纤维材料与可穿戴技术的融合与创新

王 栋， 卿 星， 蒋海青1,， 钟卫兵， 李沐芳1,

(1. 武汉纺织大学 湖北省纺织新材料及其应用重点实验室, 湖北 武汉 430200； 2. 武汉纺织大学 材料科学与工程学院, 湖北 武汉 430200； 3. 东华大学 化学化工与生物工程学院, 上海 201620)

在柔性可穿戴产品商品化，人工智能、智能制造等新兴产业群蓬勃发展的大背景下，全球市场逐渐涌现出一批被广泛应用于健康监测、移动通信、军事、体育、教育和娱乐等领域的智能可穿戴产品，如苹果智能手表、小米智能手环、索尼智能头盔、耐克智能鞋等，但传统携带式可穿戴电子设备无法满足人们对产品质轻、柔顺、体积小、穿着舒适、功能齐全等全方位需求。

纤维材料是纺织品的基本组成单元，具有柔软、轻便、吸湿、透气、可编织等特点，基于纺织、材料、电子、通信、生物、能源等多学科交叉领域的柔性智能可穿戴纺织品为解决上述柔性智能可穿戴领域面临的困境提供了新的解决思路。本文综述了可穿戴技术的发展进程，纤维材料与智能可穿戴技术的融合方式与发展前景；介绍了纤维材料与智能可穿戴技术在脉搏及运动监测型应变传感器、离子检测与葡萄糖传感等生化检测型有机电化学晶体管、超级电容器及微生物燃料电池等领域的创新应用。

1 可穿戴技术

1.1 可穿戴技术概述

可穿戴技术萌芽于20世纪60年代，是一种将多媒体、传感器和无线通信等技术嵌入服装且满足手势和眼动等操作需求的技术[1]，该技术经过半个多世纪跌宕起伏的发展，已成为21世纪最引人瞩目的技术热点之一[2-3]。2012年谷歌眼镜的发布标志着智能可穿戴设备元年开启，随后几年由于全球互联网技术、电子封装技术、人机交互技术、机械加工工艺和系统集成等技术迅猛发展，一系列可穿戴智能产品逐渐问世[4-5]。目前绝大多数实验室研制的智能可穿戴前沿产品普遍无法克服性能缺陷或批量生产难题，市面上主流的智能可穿戴产品大多面临产品功能单一、续航能力低、价格昂贵、穿着舒适性差或可“戴”不可“穿”等困境，无法满足大众需求，同时严重限制了可穿戴产品市场空间。基于以上问题，学术界、工业界甚至各国军方关于智能可穿戴产品讨论十分热烈，但全球智能可穿戴市场却一直引而不发。

1.2 纤维基柔性智能可穿戴技术发展前景

柔性智能可穿戴技术是涉及多个交叉学科的系统工程。利用纤维材料制备柔性智能可穿戴产品的常见方法有3种：第一，研发智能纤维或智能纱线，通过针织、机织等织造方法直接生产智能可穿戴纺织品；第二，利用后整理等技术手段赋予普通纤维或纺织品适用于可穿戴产品的特殊功能；第三，将外接智能器件无缝融合到纺织品中。与其他智能可穿戴产品基材相比，一维结构的纤维材料具有价格低，质量轻，体积小，易编织等优点，且柔性可弯曲的纤维基器件可满足人体三维扭曲形变需求，实现器件与人体皮肤最大程度上的贴合，改善产品散热、透气、导湿等穿着舒适性难题，为解决当前柔性智能可穿戴领域面临的困境提供了新的解决思路。综上，纤维的智能化发展、可穿戴技术与智能纤维、智能纺织品的融合创新是突破柔性智能可穿戴产业发展瓶颈的客观需求和必然趋势。

2 纤维基可穿戴应变传感器

近年来，人类健康意识随着经济社会快速发展显著增强，笨重而固定的医疗监护设备已远远无法满足消费者需求[6]。应变传感器因尺寸小、质量轻、响应时间短、分辨率高等优点在人体生理信号检测[7]、表情识别[8]、医疗保健和运动实时监测[9]等领域均具有广阔应用前景。

