纺织基柔性触觉传感器及可穿戴应用进展

佘明华 徐瑞东 韦继超 田明伟 曲丽君 陈韶娟

摘要： 触觉传感器是智能可穿戴设备和人机交互领域的重要研究方向，引起了人们广泛的关注。传统刚性材料的触觉传感器普遍存在坚硬且不适合穿戴交互等瓶颈问题，限制了其在可穿戴领域的应用。纺织基柔性触觉传感器由于其高灵敏性、柔软性和可穿戴性成为触觉传感材料的首选。本文综述了几类纺织基柔性触觉传感器的原理和应用，包括电阻式、电容式、压电式和摩擦电式。结果表明：纺织基柔性触觉传感器由于其特殊的纺织结构，有优异的线性度、灵敏度、耐久性和稳定性。高灵敏性、耐久性和可穿戴性是纺织基柔性触觉传感器的优势和重要发展方向。

关键词： 纺织结构;纺织材料;柔性传感器;触觉传感器;人机交互;可穿戴应用

中图分类号： TS101.3

文献标志码： A

文章编号： 1001-7003（2023）03-0060-13

引用页码：

031109

DOI： 10.3969/j.issn.1001-7003.2023.03.009（篇序）

触觉传感是仿生人体触觉感知结构的一种传感功能。人体皮肤能够通过与外界条件和环境发生接触或互动，由神经元将信号传输到大脑感知再做出反馈响应，不同的接触信号，人体能够识别并作出相应的反馈行为［1］。为了模拟人体这种感应能力，研究人员提出将触觉信号转换成电信号来感知和量化，由计算机仪器等处理并响应，形成触觉传感的人机交互功能［2-3］。在生活中，人们常利用触觉传感来使用智能手机和可视化触摸显示屏等，但是这些电子设备由于材料的限制，过于坚硬、笨重和不灵活，在智能可穿戴设备中不适合广泛应用［4-5］。随着纳米材料和技术的发展，柔性触觉传感器［6-7］因为其柔软性、灵敏性和耐久性受到越来越多的关注，在医疗健康［8-10］、运动检测［11-12］和智能可穿戴领域［13-14］有着广泛的应用前景。

柔性触觉传感器结合了本征柔性、轻质、多功能、成本低等优点，能够表现出高灵敏性、可拉伸性、超共形性和大面积制造等特性［15］。传统的无机电子材料由于其刚性特性可能无法满足高机械柔顺性的要求，具有高机械柔顺性、可拉伸性、良好导电性能和大面积加工能力的材料是制造高性能柔性触觉传感器的关键［16］。柔性传感器通常是由多个部件组成，包括活性材料、导体和柔性基板的选择或合成［17］。碳纳米管（CNT）、石墨烯、MXenes、导电聚合物、金属和半导体纳米线已被广泛用作触觉传感器的活性材料［16］。聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚酰亚胺（PI）、水凝胶、聚醚醚酮、聚醚砜（PES）、聚碳酸酯、聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）和聚酯树脂（PET）在内的各种柔性基板是柔性传感器的理想材料［18］。Lipomi等［19］利用可拉伸透明、导电的单壁碳纳米管（CNT）喷涂沉积薄膜代替金属作为电极材料，并成功展示了一种柔性、可拉伸且高度透明的触觉传感器阵列。在各种新型材料和结构设计下，柔性压力传感器的传感性能得到了极大提升。但是这些柔性基材通常被设计成条、膜和块等形状，虽然有着高柔软性和高灵敏性，但在智能可穿戴领域中，这些柔性传感器并不适合穿戴，存在透气性差、结构复杂和耐久性差的问题。

纺织基柔性触摸传感器是柔性传感器的新发展方向，首先由于其特殊的纺织结构可与服装无缝连接，实现设计—穿着—应用一体化［20］;其次在纺织不同阶段能够开发不同维度结构的传感器［21-22］，有一维的纤维状［23-24］和纱线状［25］传感器、二维的织物状［26］传感器和三维的服装纺织品［27］。在不同维度上的传感应用范围不同，与基于纤维/纱线传感器的低响应、高灵敏相比，织物/纺织品的传感器有更大的传感面积和更理想的阵列设计。更重要的是，通过将传感与纺织结合的可穿戴设备有着优秀的傳感性能和舒适性，能够广泛运用在医疗保健［28］、运动检测［26］和休闲娱乐［29］等领域。

