人体运动/健康监测用纺织结构柔性传感器研究进展

范梦晶 ,周歆如 ,洪剑寒,2,3,*

(1.绍兴文理学院 纺织服装学院,浙江 绍兴 312000;2.浙江省清洁染整技术研究重点实验室,浙江 绍兴 312000;3.苏州大学 纺织行业智能纺织服装柔性器件重点实验室,江苏 苏州 215123)

可穿戴设备简单来说就是可以穿戴的电子智能产品,其中传感器通过与人体接触,将人体的生理信号或环境信号转换成可以传输的电子信号,经过数据分析与处理,根据设备功能将电子信号反馈到终端,可以实现心率、呼吸、脉搏、关节运动等生理信号的监测[1]。目前市面上也已经有了一些智能手表、智能手环、首饰、眼镜等较为成熟的产品,这些传统的刚性可穿戴智能产品虽然具有灵敏度强、滞后时间短等优点,但是其感应范围小,使用时存在较多局限性,并且柔韧性、舒适性极差。因此,为避免刚性化,柔性传感器的研究开发成为可穿戴技术发展的迫切需求。

柔性传感器的基底材料选择非常重要,目前聚合物材料、薄膜材料和纺织材料等作为传感器的基底材料都已经有了一定的研究。以聚合物作为基底材料不能够确保舒适性,薄膜材料的透气性较差,柔软性不够好,也会引起舒适性不佳,而纺织材料恰好能够弥补这一缺陷[2-3]。纺织结构柔性传感器按照结构分为纤维型传感器、纱线型传感器和织物型传感器。纤维和纱线质量轻,但与人体接触面积小。为了达到传感器紧密贴合人体皮肤使得数据传输更加准确稳定、拉伸性能好、灵敏度高、滞后时间短、耐久性能好、舒适性能好的目的,制作简单且容易与服装集成的弹性织物是柔性传感器的理想基底材料[4]。织物成本低、透气性能好,在制备柔性传感器时可以大面积处理,能够在高曲率表面对人体温度、呼吸、睡眠、血糖、压力、运动等健康指标进行监测,帮助人们进行疾病预防、诊断甚至简单治疗,不管是对于日常健康监测、患者医疗诊断或者运动员体育运动监测都有重大的意义和价值[5],在可穿戴设备的应用上有广阔的前景。

1 纺织结构柔性传感器的制备方法和分类

早期常将刚性电子器件缝制到织物上来实现传感器的“柔性化”,金属或塑料材质的刚性硬件给人体造成的不适与贴合不紧密带来的灵敏性差等缺点促使研究人员另寻思路。

目前,纺织结构柔性传感器的制备方法主要有普通织物后处理法和直接编织法两种[6]。普通织物后处理法是在制备柔性器件前,为了使基材织物具备导电传输信号的功能,一般会将导电物质通过涂覆、喷溅或印刷等方法附着到织物上来实现[7]。通常选择的导电物质有金属颗粒、导电高分子聚合物、碳基材料[8]。其中金属物质主要有金、银等纳米粒子或纳米线;导电高分子聚合物主要有聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)、聚(3,4-乙烯二氧噻吩)(PEDOT)等;碳基材料主要有碳纳米管(CNTs)、石墨烯(GO)、炭黑纳米粒子(CBNPs)等。普通织物后处理法制作简单,适用性广,但附着物易脱落,导致传感器整体稳定性不够好。直接编织法是将本征导电纱线通过针织或梭织等方法直接编织成织物。这种方法制得的柔性传感器编织结构稳定,所需要的电子特性都能够在纤维或纱线中体现,能更好地实现柔性传感器的信号传输、数据分析处理及数据反馈。纺织形式一般选择针织中的经编,这种方式织造的织物更加稳固不易变形,外观平整,手感更好,稳定性更强。通过将制备的导电织物贴合在人体皮肤表面感应人体活动或外界环境的变化来实时持续动态监测。因其本身可弯曲性能好,监测范围广,对于可穿戴技术的发展具有现实意义。