传统应变传感器很难与人体皮肤紧密贴合，其灵敏性、透气性差，难以满足可穿戴设备发展要求[10]。近年来基于柔性聚合物的新型可穿戴应变传感器发展迅猛[11]，其中聚二甲基硅氧烷(PDMS)因质地柔软[12]、轻薄、低模、化学性质稳定[13]、回弹性能好[14]等优势被广泛应用于柔性可穿戴应变传感器。然而这类弹性体结构致密，即使构筑再完美的微观结构，也很难贴合于人体皮肤或人形机器人的不规则表面，进而形成褶皱影响器件性能。而纤维基应变传感器可保证器件对人体有良好的贴合性。

Zhong等[15]利用纳米纤维构筑了表面具有规整凸起状微观阵列结构的电阻式压力传感器。通过微阵列中的聚烯烃弹性体(POE)纳米纤维支架感知极小的压力并形成互锁结构，造成膜间距减小，导电通路增多，电阻降低；反之则电阻增大。该纳米纤维基膜传感器摩擦因数较大，可有效解决与皮肤间贴合性差等问题。将所制备的传感膜裁剪成创口贴大小贴在手腕上，再通过蓝牙设备将脉搏产生的压力信号传输到手机上，即可实现对人体脉搏的实时监测。同时，传感器检测的脉搏信号与专业心电设备测得的心电图信号波形及其相似，说明其在柔性可穿戴式人体生理信号检测领域具有巨大的实际应用前景。

基于连续束状纳米纤维的制备方法[16]，Zhong等[17]尝试设计了可直接制备成拉伸应变传感器的束状纳米纤维基智能纱线，该纱线具有导电、回弹性及形变可逆等特点。通过解缠结和表面作用力将银纳米线固定到制备好的纳米纤维束表面或者浅层，进而形成可逆的导电通路。将该纤维基传感器放置在膝关节处、脖子或眼睛周围，可有效监测人体不同的运动状态、发音或表情引起的强弱拉力信号。这表明该传感器在运动监测、表情识别、甚至医疗美容等领域具有可观的应用前景。另外，这种纱线可被编织成各式各样的智能纺织品，如将该纱线传感器织到袜子里，当测试者站立、踮脚或跳跃时传感器通过蓝牙可输出非常明显的信号变化。

3 纤维基可穿戴有机电化学晶体管

有机电化学晶体管(OECTs)因工作电压低(小于1 V)，可有效防止电解质水解，其栅电极和源漏极可分开制备，融入织物组织的可操作性强，可被应用于柔性可穿戴领域[18-19]。其中栅极材料经过特殊处理后可被应用于生化物质检测，如唾液[20]、葡萄糖[21]、酒精[22]、乳酸[23]、离子[24]、多巴胺[25]等。

3.1 离子传感领域

纤维基有机电化学晶体管(FECTs)所用导电纤维电极不仅拥有优异的电学性能，同时兼具纤维材料良好的柔顺性和可编织性，在柔性传感、生化检测、健康管理、智能医疗等新兴产业应用前景广受瞩目[21,26]。

Wang等[26]先将纳米纤维(NFs)与锦纶(PA6)复合，再通过原位聚合聚吡咯(PPy)后得到导电纤维。使用NFs可增大纤维比表面积，诱导形成PPy纳米线。由该导电纤维组装成的FECTs器件的沟道电流(Ids)对K+、Ca2+、Pb2+和Al3+均有明显响应，对Pb2+响应灵敏性最佳，其电流变化率由大到小为Pb2+、K+、Ca2+、Al3+。通过研究不同Pb2+浓度对器件转移曲线影响时发现：随着Pb2+浓度增加，Ids逐渐减小。器件对不同Pb2+浓度溶液响应程度各不相同，因此其可用于Pb2+检测。由此可见，FECTs可有效检测金属离子，为实现基于健康监测的柔性智能可穿戴器件开拓了新思路。

3.2 葡萄糖传感领域

健康人体血糖浓度值为3.8～6.1 mmol/L[27]、而糖尿病患者血糖浓度往往高于9 mmol/L[28]。目前绝大多数血糖仪均为侵入式，易造成创口感染，消费者迫切希望研发一款非侵入式唾液或汗液血糖检测仪。