本文综述了近年来纺织基触觉传感器的最新进展。首先根据工作原理分类介绍了纺织基柔性触觉传感器的原理和研究进展，包括电阻式、电容式、压电式和摩擦电式。然后，分析了这些纺织基柔性触觉传感器在不同领域的实际应用。最后，讨论总结了纺织基柔性触觉传感器所面临的挑战和未来的应用前景。

1 纺织基柔性触觉传感器分类

1.1 纺织基柔性电阻式触觉传感器

纺织基柔性电阻式触觉传感器将触觉刺激力的变化转换为电阻的变化，由于其简单的结构设计和测量方法而被广泛使用。最常见的方法包括改变导电材料之间的接触电阻和改变导电弹性复合材料中的导电路径［30-32］。电阻式触觉传感器一般由两个相对电极和夹在中间的导电活性材料组成。当施加触摸压力时，中间层的导电材料相互接触或电极与中间层接触面积增加，使电阻降低发出明显的信号变化。

纺织基柔性电阻式触觉传感器结构简单，能够很好地实现高性能和低成本。Pizarro等［33］介绍了一种由低成本的常规抗静电片和导电机织织物制成的易于构建的纺织品压力传感器，在1～70 kPa内表现出稳定的线性特性，在不持续施加8 kPa压力之间的平均恢复时间为1 s，电阻变化为标准值的90%。Deng等［34］通过芯鞘纤维中的螺旋膨胀结构克服了弯曲对触觉压力干扰的触觉传感纺织品（TST）。如图1（a）所示，TST以纳米管（CNT）/聚氨酯（PU）作为鞘极，铜/形状记忆聚合物（SMP）作为芯电极，通过加热芯电极以进行线性收缩并产生螺旋膨胀结构，除了弯曲独立的特性外，一维光纤还能够识别轴向上的触摸位置，从而提高空间分辨率的可靠性。

由于灵敏度和线性检测范围之间会相互制约，在宽压力范围内具有高灵敏度的纺织基柔性触觉传感器的开发仍然是一项重大挑战，Pyo等［35］第一次实现了同时超过1 kPa-1的灵敏度和宽压力范围内（>500 kPa）的纺织基柔性触觉/压力传感器。它是一种由碳纳米管（CNT）和镍涂层织物组成的高灵敏度、柔性电阻式触觉传感器。如图1（b）所示，该柔性织物传感器的层次和几何结构，全织物传感器在较宽的压力（0.2～982.0 kPa）内具有高灵敏度（26.13 kPa-1）的压力传感性能。

Zhou等［36］制备了具有银浆丝网印刷的底部交叉指状纺织电极和AgNW涂层棉织物的顶部桥结构的大面积触觉压力传感器，如图1（c）所示，传感器的组成和电路原理实现了在较宽压力范围内的超灵敏度，从而实现快速响应和低检测限。Lai等［37］也通过印刷叉指纺织电极和AgNW涂层棉织物设计了基于全纺织基压阻式触觉传感器，可以检测手腕的弯曲信号并运用在可穿戴控制器上。由于棉织物的大表面粗糙度使其在初始状态下处于绝缘状态，施加压力后，由于AgNW涂层棉织物和底部叉指纺织电极的接触面积增大，该设备立即置于高导通状态。实验结果表明，压阻式触觉传感器性能优良，当压阻层的薄层电阻从1.51 Ω/sq变为0.09 Ω/sq时，灵敏度为2.56×104～4.42×106 Pa-1。

Lian等［38］提出了一种简便的方法，用集成的银纳米线涂覆的织物来制造基于全纺织品的压阻式触觉传感器，充分利用了纤维/纱线/织物多级触点的协同效应，在0～10 kPa的压力内灵敏度达到3.24×105 kPa-1，并且在10～100 kPa的压力内灵敏度达到2.16×104 kPa-1，实现了快速的响应/松弛时间（32/24 ms）和高稳定性。相比于高性能和耐久性好，可水洗性和可大面积制造也很重要，Honda等［39］使用纺织片和导电银线作为传感器，通过使用非导电标准线缝合，用银线将棉网隔板夹在两块纺织片之间。如果在传感器上没有施加足够的触觉力，顶部和底部板上的Ag线电极由于它们之间的网状垫片而不会接触。一旦施加足够的力，Ag线电极就会由于柔软的纺织材料而电连接，电阻降低，成本减少，而且该部分能够大面积制造和多次水洗。综上所述，纺织基柔性电阻式触觉传感器存在能耗高、回复性差的问题，这是由于中间层导电材料的屈曲或纳米材料和聚合物基板之间的界面滑动，导电路径在变形后不能完全恢复。未来的发展方向是设计电阻变化不依赖于纳米材料之间导电网络变形的材料或者创建额外的自由空间孔隙，让电阻的变化是由材料中孔隙的闭合引起，而不是由弹性体中聚合物链的相对运动来提高传感器的响应速度。

