 S/cm）提升了9個數(shù)量級，受到拉伸時擁有穩(wěn)定的電阻變化，使其獲得了一定的應(yīng)變傳感性能。Zhai等［30］采用兩層PANI橋接的還原氧化Gr（rGO）組成導(dǎo)電敏感層構(gòu)建了纖維型應(yīng)變傳感器。第一個PANI導(dǎo)電層提供高導(dǎo)電性，采用rGO作為第二層以彌合PANI層受到拉伸時的裂縫，第三個導(dǎo)電PANI層鞏固rGO納米片并進一步提高導(dǎo)電性。這種傳感器具有高達200%的大應(yīng)變范圍，并且能夠?qū)Σ煌瑵舛鹊陌睔猓∟H3）進行監(jiān)測。

c）聚（3，4-乙烯二氧噻吩）：聚（苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT：PSS）。PEDOT：PSS是一種在水和各種有機溶劑形成分散體的新型導(dǎo)電聚合物，電導(dǎo)率大于103 S/cm。PEDOT：PSS由PEDOT和PSS兩種物質(zhì)構(gòu)成，主鏈上的噻吩環(huán)使PEDOT分子鏈顯示出一定的剛性，PSS作為一個分散長鏈，具有較強磺酸基親水基團，兩者絡(luò)合使得PEDOT：PSS以一種穩(wěn)定的膠束狀態(tài)分散在水中，通過破壞PEDOT：PSS之間的靜電結(jié)合力增加PEDOT自身的結(jié)晶度可以提高PEDOT：PSS的導(dǎo)電性。王新月［31］利用PEDOT：PSS制備了一種復(fù)合導(dǎo)電纖維。隨PEDOT：PSS質(zhì)量分數(shù)增加，電導(dǎo)率呈指數(shù)式上升達到11.25 S/cm，其拉伸斷裂強度為124.15 MPa。將二甲基亞砜（DMSO）加入PEDOT：PSS/PVA共混紡絲液，摻雜改性后的電導(dǎo)率大于50 S/cm，拉伸斷裂強度可達275.43 MPa。這是因為引入DMSO后使纖維中PEDOT的分子鏈構(gòu)象由苯式結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐子谳d流子傳輸?shù)孽浇Y(jié)構(gòu)，降低了載流子的遷移勢壘，提高了纖維的電導(dǎo)率，此特性使得這種纖維可用作柔性傳感連接器件應(yīng)用。Seyedin等［32］報告了采用PEDOT：PSS制備可拉伸導(dǎo)電纖維，這種導(dǎo)電纖維編織各種結(jié)構(gòu)的紡織品表現(xiàn)出應(yīng)變感應(yīng)的特性的靈敏度隨PU/PEDOT：PSS纖維數(shù)量的增加而提高。Alshabouna等［33］利用PEDOT：PSS對棉線改性得到一維結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電紗線，研發(fā)一系列用于監(jiān)測人體心臟、呼吸信號以及檢測NH3氣體的柔性可穿戴傳感器。

2基底材料

基底材料主要為柔性傳感器提供柔軟可變形性，并通過兩種形式存在發(fā)揮其作用。一種是將彈性聚合物材料直接紡成纖維作為基材，另一種是將其作為紡絲（紗線）的導(dǎo)電填料的柔性基質(zhì)。例如，聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）、聚氨酯（Polyurethane，PU）、苯乙烯三嵌段共聚物（Styrene Butadiene styrene block polymer，SBS）等因具有低彈性模量、低蠕變行為、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性的特點，成為學(xué)者研究柔性傳感器基底材料的理想選擇。

2.1聚二甲基硅氧烷（PDMS）

PDMS是一種硅橡膠類彈性聚合物，具有良好光學(xué)透明性，耐高拉伸（高達1000%）的特點。PDMS本身導(dǎo)電能力較弱，為了制備具有導(dǎo)電性的柔性傳感器，研究人員采用了引入導(dǎo)電材料的方法直接制備一維結(jié)構(gòu)的柔性傳感器。例如，Li等［34］將MWNTs引入PDMS基材中，制備了一種可拉伸具有溫度響應(yīng)的MWNTs/PDMS纖維式柔性傳感器，在50 %應(yīng)變下表現(xiàn)出2000次優(yōu)異的循環(huán)耐久性，溫度響應(yīng)范圍在0～100 ℃，能夠?qū)崟r監(jiān)測人體手部的運動和溫度，在多功能傳感方面具有很大應(yīng)用前景。若在基底材料中引入大量導(dǎo)電材料，會損傷柔性傳感器彈性恢復(fù)能力，采用將導(dǎo)電敏感材料附著在柔性基底表面形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的方式，能夠有效的保持其彈性恢復(fù)。Jin等［35］將3種導(dǎo)電材料涂覆在PDMS纖維表面構(gòu)建導(dǎo)電通路，通過再涂覆PDMS作保護層，保證了柔性傳感器使用耐久性，成功制作了可扭曲拉伸變化的柔性傳感器，該傳感器的電阻變化響應(yīng)曲線變化如圖5所示。從圖5中觀察可知，采用PDMS制備一維結(jié)構(gòu)柔性電阻傳感器在不同彎曲角度和扭曲作用下仍然保持穩(wěn)定的電阻變化。