Wang等[29]在普通PA6纤维表面复合还原氧化石墨烯(rGO)薄膜后通过原位聚合PPy后获得相互交错的三维网状PPy纳米线作为活性材料，PPy纳米线直径约200～300 nm。PPy/rGO/PA6纤维经葡萄糖氧化酶和生物相容性膜溶液处理后制备FECTs栅电极，然后将其组装成葡萄糖传感器。葡萄糖浓度范围为1～1×106nmol/L时该传感器可在0.5 s内产生明显电流响应，且5 s 内可达到相对平衡状态；葡萄糖浓度范围为1～5 000 nmol/L，传感器在该区间展现出明显的线性相关性，相关系数高达0.936 8，特异性曲线显示器件对2种常用干扰物质尿酸(UA)和氨基酸(AA)无特殊反应，但对葡萄糖溶液响应明显；且检测同一浓度葡萄糖溶液具有优异重现性。该FECTs基葡萄糖传感器检测下限可低至1 nmol/L，满足非侵入式唾液血糖仪检测要求。

4 纤维基可穿戴超级电容器

超级电容器具有能量密度大、功率密度高、循环稳定性优异、环境友好等特点，被认为是最高效的能量储存器件之一[30]。随着智能可穿戴技术的不断发展，传统的刚性电极超级电容器已经无法满足使用需求，纤维基柔性可穿戴超级电容器引起人们广泛关注。

Liu等[31]使用纤维基材料制备超级电容器前对基材进行了各种功能化处理，在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)非织造布上涂覆NFs，涂覆后电极表面比表面积、活性物含量均大幅提升；调节表面活性剂用量，通过化学氧化法在纳米纤维表面合成颗粒状、棒状和线状导电高分子。结果表明线状的导电高分子电化学性能优于颗粒状或棒状。将含线状导电高分子电极材料组装成全固态柔性超级电容器器件，发现电极在弯曲状态下不会造成电阻的变化；不同的弯曲状态不会影响器件容量和稳定性，说明该器件的柔顺性极好，且性能稳定，适合应用于可穿戴技术。

5 纤维基微生物燃料电池

微生物燃料电池可将生物质能转化成电能，对缓解能源紧缺，解决环境污染具有重要的意义。普通微生物燃料电池存在能量密度低、循环稳定性差等缺点。阳极材料是决定微生物燃料电池性能优异与否的决定因素，而纤维由于具有较高的比表面和孔隙率，可作为微生物有机质的优质载体，采用纤维基柔性电极制备微生物燃料电池阳极材料在柔性可穿戴能源供给、储能及转化领域具有重要意义。

Tao等[32]将NFs涂覆在PET基材表面，原位聚合PPy后得到微生物燃料电池(MFCs)阳极材料PPy/NFs/PET。结果表明线状导电高分子更有利于电子传递，也为微生物的生长繁殖提供了更多的活性中心，对葡萄糖的氧化分解效率也更高。在相同的电流密度下负载纳米纤维阳极材料输出功率是未负载纳米纤维阳极材料输出功率的16.8倍。当加入葡萄糖后系统的负载分压会达到一个平衡值，但随着时间的延长，葡萄糖的不断消耗分解，系统的负载分压就会开始下降，重新补充葡萄糖后系统分压又会重新升高，涂覆纳米纤维的PPy/NFs/PET阳极具有更高的系统负载分压，这表明PPy/NFs/PET阳极组成的系统具有更强的电能输出能力。

6 结束语

随着可穿戴产品智能终端化概念广泛普及，柔性智能可穿戴技术已成为学术界和投资界的新风口。纤维基柔性智能可穿戴产品凭借着其独特的一维结构，在可三维扭曲变形，可集成、可编织性，穿着舒适性等方面表现出明显优势，发展潜力巨大，可被广泛应用于健康监测、智能医疗、生化传感和能量转化与存储等新兴行业。同时，纤维基柔性智能可穿戴技术必然是一门学科交叉型技术，要真正实现该技术，需要多学科的共同努力将可穿戴技术无缝融合到纺织服装领域，让服装具有像生命体一样的感知、变化、记忆、伺服、记忆、甚至学习等功能，真正成为人类的第2层皮。

参考文献：

[1] 闫亚飞, 王溯, 陈小莉,等. 可穿戴设备国际专利技术研发态势分析[J]. 新材料产业, 2016(12):8-16.