1.2 纺织基柔性电容式触觉传感器

纺织基柔性电容式触觉传感器将触觉刺激转换成电容变化，通常由两个平行板电极和夹在中间的介电层组成。平行板电容器的电容表达式为：

C=ε0εrA/d（1）

式中：ε0是真空介电常数，εr是板间介电层的相对介电常数，A和d分别是两个电极之间的面积和距离。

通过利用由A、d或εr在压力下的变化引起的电容变化，从而可以感应到触摸信号。自电容和互电容是电容式触控面板中广泛使用的两种技術。自电容是一个电极块相对地之间的电容，是导体自身有储存电荷的能力，当另一个导体或手指来触摸时会使电容增加;互电容是两个感应电极块之间形成的耦合电容，可以通过非导体触摸，而当导体或手指触摸时，从发射感应块到接收感应块的电场或电场线中的部分转移到了手指上，这两个感应块之间的场强的减弱或电场线的减少使电容减少。电容式触觉传感器有着高灵敏和低功耗的优点，但是也容易受到外界环境电磁场的干扰，需要做好封装设计。

将导电纤维作为电极，电极外围包裹弹性材料作为介电层是常见的纤维状传感器的结构设计，高导电性的纤维是传感器的关键。Lee等［40］通过在聚对苯二甲酰胺（Kevlar）纤维表面涂覆聚苯乙烯-嵌段-丁二烯-苯乙烯（SBS）聚合物，然后将大量银（Ag）离子转化为银纳米颗粒直接存在于SBS聚合物中，得到的导电纤维具有0.15 Ω/cm的优异电性能。如图2（a）所示，在导电纤维表面涂覆聚二甲基硅氧烷（PDMS）作为介电层，并将两根涂有PDMS的纤维相互垂直堆叠，成功地制造了纺织基柔性电容式触觉传感器。该传感器还能通过编织方法以织物的形式像素化为矩阵型压力传感器，并嵌入手套和衣服中来无线控制机器。

以纺织技术来构造传感器能大大提高其性能，如You等［41］通过静电纺纳米纤维涂层在镀镍棉纱上形成包芯纱结构，将包芯纱螺旋缠绕在弹力线表面形成弹性复合纱。如图2（b）所示，在包芯纱的结构组合中，芯层镀镍棉纱是电极，涂覆的纳米纤维层是介电层，将两个复合纱相互垂直堆叠形成电容式传感单元，具有高灵敏和可拉伸性。纯纺织基无其他基材组合的电容式应变传感器是当下研究热点，Zhang等［42］提出了一种有效的电容式传感器，其组件仅由具有纺织线状形态的纤维组成，即不需要集成复杂化的固体聚合物基质，并且可以直接编织到衣服、绷带和其他产品的织物中。它是通过将两根包芯纱捻成细双股纱而制成的，而包芯纱是用棉纤维包裹镀银尼龙纤维，然后用聚氨酯固定而成的，显示出优异的电容线性度，在10 000次耐久性测试循环中具有高介电稳定性。马玉龙等［43］通过设计芯鞘纱和间隔织物的复合织物结构，如图2（c）所示，实现了具有双重触觉和张力刺激响应的“多合一”电子织物，基于织物的传感技术可精确监控跆拳道的动作和形式。

传感器阵列单元的数量会随着所需面积的增加而增多，能够大面积制造的高性能电容传感器是非常重要的。Takamatsu等［44］开发了米级的大面积纺织基柔性电容式触觉传感器，使用导电聚合物来覆膜涂层，并使用米级的自动织机合成纤维。在织物压力传感器中，将两种具有导电聚合物涂层纤维条纹电极的织物垂直堆叠，测量施加压力时顶部和底部条纹电极之间的电容变化。传感器可以通过测量人手指和纤维之间的表面电容来检测人的触摸。触摸输入下的电容变化值为1.0～2.0 pF，这足以用传统的电容测量电路进行检测。综上所述，纺织基柔性电容式触觉传感器存在的问题是如何提高灵敏度，灵敏度主要取决于介电材料的变形，为了实现高灵敏可以通过增加孔隙或增加介电常数来设计介电材料。未来的研究方向可以用多孔的高介电常数材料或导电纳米材料涂覆的弹性体作为高介电常数复合材料，从而实现宽压范围下的高灵敏性。