2.2聚氨酯（PU）

PU是由多元醇構(gòu)成軟段和氨基甲酸酯（NHCOO）基團構(gòu)成硬段組成微相結(jié)構(gòu)的彈

性體，柔性軟段有助于保證彈性體的彈性，展現(xiàn)出優(yōu)異的拉伸強度、撕裂強度等性能。梁家豪等［36］將PU作為基材，將Gr快速植入熔融態(tài)的PU纖維表層，成功制備對濕度響應(yīng)的柔性傳感器。當Gr植入量為4.1%，采用PU為基底濕敏纖維傳感器的斷裂伸長率為915%，顯示出較好的柔韌性。Chen等［37］報道了一種由可拉伸PU纖維作芯層、中間粘結(jié)改性層的聚甲基丙烯酸酯（PMA）和經(jīng)由浸涂的作為外導(dǎo)電層的共晶鎵銦（eGaIn）組成的高拉伸的柔性纖維傳感器，其制備如圖6所示。該傳感器具有超500%的高拉伸性和優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，可以監(jiān)測人體大幅度運動的變化，最高工作溫度能達到約250 ℃。此外，熱塑性聚氨酯（Thermoplastic polyurethane，TPU）作為聚氨酯彈性體的一個重要分支，從微觀結(jié)構(gòu)上看，TPU同樣具有獨特的硬段（由-NHCOO-基團組成）和軟段（由非極性醚和酯基團組成）的微相結(jié)構(gòu)。在常溫下，軟段使它具有橡膠的彈性，硬段賦予其塑料的強度特性，表現(xiàn)出高耐磨性和高撓屈性。張寧儀等［38］以TPU為基底材料，制備了AgNPs-TPU傳感纖維通過自身電阻變化率表征不同的拉伸應(yīng)變，顯示出優(yōu)異的柔韌性和延展性，斷裂伸長率高達576%。鄭賢宏等［39］制備了過渡金屬碳化物/氮化物（MXene）改性TPU納米纖維紗線傳感器的應(yīng)變工作范圍最高至400%，MXene片可在納米纖維紗線表面及內(nèi)部形成連續(xù)導(dǎo)電通路，其敏感因子可達477，這種TPU基底的制備高拉伸性傳感器可應(yīng)用監(jiān)測大應(yīng)變運動變化。

2.3苯乙烯三嵌段共聚物（SBS）

SBS是一種分子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)ABA型結(jié)構(gòu)的熱塑性彈性體，即苯乙烯部分與聚丁二烯部分交替排列，磺酸基團通常位于丁二烯單元上，使SBS在高分子鏈的兩端有硬性段，中心有柔性段賦予其既有彈性體的彈性和彎曲性，又具備聚合物的黏彈性。Ma等［40］展示了一種基于SBS材料制造一維結(jié)構(gòu)的柔性導(dǎo)電纖維、紗線傳感器。通過沉積負載AgNPs的SBS纖維拉伸應(yīng)變超1500%，電導(dǎo)率高達4400 S/cm。隨后展示的Ag-SBS復(fù)絲紗線由于比表面積更大、紗線中空隙的存在導(dǎo)致纖維束內(nèi)產(chǎn)生更多的導(dǎo)電接觸，相比單絲紗線表現(xiàn)出更高的導(dǎo)電性。隨后將一維結(jié)構(gòu)的傳感器通過常規(guī)紡織品制造工藝整合到手套中，圖7（a）為手套實物，用來監(jiān)測各種手勢變化。SBS經(jīng)氫化反應(yīng)，將不飽和丁二烯轉(zhuǎn)化為飽和碳-碳鍵，得到氫化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物（SEBS），SEBS相比于SBS的生物相容性、耐熱性和抗紫外線輻射性大大提高。碳基材料和SEBS的苯基之間的π-π相互作用，使兩者之間存在較強的相互作用力和良好的界面相容性，Jamatia等［41］將SEBS與CB相結(jié)合中構(gòu)建了用于患者康復(fù)訓(xùn)練的一維柔性傳感器，應(yīng)用示例如圖7（b）所示，利用SEBS質(zhì)輕和生物相容性的優(yōu)勢保證了人體佩戴舒適性，循環(huán)耐久性能達到5000次。

3一維結(jié)構(gòu)柔性傳感器的制備工藝

柔性傳感器的制備過程中需要考慮其制備工藝復(fù)雜程度、制造成本高低、性能穩(wěn)定性等參數(shù)，纖維、紗線這類一維材料用作應(yīng)變傳感，需要其本身具備較大拉伸形變，在滿足纖維和紗線基本的可拉伸性外賦予其傳感能力，能夠?qū)ν饨绱碳みM行響應(yīng)。因此，提供經(jīng)濟有效的方法并與現(xiàn)有紡織技術(shù)良好兼容是實現(xiàn)柔性傳感器大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。

3.1表面涂層法

表面涂層法是在纖維/紗線基材表面形成導(dǎo)電傳感層的表面處理手段。例如，將導(dǎo)電敏感材料通

過浸涂、噴涂以及原位聚合等物理或化學(xué)方式在基材表面形成良好的導(dǎo)電通路，這是一種最簡單直接的實現(xiàn)柔性傳感器制備方法。以直接浸涂法為例，將所用基材完全浸入導(dǎo)電敏感材料分散液中，經(jīng)一段時間處理后進行干燥處理，使導(dǎo)電材料在基材表面形成均勻?qū)щ妭鞲袑?，實現(xiàn)一維結(jié)構(gòu)柔性傳感器