YAN Yafei, WANG Shuo, Chen Xiaoli. The research and development trend analysis of wearable device international patent technology [J]. Advanced Materials Industry, 2016(12):8-16.

[2] 舒伟. 纺织智能制造任重而道远：第11期纺织科技新见解学术沙龙后记[J]. 纺织学报, 2017,38(10):184-186.

SHU Wei. Textile intelligent manufacturing is still a long way to go：the academic salon postscript of the 11th new insights on textile technology[J]. Journal of Textile Research, 2017,38(10):184-186.

[3] TRICOLI Antonio, NASIRI N, DE S. Wearable and miniaturized sensor technologies for personalized and preventive medicine[J]. Advanced Functional Materials, 2017, 27(15):1605271.

[4] 江洪, 张晓丹. 国内外智能可穿戴设备行业状况浅析[J]. 新材料产业, 2016(12):2-7.

JIANG Hong, ZHANG Xiaodan. A brief analysis of the domestic and international smart wearables industry[J]. Advanced Materials Industry, 2016(12):2-7.

[5] 钟意. 可穿戴智能设备的发展现状与前景展望[J]. 电子技术与软件工程, 2017(1):96-96.

ZHONG Yi. The development status and prospect of wearable smart devices[J]. Electronic Technology & Software Engineering, 2017(1):96-96.

[6] 严妮妮, 张辉, 邓咏梅. 可穿戴医疗监护服装研究现状与发展趋势[J]. 纺织学报, 2015, 36(6):162-168.

YAN Nini, ZHANG Hui, DENG Yongmei. Research progress and development trend of werable medical monitoring clothing[J]. Journal of Textile Research, 2015, 36(6):162-168.

[7] YAMADA Takeo, HAYAMIZU Y, YAMAMOTO Y, et al. A stretchable carbon nanotube strain sensor for human-motion detection[J]. Nature Nanotechnology, 2011, 6(5):296-301.

[8] SU Meng, LI F, CHEN S, et al. Nanoparticle based curve arrays for multirecognition flexible electronics[J]. Advanced Materials, 2016, 28(7):1369-1374.

[9] RYU Seongwoo, LEE P, CHOU B, et al. Extremely elastic wearable carbon nanotube fiber strain sensor for monitoring of human motion[J]. Acs Nano, 2015, 9(6):5929-5936.

[10] HEMPEL Marek, NIZICH D, KONG J, et al. A novel class of strain gauges based on layered percolative films of 2D materials[J]. Nano Letters, 2012, 12(11):5714-5718.

[11] GE Jin, SUN L, ZHANG F, et al. Stretchable electronics: a stretchable electronic fabric artificial skin with pressure-, lateral strain-, and flexion-sensitive properties[J]. Advanced Materials, 2016, 28(4): 722-728.

[12] SUN Yugang, ROGERS John A. Structural forms of single crystal semiconductor nanoribbons for high-performance stretchable electronics[J]. Journal of Materials Chemistry, 2007, 17(2007):481-495.

[13] PANG Changhyun, KOO J H, NGUYEN A, et al. Sensors: highly skin-conformal microhairy sensor for pulse signal amplification[J]. Advanced Materials, 2015, 27(4):634-640.

[14] YANG Jun, RAN Q, WEI D, et al. Three-dimensional conformal graphene microstructure for flexible and highly sensitive electronic skin[J]. Nanotechnology, 2017, 28(11):115501.

[15] ZHONG Weibing, LIU Qiongzhen, WU Y, et al. A nanofiber based artificial electronic skin with high pressure sensitivity and 3D conformability[J]. Nanoscale, 2016, 8(24):12105-12112.