纺织结构柔性传感器根据传感原理分类可分为电容式柔性传感器、压阻式柔性传感器、压电式柔性传感器、摩擦起电式柔性传感器。电容式与压阻式的柔性传感应用较多。纺织结构柔性电容式传感器运用的是电容器的原理,外力的施加使电容极板的距离或相对面积发生变化导致电容量变化,可以通过这种电信号的输出实现传感,优点是功耗低,将其应用到实时监测设备上具有很大的优势。纺织结构柔性压阻式传感器,当受到外界施加的力时会发生变形,电阻值随变形发生变化,通过电阻值的改变来反映力学信号,这种传感器制备方法较为简单,响应范围广,研究者对其关注度极高,但它对于导电材料和基材的选择要求高。

2 纺织结构柔性传感器的应用

2.1 日常健康监测用纺织结构柔性传感器

呼吸、心率、脉搏、体温等都是反映人体生理活动的最基本指标[9],也是需要特别关心的生理信号。由于大气污染引发的呼吸系统疾病,危害生命指数极高,近几年的新冠肺炎疫情,也是呼吸系统疾病[10]。由于老年人身体素质差,因此老年人的健康是在外工作的子女们时刻关心的问题,而可穿戴监测设备可以通过对生物体的监控,实现远程照顾父母[11]。例如老年人出现摔倒、呼吸异常、体温异常等问题时,这些生理信号可以及时反馈到子女或医疗机构的数据终端,可以缩短患者送医时间。

由于棉织物具有舒适、透气性好等特点,常用作柔性传感器的基材,与导电物质通过浸渍、电化学等方法结合制备导电织物柔性传感器。曹少杰等[12]采用浸渍法将CNTs与弹性棉织物结合制备棉/聚乙烯醇/CNTs柔性传感器,聚乙烯醇用来增强棉织物和CNTs两者间的黏合力,试验表明CNTs浓度的增加会使传感器的灵敏度增加,当浓度达到1.0%时,传感器的迟滞性误差为22.1%,重复性误差为37.8%,且该传感器的适用压力高达200 k Pa。将传感器放在人体腹部测试呼吸时腹部收缩的电阻变化情况,得到了周期性的变化曲线,如图1所示,该传感器在监测人体呼吸等微小动作有潜在应用。郭劲松等[13]通过对棉织物浸渍贵金属溶液形成导电织物并缝合在背心的胸部位置,观察胸部起伏时的阻抗变化,获得呼吸、心率、心电信号。Wang等[14]采用布匹染色的方法将电化学石墨烯附着到涤纶织物上制备了柔性传感器,可以监测脉搏等微小信号。

图1 呼吸时腹部收缩电阻变化曲线[12]

WENJING FAN 等[15]利用锦纶纱缠绕不锈钢纤维制成导电纱,将导电纱与锦纶纱编织成一种摩擦电全织物传感器阵列(TATSA),测试其响应时间为20 ms,在10万次重复性运动下仍保持稳定。将TATSA缝在衬衫的袖口和胸部,能够分别对脉搏和呼吸信号同步监测,如图2(a)所示。翟红艺等[16]在普通织物表面镀银形成导电布,用来制作织物电极,并将织物电极缝制在衣服胸腹部,将心电信号反馈到终端形成心电波,如图2(b)所示。

摔倒对于老年人来说,轻则小伤,重则危及生命,并且老年人身体虚弱很容易摔倒。因此,为了降低摔倒伤亡率,通过足底压力测试,能够有效监测老年人的行动,及时感知摔倒并报警[17-18]。

人体体温是恒定的,一旦出现异常会给身体带来危害。近年来,由新型冠状病毒引发的肺炎疫情形势严峻,病毒在全球范围内大肆传播,危害人类健康,体温作为确诊后的的常见特征之一[19],柔性传感器的开发制备为实现无接触式体温测量提供了方案。Park Chanwoo等[20]在锦纶/聚氨酯针织物上使用超音速冷喷涂技术喷涂还原氧化石墨烯(r GO)、CNTs和铜纳米颗粒,成功制备了测温、抗菌等多传感功能的传感器,如图2(c)所示,可以实时监测分析人体温度及周围环境温度。

图2 柔性传感器结构[15,16,20]

2.2 运动监测用纺织结构传感器

人体会进行微小和大幅度的运动,如眨眼、面部肌肉收缩扩张、肘部摆动、膝盖弯曲等,这些运动产生的信号都体现人体健康状况,对运动状态有效监测,能够进行运动姿势评估,及时改正不良习惯。