的制備。因其操作簡便、成本低廉，容易實現(xiàn)導(dǎo)電性被廣泛用于制備一維結(jié)構(gòu)柔性傳感器。例如，Zhao等［42］將纖維基材經(jīng)浸涂制備了應(yīng)變可視化的纖維傳感器，在應(yīng)變80%工作范圍內(nèi)產(chǎn)生可視化結(jié)構(gòu)色變化。Wu等［43］提出了一種逐層浸涂方法，制備過程如圖8（a）所示，首先涂覆帶有負電荷CB改性天然橡膠的納米混合體在PU紗線的表面，然后再逐層浸涂形成超薄的導(dǎo)電層最終構(gòu)成了穩(wěn)定的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，該傳感器可檢測到低至0.1%應(yīng)變。噴涂法一般使用高壓噴槍將液體導(dǎo)電材料霧化，然后將其均勻分散在基材表面，形成均勻致密的導(dǎo)電層。此工藝使用高壓噴射，滲透力較浸涂法強，可使導(dǎo)電材料深入基材空隙內(nèi)提高其附著力。Xie等［44］通過噴涂法構(gòu)建了應(yīng)變傳感的螺旋層狀CNTs-Gr/PU復(fù)合紗線，該復(fù)合紗線的表面形貌如圖8（b）所示。從圖8（b）觀察到通過噴涂法而形成明顯的螺旋層狀，以抑制應(yīng)變刺激下導(dǎo)電層中微裂紋的產(chǎn)生和擴展，減少導(dǎo)電層的磨損或分層。制備的傳感器可達620%的寬工作范圍，顯示出2000的高敏感因子。

然而，表面涂層法雖然可以形成較均勻的導(dǎo)電層，但對于處理吸收性基材時材料的消耗較大，并且在遭受應(yīng)變刺激時表面導(dǎo)電涂層穩(wěn)定較差，導(dǎo)電粒子經(jīng)過長時間的拉伸釋放后易脫落，對傳感器的傳感特性和長期性能穩(wěn)定性產(chǎn)生不良影響。為了解決這些問題，研究人員通過形成化學(xué)鍵或化學(xué)交聯(lián)方法提高導(dǎo)電層與基底材料的結(jié)合強度或采用額外的封裝處理做保護。Qin等［45］采用溶解包覆法將CB粒子嵌入到聚合物纖維內(nèi)，通過溶解層加強CB導(dǎo)電粒子與基材的結(jié)合強度，研制了可連續(xù)生產(chǎn)雙模式傳感的復(fù)合纖維作為可穿戴電子器件，這種溶解涂層工藝有望用于紡織工業(yè)中生產(chǎn)可穿戴柔性傳感器。Zhang等［46］采用浸漬PDMS溶液進行封裝Ag/碳化鈦/PU導(dǎo)電紗線防止導(dǎo)電材料剝落，擁有150%～300%的寬工作范圍。經(jīng)PDMS封裝處理后的一維紗線結(jié)構(gòu)傳感器，其敏感因子超700。

在表面涂層工藝中，不僅要制備均勻分散的導(dǎo)電敏感材料溶液，而且要確保形成導(dǎo)電敏感涂層的材料與基材結(jié)合強度，否則出現(xiàn)分層剝離導(dǎo)電粒子、可穿戴舒適度較差，穩(wěn)定性降低等問題限制其進一步推廣。

3.2直接紡絲法

直接紡絲法是制備導(dǎo)電纖維的一種有效方法，將導(dǎo)電材料摻入聚合物中，減少導(dǎo)電填料出現(xiàn)的分層現(xiàn)象，通過濕法紡絲法、熱拉伸工藝等技術(shù)得到復(fù)合纖維傳感器，可將制得的具備傳感性能的復(fù)合纖維紡紗構(gòu)筑一維結(jié)構(gòu)的柔性傳感器。

濕法紡絲法是一種可規(guī)模化生產(chǎn)的長絲紗生產(chǎn)技術(shù)，通過噴嘴以適當?shù)乃俾蕦⒒A(chǔ)聚合物溶液注入凝固浴中來制造長絲紗，可以將導(dǎo)電材料添加到聚合物溶液中并通過濕法紡絲將混合物提取成長絲制造可拉伸導(dǎo)電紗線。在紡絲法過程中，由于固化過程中的溶劑交換，可使纖維內(nèi)部產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)，這利于提升傳感器的靈敏度。Niu等［47］開發(fā)了一種

基于濕紡工藝的多孔聚氨酯纖維應(yīng)變傳感器，構(gòu)筑“島橋”微結(jié)構(gòu)的Ag/CB雙層導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。該纖維應(yīng)變傳感器具有2.52×106的超高敏感因子，60 ms的快速響應(yīng)時間。Seyedin等［48］采用同軸噴嘴進一步紡制了具有芯鞘結(jié)構(gòu)的可拉伸導(dǎo)電復(fù)合纖維，制備的高靈敏度的“芯鞘”纖維應(yīng)變傳感器如圖9（a）—（b）所示。當用作應(yīng)變傳感器時，顯示出152%的應(yīng)變能力，在50%應(yīng)變下，敏感因子可達12900。Zhang等［49］運用熱拉伸技術(shù)將苯乙烯和乙烯/丁烯（SEBS）作基材，CB構(gòu)成導(dǎo)電通路，制備了“芯鞘”和“螺旋”式兩種變化結(jié)構(gòu)的纖維傳感器，圖9（c）為制備芯鞘結(jié)構(gòu)和螺旋結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感纖維的示意圖。其中，具有芯鞘結(jié)構(gòu)的纖維傳感器表現(xiàn)出大于580%高拉伸性，采用螺旋設(shè)計時，該傳感器可以承受更高的應(yīng)變（gt;750%）。同樣采用此工藝，Marion等［50］構(gòu)建了屈曲和螺旋兩種形狀變化的導(dǎo)電纖維。采用這種方法可連續(xù)生產(chǎn)達數(shù)十米，通過編織和針織技術(shù)展示了制造柔軟可拉伸的紡織天線，屈曲結(jié)構(gòu)變化的導(dǎo)電纖維如圖9（d）所示?？傊?，采用熱拉伸法技術(shù)需要控制所制纖維的結(jié)構(gòu)和成分，通過調(diào)整纖維的預(yù)拉伸形態(tài)，直接制備或進一步加工成一維結(jié)構(gòu)柔性傳感器。