1.3 纺织基柔性压电式触觉传感器

纺织基柔性压电式触觉传感器是指各向异性晶体材料（如PVDF）中偶极矩在施加机械刺激时的电极化，通过压力引起输出电压信号变化［16］。压电传感器通常由两个平行电极和它们之间的压电材料组成，外部压力会导致压电材料变形，从而产生电压，如图3（a）所示。这种方法被广泛用于通过压电材料将机械应力和振动转换为电信号。压电材料相对表面上的压电电荷（Q）为：

Q=d33×A×σ（2）

式中：A、σ、d33分别是压力下的表面积、压力和压电常数［45］。

压电系数（d33）表示受z向力作用后在z方向产生的电荷，是评价压电材料的能量转换效率的物理量。由于高灵敏度和快速响应时间，压电传感器已被广泛应用于动态压力的检测。Sim等［46］介绍了一种新型复合材料系统和一种构建柔性、可拉伸和可编织的压电发电纤维的方法。柔性压电纤维（FPF）可以拉伸到5%的拉伸应变，并且可以产生超过50 μW/cm3的功率。FPF的高柔韧性、可拉伸性和稳定的压电响应可用于缝纫和编织，在智能纺织品中有着重要的应用。为了能够实现批量生产节约成本，能够大面积制造、成型质量高、成型准时等优点的熔体纺丝技术得到应用。如图3（b）所示，Lund等［47］介绍了可以在潮湿条件下运行的全纺织压电发电机，以PVDF作为芯皮，聚乙烯基体中的10%炭黑作为芯生产双组分纤维，使用织机来实现具有芯鞘结构的熔纺连续压电微纤维纺织带，这些纤维的坚固和耐磨特性使人们能够大批量生产。Zhang等［48］提出了一种对接触位置敏感的大面积、低成本、可拉伸的基于纺织品的压电式触觉传感器。该传感器由新型双面效果功能针织纺织品和大孔径的多孔聚氨酯泡沫制成，包括上导电层、隔离层和下导电层三层，如图3（c）所示。导电层由导电银聚氨酯（PU）/竹纱和非导电竹纱通过互锁编织工艺制成。通过提取针织纺织品上下导电面上接触点的电位值，传感器可以根据电位与位置的函数关系，计算出接触点的位置坐标，利用径向基函数（RBF）神经网络算法建立传感器位置坐标与电位值之间的映射函数关系，从而建立精确的数学模型，并将传感器电位向量转换为触摸位置的位置向量。最后将传感器样品连接到硅胶人体模型的肩部进行了测试以感知触觉，可以实时准确地检测并显示手指的触摸区域。综上所述，纺织基柔性压电式触觉传感器具有高灵敏度和出色的动态响应，使其成为检测动态压力的首选者。但是静压的检测受到限制，因为压电效应仅在施加的刺激发生变化时发生。未来的研究方向是在触觉传感的可用压电材料中，如聚偏二氟乙烯（PVDF）、氧化锌（ZnO）、和锆钛酸铅（PZT）等，开发新的材料增强输出功率实现高性能和降低生产成本。

1.4 纺织基柔性摩擦电式触觉传感器

纺织基柔性摩擦电式触觉传感器是依靠摩擦起电效应，当两种不同的材料相互摩擦时，表面会感应出电荷，产生的电荷量取决于两种接触材料之间的摩擦电极性差异。图4（a）（b）分别描述了摩擦起电效应现象和摩擦电式触觉传感器的电路原理。摩擦发电机（TENG）能够响应机械刺激产生电信号，TENG由两种具有不同电负性的电极材料组成，并通过它们之间的接触和分离过程产生电压，因此可以用作自供电触觉传感器［49］。因为摩擦效应普遍存在于大多数常用的织物材料中，如尼龙、聚酯和聚四氟乙烯。这表明了制造可穿戴TENG具有巨大的潜力。