Shu Wang等[21]通过真空抽滤的方法将氧化石墨烯涂覆在蚕丝织物上,并采用热压的方法对其进行还原,得到的蚕丝织物应变传感器具有良好的压阻特性,将其贴在眼睛附近,通过对眨眼进行传感测试,发现其可以准确监控眼部肌肉的微小运动,如图3所示,同时热压还原与化学还原相比更加环保。

图3 安装在眼睛附近的传感器和眨眼信号图[21]

聚氨酯弹性强,在大的应变条件下能够极速恢复[22],在导电织物制备时加入聚酯氨能够提高导电织物传感器的耐用性和稳定性。Shayan Seyedin[23]将聚氨酯/聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺(PU/PEDOT:PSS)复丝通过针织工艺制备纺织结构柔性传感器,其应变高达200%,灵敏度高且重复性好,经过500次拉伸循环后仍具有良好的稳定性能。将其直接穿戴在膝盖、肘部和手指上进行测试,均可得到电压周期性信号变化,如图4所示。Song Xian等[24]通过还原氧化石墨烯制备石墨烯包覆的蚕丝氨纶(GCSS)织物应变传感器,经过1 000次拉伸循环测试后,性能几乎保持不变,可以对人体腰椎弯曲角度、姿势进行监测评估。

图4 针织物传感器的数码照片以及其监测膝盖、肘部和手指处运动的信号图[23]

牛文斌等[25]利用原子层沉积的方法将Al掺杂Zn O(AZO)附着到涤纶纤维表面,得到多层纤维结构的导电涤纶织物(CPT),所制得的CPT 与超分子光子弹性体结合制备了交互力致变色电子织物(MET)传感器。经测试,颜色变化可以由光谱量化,具备良好的电性能和负电阻响应,可以对人体运动状态下的关节实时监测,并实现交互式监测。

PPy是一种本征型导电高分子材料,由于其导电性能优异,在可穿戴设备制备中应用广泛。Wu等[26]将PPy涂层在尼龙织物上实现柔性传感器的制备,与运动员的护膝结合并对运动状态下的性能分析,其作用理想,可以监控运动情况,矫正动作。周歆如等[27]以棉针织物作为基材,将PPy导电有机物通过原位聚合法附着到棉织物上制备PPy/棉导电针织物柔性传感器并测试结构与性能,棉织物的电阻率有明显的变化,从6×1010Ω·cm 降至511Ω·cm;通过对导电织物做拉伸恢复循环动作得出其电阻变化情况,结果在20%的应变条件下,织物应变传感性能较好。此导电织物在肘部与膝部都能够实现稳定监测,如图5所示。但PPy的黏合性差,对导电织物的灵敏性等有一定的影响。

图5 PPy/棉导电针织物柔性传感器在肘部监测信号图[27]

2.3 生物医疗监测用纺织结构柔性传感器

由于资源缺乏以及医院医疗水平差距大,尤其在大医院看病都要提前预约排队,如果能够成功开发出一种医疗用可穿戴柔性传感器,可以为人们提供一种新式的医疗保健方式[28],减少就医时间。一些疾病的康复训练能够自行休养恢复,如中风、骨折等,但远离医院后,为了不影响患者与医生的沟通,可穿戴器件可以作为患者与医生之间直接快速有效沟通的桥梁,能够让医生根据患者居家活动数据反馈给予患者医疗建议,其在生活中意义重大。

人体汗液包含自身自然分泌物及毒素分泌物,因此汗液检测触感技术能够预防疾病,降低个体患病率,但这方面的临床实践较少[29]。王秋鸿等[30]利用简单的涂层法在纯棉织物上制备了柔性还原氧化石墨烯/富勒烯棉织物离子传感器(RGO/C60-CF),这种具备离子传感功能的柔性传感器弯折耐久性好,在经过180°折叠800次以后,其电阻率变化幅度不大;且当离子浓度仅有2 mmol/L 时,RGO/C60-CF 仍表现出优良的灵敏度;该传感器能够对不同汗液呈现不同的传感效果,对患者汗液成分分析,可以实现疾病预防和诊断。传感器组装如图6所示。

图6 纺织离子柔性传感器的组装示意图[30]