3.3結(jié)構(gòu)變化法

結(jié)構(gòu)變化法主要是根據(jù)改變原基材的單一結(jié)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)發(fā)生變化賦予其傳感特性，選擇合適的制備材料和變化結(jié)構(gòu)設(shè)計對于制備一維結(jié)構(gòu)的柔性傳感器至關(guān)重要。本小節(jié)主要從一維結(jié)構(gòu)紗線方面總結(jié)了包纏結(jié)構(gòu)法和花式扭曲變化法制備一維結(jié)構(gòu)柔性傳感器相關(guān)研究工作。

3.3.1包纏結(jié)構(gòu)法

包纏結(jié)構(gòu)方法制備柔性傳感器，紗線通過外包纏繞構(gòu)建包芯結(jié)構(gòu)。同上述采用同軸紡絲的“芯鞘”結(jié)構(gòu)纖維式傳感器的原理相似，主要由內(nèi)部的芯層和外部纏繞的鞘層兩部分相互配合，一般是通過包覆角變化和改變螺距的分離程度兩種形式的結(jié)構(gòu)變化。受到拉伸作用時，內(nèi)部芯層作為拉伸受力的主要承受對象，而外部鞘層間接受到拉伸作用力。因此，提高芯層和鞘層之間的結(jié)合能力是保證此類型傳感器的傳感信號穩(wěn)定輸出的關(guān)鍵。Qi等［51］將嵌入CNTs的PU納米纖維通過靜電紡絲技術(shù)直接包纏在鍍鎳芯紗表面以產(chǎn)生一維包纏“芯鞘”結(jié)構(gòu)的傳感紗線，圖10（a）為一維“芯鞘”柔性傳感器的制備過程。包纏鞘層的多孔納米纖維結(jié)構(gòu)和鍍鎳芯紗電極的纖維束分層結(jié)構(gòu)共同作用提供較大的表面積和表面粗糙度，提高傳感器的靈敏度，作為柔性壓力傳感器可實現(xiàn)30 ms的快速響應(yīng)能力。

3.3.2花式扭曲變化法

花式扭曲結(jié)構(gòu)變化是在包纏結(jié)構(gòu)法基礎(chǔ)上變化以拓寬工作范圍和提高應(yīng)變傳感能力，滿足了不同應(yīng)用場景的需求。Gao等［52］設(shè)計一種CNTs/PU的復(fù)合螺旋結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感器，螺旋結(jié)構(gòu)的設(shè)計過程如圖10（b）所示。圖10（c）為螺旋結(jié)構(gòu)受拉伸時紗線結(jié)構(gòu)變化過程，彈性PU材料和螺旋結(jié)構(gòu)的協(xié)同效應(yīng)使紗線具有出色的伸展性。使得螺旋結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感器在應(yīng)變900%內(nèi)獲得了良好可恢復(fù)性和高達1700 %的拉伸伸長率。Lu等［53］設(shè)計了一種涉及到扭轉(zhuǎn)、彎曲以及平行排列結(jié)構(gòu)的纖維基的應(yīng)變傳感器。從圖10（d）拉伸釋放的示意圖和相應(yīng)SEM圖中看出，當受到100%外力拉伸時，出現(xiàn)了雙水平螺旋縫隙結(jié)構(gòu)。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計產(chǎn)生了一種協(xié)同傳感機制，即裂紋擴展和導(dǎo)電接觸面積的變化，在非常小的應(yīng)變下也能產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)變化，這使得傳感器能夠準確地捕獲0.01%的微小應(yīng)變，具有70 ms快速響應(yīng)時間。此結(jié)構(gòu)還適用于彎曲和扭轉(zhuǎn)的變形，扭轉(zhuǎn)檢測范圍達到1000 捻/m。Zhao等［54］首次利用機器與多種紡織行業(yè)編織技術(shù)交織出強韌的銅涂層聚丙烯腈紗線和聚對二甲苯涂層銅-聚丙烯腈紗線，并提出紡織結(jié)構(gòu)與傳感器關(guān)鍵特性之間的關(guān)系，實現(xiàn)對于不同物體的壓力監(jiān)測。