[16] WANG Dong, SUN Gang, CHIOU B S. A high-throughput, controllable, and environmentally benign fabrication process of thermoplastic nanofibers[J]. Macromolecular Materials & Engineering, 2010, 292(4):407-414.

[17] ZHONG Weibing, LIU Cui, XIANG Chenxue, et al. Continuously producible ultrasensitive wearable strain sensor assembled with three-dimensional interpenetrating AgNW/POE nanofibrous composite yarn[J]. Acs Applied Materials & Interfaces, 2017, 9(48):42058-42066

[18] GUALANDI I, MARZPCCHI M, ACHILLI A, et al. Textile organic electrochemical transistors as a platform for wearable biosensors[J]. Scientific Reports, 2016, 6:33637.

[19] ZHANG S, HUBIS E, TOMASELLO G, et al. Patterning of stretchable organic electrochemical transistors[J]. Chemistry of Materials, 2017, 29(7):3126-3132.

[20] LIAO C, MAK C, ZHANG M, et al. Flexible organic electrochemical transistors for highly selective enzyme biosensors and used for saliva testing[J]. Advanced Materials, 2015, 27(4):676-681.

[21] TANG H, YAN F, LIN P, et al. Highly sensitive glucose biosensors based on organic electrochemical transistors using platinum gate electrodes modified with enzyme and nanomaterials[J]. Advanced Functional Materials, 2011, 21(12):2264-2272.

[22] BIHAR Eloïse, DENG Yingxin, MIYAKE Takeo, et al. A disposable paper breathalyzer with an alcohol sensing organic electrochemical transistor[J]. Scientific Reports, 2016, 6:27582.

[23] BRAENDLEIN Marcel, PAPPA M A, FERRO M, et al. Lactate detection in tumor cell cultures using organic transistor circuits[J]. Advanced Materials, 2017, 29(13):1605744.

[24] SESSOLO M, RIVNAY Jonathan, BANDIELLO Enrico, et al. Ion-selective organic electrochemical trans-istors[J]. Advanced Materials, 2014, 26(28):4803-4807.

[25] GUALANDI Isacco, TONELLI D, MARIANI F, et al. Selective detection of dopamine with an all PEDOT:PSS organic electrochemical transistor[J]. Scientific Reports, 2016(6):35419.

[26] WANG Yuedan, ZHOU Zhou, QING Xing, et al. Ion sensors based on novel fiber organic electrochemical transistors for lead ion detection[J]. Analytical & Bioanalytical Chemistry, 2016, 408(21):1-9.

[27] LIAO C, ZHANG M, NIU L, et al. Highly selective and sensitive glucose sensors based on organic electrochemical transistors with graphene-modified gate electrodes[J]. Journal of Materials Chemistry, 2013, 1(2):191-200.

[28] 卿星. 纤维基有机电化学晶体管制备及其在生物传感上的应用[D]. 武汉：武汉纺织大学, 2017:36.

QING Xing. The preparation of fiber based organic electrochemical transistors and its application in biosensor[D]. Wuhan: Wuhan Textile University, 2017:36.

[29] WANG Yuedan, QING Xing, ZHOU Quan, et al. The woven fiber organic electrochemical transistors based on polypyrrole nanowires/reduced graphene oxide composites for glucose sensing[J]. Biosensors & Bioelectronics, 2017, 95:138-145.

[30] MOON Hyunjin, LEE Habeom, KWON Jinhyeong, et al. Ag/Au/Polypyrrole core-shell nanowire network for transparent, stretchable and flexible supercapacitor in wearable energy devices[J]. Scientific Reports, 2017, 7:41981.

[31] LIU Q, WANG B, CHEN J, et al. Facile synthesis of three-dimensional (3D) interconnecting polypyrrole (PPy) nanowires/nanofibrous textile composite electrode for high performance supercapaci-tors[J]. Composites Part A Applied Science & Manufacturing, 2017, 101：30-40.

[32] TAO Y, LIU Q, CHEN J, et al. Hierarchically three-dimensional nanofiber based textile with high conductivity and biocompatibility as a microbial fuel cell anode.[J]. Environmental Science & Technology, 2016, 50(14):7889-7895.