王晓菲等[31]采用原位聚合法制备了以涤纶/氨纶为基底织物,以PPy为导电附着物的柔性传感器,并用聚多巴胺(PDA)改善两者的黏附性,提高了柔性传感器的耐久性。结果表明:此导电织物在100%的应变内有较高的灵敏度,在500次的重复拉伸中仍能保持较高的重复稳定性。将传感器穿戴在手指上做不同弯曲角度的手指运动,能够观察到明显的电阻变化,如图7所示,该传感器在手部康复训练中有潜在应用。Debasis等[32]在交叉型棉织物上涂层MWCNT(多壁碳纳米管)制作了一种简单的MWCNT 增强纺织品柔性传感器,可以实时监测人体的腕部、肘部运动,重复性好,表现出快速的响应时间(4 s)和恢复时间(14 s)。肘部运动的电阻变化如图8所示,在受伤人员做恢复训练时佩戴能够起到一定帮助作用。

图7 手指运动的动态测试[31]

图8 肘部运动的动态测试[32]

Zhou Xinru等[33]在1+1双罗纹棉针织物上沉积一层PANI导电层成功制备了PANI/棉导电织物作为柔性传感元件,将其贴在喉部并进行语音测试,每一次电阻变化有着高度的重复性,表现出良好的声带监测功能。牟迪迪等[34]采用浸渍染色的方法将氧化石墨烯附着在棉/氨纶织物上,并通过聚多巴胺还原氧化石墨烯得到以石墨烯为导电物质的导电织物柔性传感器。通过对灵敏度和重复稳定性的测试,表明:传感器的灵敏度随着织物层数的增加而提高,织物达到5层之后,随着层数的增加,灵敏度的提高速率变缓慢;进行1 000次重复加载/卸载的循环测试后,织物仍具备优良的重复稳定性。将其贴在唇部、喉部、手指和手腕,尤其在喉部能够感知声带振动的信号,发音障碍人员可以用它进行发音矫正。

Zhao Shu-Qiang等[35]以锦纶/PU 织物为基材,采用浸渍提拉法和液相化学吸附还原法成功制备银纳米粒子(Ag NPs)修饰羧基化碳纳米管(CNTs-COOH)的柔性应变传感器。将传感器接在脸颊上,得到ΔR/R0与监测时间的关系,电阻变化有着高重复性,如图9所示,表明该传感器灵敏度好,可以实现面部肌肉的监测。

图9 面部运动的动态测试[35]

可穿戴监测设备在生物医疗检测领域的前景非常广阔,能够通过提前感知预防就医来降低患病率。如今人们对于医疗保健的需求不断增加,传统医疗服务与智能医疗服务结合将是未来的发展趋势。

3 结束语

柔性传感器的研制涉及纺织学、材料学、电子通信技术等多个领域的知识体系,是一项综合性的研究。为了满足用户需求,国内外研究者进行了大量的研究,可穿戴传感技术由刚性到柔性已经有了质的突破,但目前仍存在不足。

(1)性能。织物凭借柔软、亲肤、透气等优点,从而作为柔性传感器的理想基材,但在对织物进行导电处理或者用本征导电纱线直接编织成型时,由于导电材料本身的性能,导电织物工艺制备技术的不成熟,以及多次拉伸弯曲都必将会带来舒适性差、灵敏度低、耐久性差、安全性低、不可洗、不环保等问题,并且柔性传感器的应变范围小以及信号传输不稳定性的问题也亟需改进,功能性与实用性兼具依然是可穿戴技术领域追求的目标。

(2)行业标准及市场化。现阶段,柔性传感技术领域还没有权威的理论与制度规范,并且由于柔性器件的制备工艺复杂、成本高等问题,很多已经实现的技术还只是处于实验室阶段,真正实现大规模的生产,让可穿戴设备真正走近消费者,还需要各个相关领域的研究者们共同合作,将知识深度融合,寻找高性能低成本的材料和简单的工艺技术,在可穿戴传感技术上再一次实现关键性突破。

研究者们在不断努力探索开发柔软、舒适、灵敏度高、可量化生产的柔性传感器并应用到纺织品中,对人体体温、脉搏、心电、睡眠、呼吸、关节等实时监控,提高人均健康幸福指数。非侵入式、便携式、高效的柔性传感有望取代植入式或大体积的健康监测器件,被临床广泛使用。未来的关注点可聚焦在性能、材料、纺织结构多样、制备方法改进、绿色环保等方面,综合性能的提高依然是最重要的,可穿戴织物的发展有无限的可能,可穿戴柔性传感设备未来将朝着普遍化的方向发展。