4結(jié)語

近年來，一維結(jié)構(gòu)柔性傳感器的研究取得了顯著進展，能夠?qū)囟?、壓力、拉伸以及光學(xué)變化的感知，在開發(fā)各種智能可穿戴產(chǎn)品方面顯示了巨大發(fā)展?jié)摿?。同時，一維結(jié)構(gòu)柔性傳感器也成為智能服裝、紡織天線、柔性電池等研究方向的一個重要連接平臺，拓寬在可穿戴傳感、智能醫(yī)療、運動健康等應(yīng)用領(lǐng)域的范圍。關(guān)于柔性電子產(chǎn)品中未有統(tǒng)一檢測標準，在不同的研究成果中，通過各種方法計算柔性電子器件的參數(shù)，難以比較具有不同功能甚至相同功能的可穿戴柔性電子器件。目前，在實際應(yīng)用方面仍存在幾個方向需要繼續(xù)攻破。

a）電子元件的匹配和集成。一維結(jié)構(gòu)柔性傳感器的信號傳輸仍然受限于僅由一維結(jié)構(gòu)電子元件集成的電子系統(tǒng)，纖維或者紗線的本身形狀為一維結(jié)構(gòu)，用于一維結(jié)構(gòu)電子元件的可拉伸導(dǎo)電紗線可以部分地與傳感器互連，然而這種互連在實際應(yīng)用中受到技術(shù)限制，未能較好保證信號的穩(wěn)定輸出。為了實現(xiàn)完整一維結(jié)構(gòu)的可拉伸電子系統(tǒng)，應(yīng)展開多領(lǐng)域交叉研究，深入剖析一維結(jié)構(gòu)的可拉伸電子系統(tǒng)涉及的各種原理和運行機制，開發(fā)具有與之匹配的高性能的電子元件，例如天線、晶體管、轉(zhuǎn)換器等。

b）材料設(shè)計和優(yōu)化。一維柔性傳感器的電性能和穩(wěn)定性不能很好地滿足其實際應(yīng)用。因此，需要對研究者的工作提出更高的要求，進行傳感器的優(yōu)化設(shè)計提高性能。制備傳感器導(dǎo)電材料需穩(wěn)定且具備柔性的特點，基底材料要有較高拉伸性，導(dǎo)電材料與基底材料的結(jié)合強度非常高，受到外力條件下依然保持性能穩(wěn)定。拓展制備傳感器材料的范圍，開發(fā)能夠滿足生物相容性、生物可降解性、環(huán)境友好性的需求的新材料，在進行封裝、后加工處理階段不會對人體和環(huán)境產(chǎn)生危害，以獲得性能穩(wěn)定、材料安全、風格多樣的智能可穿戴產(chǎn)品。

c）紡織加工技術(shù)的應(yīng)用。一維結(jié)構(gòu)柔性傳感器的力學(xué)性能和各性能穩(wěn)定難以滿足工業(yè)上的生產(chǎn)加工技術(shù)，拓展連續(xù)化生產(chǎn)較為困難。纖維、紗線此類紡織材料具有良好的柔韌性，若將其與針織技術(shù)結(jié)合開發(fā)無縫一體式智能服裝、智能紡織品，減少復(fù)雜加工工序，避免對材料造成多次損傷，影響產(chǎn)品外觀和性能。因而，一維結(jié)構(gòu)柔性傳感器選擇針織、編織、3D打印加工等成熟的加工技術(shù)相結(jié)合，對于實現(xiàn)一維結(jié)構(gòu)柔性傳感器的多場景應(yīng)用和規(guī)模化生產(chǎn)至關(guān)重要。

因此，未來設(shè)計高度靈活和高傳感效率的一維結(jié)構(gòu)可穿戴柔性傳感器，需要紡織工程、電子信息、材料科學(xué)等領(lǐng)域研究人員的相互協(xié)作，開發(fā)可連續(xù)生產(chǎn)、高靈敏度以及可靠耐用的柔性可穿戴電子設(shè)備，這將進一步推動科技創(chuàng)新，為人們的生活和工作帶來更多便利。

參考文獻：

［1］TIAN X， LEE P M， TAN Y J， et al. Wireless body sensor networks based on metamaterial textiles［J］. Nature Electronics， 2019， 2（6）： 243-251.

［2］LEE J， LLERENA ZAMBRANO B， WOO J， et al. Recent advances in 1D stretchable electrodes and devices for textile and wearable electronics： Materials， fabrications， and appli-cations ［J］.Advanced Materials， 2020， 32（5）： 2070038.

［3］Chen M， LI P， WANG R， et al. Multifunctional fiber： Enabled intelligent health agents［J］. Advanced Materials， 2022， 34（52）： 2200985.

［4］SOURI H， BHATTACHARYYA D. Highly stretchable multifunctional wearable devices based on conductive cotton and wool fabrics［J］. ACS Applied Materials amp; Interfaces，2018， 10（24）：20845-20853.

［5］WANG J， YANG W， LIU Z， et al. Ultra-fine self-powered interactive fiber electronics for smart clothing［J］. Nano Energy， 2023， 107： 108171.

［6］王曉雷，繆旭紅，孫婉.針織間隔導(dǎo)電織物的壓力電阻傳感性能［J］.絲綢，2020，57（4）：17-21.

WANG Xiaolei， MIAO Xuhong， SUN Wan. Pressure resistance sensing properties of knitted spacer conductive fabrics ［J］.Journal of Silk， 2020， 57（4）：17-21.

［7］牛麗，劉青，陳超余，等.仿生鱗片針織結(jié)構(gòu)自供能傳感織物的制備及其性能［J］.紡織學(xué)報，2023，44（2）：135-142.

NIU Li， LIU Qing， CHEN Chaoyu， et al. Preparation and performance of self-powering knitted sensing fabric with bionic scales［J］. Journal of Textile Research， 2023， 44（2）：135-142.

［8］吳榮輝，馬麗蕓，張一帆，等.銀納米線涂層的編鏈結(jié)構(gòu)紗線拉伸應(yīng)變傳感器［J］.紡織學(xué)報，2019，40（12）：45-49.

WU Ronghui， MA Liyun， ZHANG Yifan， et al. Strain sensor based on silver nanowires coated yarn with chain stitch structure ［J］. Journal of Textile Research， 2019，40（12）：45-49.

［9］ATES H C， NGUYEN P Q， GONZALEZ-MACIA L， et al. End-to-end design of wearable sensors［J］. Nature Reviews Materials， 2022， 7（11）： 887-907.

［10］MATSUHISA N， CHEN X， BAO Z， et al. Materials and structural designs of stretchable conductors［J］. Chemical Society Reviews， 2019， 48（11）： 2946-2966.

［11］KUANG T， ZHANG M， CHEN F， et al. Creating poly（lactic acid）/carbon nanotubes/carbon black nanocomposites with high electrical conductivity and good mechanical properties by constructing a segregated double network with a low content of hybrid nanofiller［J］. Advanced Composites and Hybrid Materials， 2023， 6（1）：1-12.

［12］KANOUN O， BOUHAMED A， RAMALINGAME R， et al. Review on conductive polymer/CNTs nanocomposites based flexible and stretchable strain and pressure sensors［J］. Sensors， 2021， 21（2）;341.

［13］LIU L， SHEN Z， ZHANG X， et al. Highly conductive graphene/carbon black screen printing inks for flexible electronics［J］. Journal of Colloid And Interface Science， 2021， 582： 12-21.

［14］JANG S，KIM J， KIM D W， et al. Carbon-based， ultraelastic， hierarchically coated fiber strain sensors with crack-controllable beads［J］. ACS Appl Mater Interfaces， 2019， 11（16）： 15079-15087.

［15］GUO X H， ZHAO Y， XU X， et al. Biomimetic flexible strain sensor with high linearity using double conducting layers ［J］. Composites Science and Technology， 2021， 213：108908.

［16］CHOI J H， NOH J H， CHOI C. Highly elastically deformable coiled CNT/polymer fibers for wearable strain sensors and stretchable supercapacitors［J］. Sensors， 2023， 23（4）：2359.

［17］HE Z， BYUN J H， ZHOU G， et al. Effect of MWCNT content on the mechanical and strain-sensing performance of Thermoplastic Polyurethane composite fibers［J］. Carbon， 2019， 146： 701-708.

［18］蒲海紅，賀芃鑫，宋柏青，等.纖維素/碳納米管復(fù)合纖維的制備及其功能化應(yīng)用［J］.紡織學(xué)報，2023，44（1）：79-86.

PU Haihong， HE Pengxin， SONG Baiqing， et al. Preparation of cellulose /carbon nanotube composite fiber and its functional applications［J］. Journal of Textile Research， 2023， 44（1）： 79-86.

［19］李東亮，劉慧瑩，李樂樂，等.SBS/CNTs彈性導(dǎo)電復(fù)合纖維的制備與性能［J］.現(xiàn)代紡織技術(shù)，2023，31（3）：121-127

LI Dongliang， LIU Huiying， LI lele， et al. Preparation and properties of SBS/CNTs elastic conductive composite fiber ［J］. Advanced Textile Technology， 2023， 31（3）： 121-127.

［20］WANG L， TIAN M， QI X， et al. Customizable textile sensors based on helical core-spun yarns for seamless smart garments［J］. Langmuir， 2021， 37（10）： 3122-3129.

［21］HUANG T， HE P， WANG R， et al. Porous fibers composed of polymer nanoball decorated graphene for wearable and highly sensitive strain sensors ［J］. Advanced Functional Materials， 2019， 29（45）：1903732.

［22］HASAN M M， HOSSAIN M M. Hasan M M， Hossain M M. Nanomaterials-patterned flexible electrodes for wearable health monitoring： A review［J］. Journal of Materials Science， 2021， 56（27）： 14900-14942.

［23］LU Y， JIANG J， YOON S， et al. High-performance stretchable conductive composite fibers from surface-modified silver nanowires and thermoplastic polyurethane by wet spinning ［J］. ACS Applied Materials amp; Interfaces， 2018， 10（2）： 2093-20104.

［24］ZHAO Y， DONG D， GONG S， et al. A moss-inspired electroless gold-coating strategy toward stretchable fiber conductors by dry spinning ［J］. Advanced Electronic Materials， 2019， 5（1）：1800462.

［25］TANG Y， GUO B， CRUZ M A， et al. Colorful conductive threads for wearable electronics： Transparent Cu-Ag nanonets［J］. Advanced Science， 2022， 9（24）： 2201111.

［26］KWON O S， SONG H S， PARK T H， et al. Conducting nanomaterial sensor using natural receptors ［J］. Chemical reviews， 2019， 119（1）： 36-93.

［27］HUI Z， CHEN R， J CHANG J， et al. Solution-processed sensing textiles with adjustable sensitivity and linear detection range enabled by twisting structure ［J］. ACS Applied Materials amp; Interfaces， 2020， 12（10）： 12155-12164.

［28］陸趙情，黃吉振，李嬌陽，等.一種ANF/CNT/PPy氣凝膠纖維傳感器及其制備方法和應(yīng)用：CN114438617A［P］.2022-05-06.

LU Zhaoqing， HAUNG Jizhen， LI Jiaoyang， et al. An ANF/CNT/PPy aerogel fiber sensor and its preparation method and application： CN114438617A［P］. 2022-05-06.

［29］吳穎欣，胡鋮燁，周筱雅，等.柔性可穿戴氨綸/聚苯胺/聚氨酯復(fù)合材料的應(yīng)變傳感性能［J］.紡織學(xué)報，2020，41（4）：21-25.

WU Yingxin， HU Chengye， ZHOU Xiaoya， et al. Strain sensing property of flexible wearable spandex/polyaniline/polyurethane composites ［J］. Journal of Textile Research， 2020， 41（4）： 21-25.

［30］ZHAI W， LI X， XIA Q， et al. Multi-functional and flexible helical fiber sensor for micro-deformation detection， temperature sensing and ammonia gas monitoring［J］. Composites Part B： Engineering， 2021， 211： 108621.

［31］王新月.PEDOT：PSS/PVA導(dǎo)電纖維的制備及性能研究［D］.無錫：江南大學(xué)，2020：80-81.

WANG Xinyue. Study on Preparation and Properties of PEDOT：PSS/PVA Conductive Fiber［D］. Wuxi： Jiangnan University， 2020：80-81.

［32］SEYEDIN S， RAZAL J M， INNIS P C， et al. Knitted strain sensor textiles of highly conductive all-polymeric fibers ［J］. ACS Applied Materials amp; Interfaces， 2015， 7（38）： 21150-21158.

［33］ALSHABOUNA F， LEE H S， BARANDUN G， et al. PEDOT：PSS-modified cotton conductive thread for mass manufacturing of textile-based electrical wearable sensors by computerized embroidery ［J］. Materials Today， 2022， 59： 56-67.

［34］LI Y， ZHENG C， LIU S， et al. Smart glove integrated with tunable MWNTs/PDMS fibers made of a one-step extrusion method for finger dexterity， gesture， and temperature recognition ［J］. ACS Applied Materials amp; Interfaces， 2020， 12（21）： 23764-23773.

［35］JIN C， LIU D， LI M， et al. Application of highly stretchy PDMS-based sensing fibers for sensitive weavable strain sensors ［J］. Journal of Materials Science： Materials in Electronics， 2020， 31（6）： 4788-4796.

［36］梁家豪，巫瑩柱，劉海東，等.表層靜電植入與貼伏石墨烯的濕敏聚氨酯纖維制備及其性能［J］.紡織學(xué)報，2021，42（6）：63-70.

LIANG Jiahao， WU Yingzhu， LIU Haidong， et al. Preparation and properties of humidity-sensitive polyurethane fibers with surface electrostatic implantation and adhesion of graphene ［J］. Journal of Textile Research， 2021， 42（6）： 63-70.

［37］CHEN G， WANG H， GUO R， et al. Superelastic EGaIn composite fibers sustaining 500% tensile strain with superior electrical conductivity for wearable electronics ［J］. ACS Applied Materials amp; Interfaces， 2020， 12（5）： 6112-61128.

［38］張寧儀，王潮霞.納米銀顆粒-聚氨酯導(dǎo)電纖維的制備及拉伸傳感應(yīng)用［J］.精細化工，2022，39（6）：1170-1177.

ZHANG Ningyi， WANG Chaoxia. Preparation of AgNPs-polyurethane conductive fiber and its application in tension sensing ［J］. Fine Chemicals， 2022， 39（6）： 1170-1177.

［39］鄭賢宏，胡僑樂，聶文琪，等.高彈性MXene/TPU納米纖維紗線的制備及其應(yīng)變傳感性能［J］.精細化工，2022，39（1）：80-85.

ZHENG Xianhong， HU Qiaole， NIE Wenqi， et al. Prepa-ration and strain sensing performance of high stretchable MXene/TPU Nanofiber Yarn ［J］. Fine Chemicals， 2022， 39（1）：80-85.

［40］MA Z J， HUANG Q Y， ZHOU N J， et al. Stretchable and conductive fibers fabricated by a continuous method for wearable devices ［J］. Cell Reports Physical Science， 2023， 4（3）：101300.

［41］JAMATIA T， MATYAS J， OLEJNIK R， et al. Wearable and Stretchable SEBS/CB polymer conductive strand as a piezoresistive strain sensor［J］. Polymers， 2023， 15（7）： 1618.

［42］ZHAO R， HE Y， HE Y， et al. Dual-mode fiber strain sensor based on mechanochromic photonic crystal and transparent conductive elastomer for human motion detection［J］. ACS Applied Materials amp; Interfaces， 2023， 15（12）： 16063-16071.

［43］WU X，HAN Y， ZHANG X， et al. Highly sensitive， stretchable， and wash-durable strain sensor based on ultrathin conductive Layer@Polyurethane yarn for tiny motion monitoring［J］. ACS Applied Materials amp; Interfaces， 2016， 8（15）： 9936-9945.

［44］XIE X， HUANG H， ZHU J， et al. A spirally layered carbon nanotube-graphene/polyurethane composite yarn for highly sensitive and stretchable strain sensor ［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2020， 135：105932.https：//doi.org/10.1016/j.compositesa.2020.105932

［45］QIN Y， QU M， PAN Y， et al. Fabrication， characterization and modelling of triple hierarchic PET/CB/TPU composite fibres for strain sensing ［J］. Composites Part A： Applied Science and Manufacturing， 2020， 129：105724.https：//doi.org/10.1016/j.compositesa.2019.105724

［46］ZHANG S C， XU J T. PDMS/Ag/mxene/polyurethane conductive yarn as a highly reliable and stretchable strain sensor for human motion monitoring ［J］. Polymers， 2022， 14（24）：5041.

［47］NIU B， YANG S， YANG Y， et al. Highly conductive fiber with design of dual conductive Ag/CB layers for ultrasensitive and wide-range strain sensing ［J］. SmartMat， 2023： e1178.https：//doi.org/10.1002/smm2.1178

［48］SEYEDIN S， UZUN S， LEVITT A， et al. MXene composite and coaxial fibers with high stretchability and conductivity for wearable strain sensing textiles ［J］. Advanced Functional Materials， 2020， 30（12）：1910504.

［49］ZHANG Y， LI X， KIM J， et al. Thermally drawn stretchable electrical and optical fiber sensors for multimodal extreme deformation sensing ［J］. Advanced Optical Materials， 2021， 9（6）： 2001815.

［50］MARION J S， GUPTA N， CHEUNG H， et al. Thermally drawn highly conductive fibers with controlled elasticity ［J］.Advanced Materials， 2022， 34（19）： e2201081.

［51］QI K， WANG H， YOU X， et al. Core-sheath nanofiber yarn for textile pressure sensor with high pressure sensitivity and spatial tactile acuity ［J］. Journal of Colloid and Interface Science， 2020， 561： 93-103.

［52］GAO Y， GUO F， CAO P， et al. Winding-locked carbon nanotubes/polymer nanofibers helical yarn for ultrastretchable conductor and strain sensor ［J］. ACS Nano， 2020， 14（3）： 3442-3450.

［53］LU L， ZHOU Y， PAN J， et al. Design of helically double-leveled gaps for stretchable fiber strain sensor with ultralow detection limit， broad sensing range， and high repeatability ［J］. ACS Applied Materials amp; Interfaces， 2019， 11（4）： 4345-4352.

［54］ZHAO Z Z， HUANG Q Y，YAN C， et al. Machine-washable and breathable pressure sensors based on triboelectric nanogenerators enabled by textile technologies［J］. Nano Energy， 2020， 70： 104528.

Research progress on wearable flexible sensors with one-dimensional structure

YUE Xinyana， HONG Jianhana，b

（a.College of Textile and Garment; b.Key Laboratory of Clean Dyeing and Finishing Technology of Zhejiang Province， Shaoxing University， Shaoxing 312000， China）

Abstract：

With the advancement of technology and the growth of market demand， smart wearable technology is developing rapidly. Smart wearable electronic devices（including electronic skin， sports wristbands， smart watches， etc） are becoming more and more popular in people's daily life. At present， smart wearable devices are gradually developing towards flexibility， light weight and portability， and they need to meet the characteristics of softness and comfort， flexibility and lightness， and fit the human body well.

Textile materials are found everywhere in people's daily life and can be classified according to their form into fibers， yarns and fabrics， subsequently utilized in various textile processing techniques to manufacture various garments and textile products. At different stages of the manufacturing of processing textiles， fibers and yarns have been defined as one-dimensional horizontal structures and fabrics as two-dimensional or three-dimensional horizontal structures. Now various methods have been proposed to endow them with conductive sensing properties to build wearable and flexible sensor devices to play an important role in fields such as sports， health care， and human-computer interaction. One-dimensional structured flexible sensors have the advantages of less integration difficulty， more excellent conformability， flexibility and stretchability， and greater malleability compared to non-one-dimensional sensors， allowing for low-cost processing and continuous production. At present， the research on one-dimensional structured flexible sensors has made significant progress， including the perception of temperature， pressure， stretching and optical changes， and the monitoring of object shape， human movement posture， health status and other functions of the sensor. Some researchers have produced electronic skin， smart clothing and smart textile products by processing them with existing knitting and weaving technologies， which has shown great development potential in developing different smart products. Therefore， one-dimensional structured wearable flexible sensors need to be further studied in depth and a series of smart products such as smart textiles， smart clothing and smart wearable devices can be developed through continuous production with existing mature processing technologies. In addition， the possibility of use of one-dimensional structured flexible sensors to build functions including sensing， actuation， and communication has been proven by researchers. In the future， it will promote the advancement of scientific research in the direction of flexible circuits， fabric antennas， multifunctional sensors， etc.， and it has become a research hotspot to research and develop flexible one-dimensional structured sensors and to expand the scope of their comprehensive applications.

In summary， as an important branch of flexible sensor devices， wearable flexible sensors with one-dimensional structure have been favored in the fields of wearable technology， health monitoring， and smart electronic skin， and have also gradually integrated into people's daily life to provide convenience. There is no uniform testing standard for the performance of flexible electronics products， which is still a challenge for researchers in their research work. At present， it is necessary to continuously enhance and improve the functionality and practicality of the products to promote the development of wearable flexible sensors with one-dimensional structure in the field of smart wearables. The future endeavor to design one-dimensional structured sensors with high sensing efficiency， multi-modal functionality， and stable performance requires mutual cooperation among researchers in various fields of textile engineering， electronic information， and materials science to promote scientific and technological innovations， and to bring more convenience to people's life and work.

Keywords：

one-dimensional structure; flexible sensors; conductive fibers; smart wearable

收稿日期：20230716

網(wǎng)絡(luò)出版日期：20230901

基金項目：浙江省自然科學(xué)基金探索公益項目（TGY24E030003）

作者簡介：岳欣琰（2000—），女，山東菏澤人，碩士研究生，主要從事智能服裝柔性器件方面的研究。

通信作者：洪劍寒，E-mail：jhhong@usx.edu.cn