He等［50］介绍了全纺织摩擦电传感器（ATTS）的整体设计，如图4（c）所示，该传感器能够以1.1 V/kPa的高灵敏度感知人体运动，压敏范围从100 Pa～400 kPa。通過将一根不锈钢纤维和几根聚酯纤维通过多捻工艺集成在一起，用作导电传感纱线，传感纱线外部的聚酯与手套织物的尼龙纤维一起充当摩擦电偶，不锈钢线充当集电极。这种编织结构导致ATTS有着大接触面积以提高摩擦导电性能和出色的拉伸性。同时具有高拉伸性和优异导电性是摩擦电设备的研究热点，制造可拉伸和超薄的TENG，它可以适应人体运动的变形并减少刚性材料引起的不适。Wang等［51］和Doganay等［52］通过研究柔性可拉伸的聚合物作为介电层和经过改性处理的柔性导电织物作为电极，解决了传感设备无法水洗的问题，实现了高拉伸性和柔软性的可穿戴摩擦发电机。Wang等［51］基于多孔柔性层（PFL）和防水柔性导电织物（WFCF）开发了一种耐湿可拉伸的单电极t-TENG，具有高输出（～135 V、～7.5 μA、26 μC/m2、631.5 mW/m2）和良好的耐湿性（80% RH）。结合微电子模块，该便携式可穿戴自供电触觉控制器已设计用于各种智能警报、触觉感应和能量收集等人机交互应用。Doganay等［52］使用层压TPU薄膜作为AgNW改性织物上的介电层，证明了高达15次洗涤循环的洗涤稳定性。如图4（d）所示的制造原理和应用设计，从制造的TENG中获得了1.25 W/m2的最大功率输出，开路电压和短路电流分别为～162 V和～42 μA，实现用作触觉人机交互设备的可水洗和可穿戴的摩擦发电机。

Jeon等［53］展示了一种仅使用商业化织物和织物胶水的触摸板，用TENG作触觉映射阵列传感，成本低结构简单。通过织物胶将商业化的镍涂层织物连接到棉基板上以设计二维阵列。然后再次使用织物胶水将羊毛盖固定在电极阵列上，该触摸设备可用于手写数字和数字识别。透明、可清洗、高度敏感、质量轻且经久耐用是可穿戴式摩擦电的挑战。Jiang等［54］提出了一种简单且低成本的方法，用于制造具有透明性、可清洗性和高压敏感性的可拉伸超薄仿皮TENG（SI-TENG），用作类皮肤自供电触觉传感器。SI-TENG的总厚度、质量和拉伸性分别约为89 μm、0.23 g和800%。改性表面PDMS薄膜用作带电层，通过电喷涂AgNW与静电纺丝TPU纳米纤维网络交织用作可拉伸电极，在底部具有出色机械和热性能的商用VHB胶带用作结构支撑和保护层。通过将SI-TENG与信号处理电路集成，开发了类皮肤游戏控制器的传感系统，一旦手指轻轻触摸传感器，不同的输出电压就会响应机械处理提供实时触觉感应信号，可以在自动控制、人机界面、远程操作和安全系统等多个领域应用。综上所述，纺织基柔性摩擦电式触觉传感器主要问题在于开发稳定高性能的TENG，输出信号取决于压力的大小和频率，在电极之间添加接地屏蔽层可显著降低串扰效应。未来的研究方向主要是研究出色的极性电极和保证传感性能的稳定性。

2 纺织基柔性触觉传感器应用

2.1 医疗监测

传统医学诊断、临床干预和康复治疗需要对患者进行长期监测。可穿戴技术作为一种实用且临床上有用的技术来帮助患者进行诊断、治疗和护理，其力量正变得越来越明显。使用可穿戴设备自动监测心理行为是一种可行的方法，也是监测个人健康状况的关键指标。远程医疗计划是一种全球趋势，它是一种远程监控患者的有效方式，有助于解决住院费用［55］。一般来说，人体运动监测通常需要与各种身体信号、生命体征和肌电反应的连续和同步记录相关联，特别是在运动和健康及医疗诊断和康复等应用中［56］。医疗应用通常需要测量实时数据来量化用户能力并提供更深入的测量能力。可穿戴技术通过在手术室协助医生并提供对电子健康记录的实时访问，开始彻底改变医疗保健［57］。

可穿戴式健康监测设备对于实时和连续心电图（ECG）监测更为合适，Sun等［58］实现了基于乳酸门限心率计算的运动型H恤衫的改进设计，如图5（a）所示，该衬衫与导电织物ECG电极集成在一起，可以在体育锻炼期间进行精确的ECG监测。最后开发出了一种基于手机的心电图分析和运动评估平台，该平台可以检测六种类型的异常心电图（心动过速、心动过缓、心跳加快、早搏、二联律与三联律）和个体乳酸阈值，以及通过手机语音消息提供实时健康警告和锻炼优化提示。Yang等［59］通过直接在纺织品上印刷干电极阵列开发了一个电极阵列传感器并做成电子袖套，如图5（b）所示，可以多次清洗和重复使用。该电子袖套带有集成电极，可穿戴式医疗保健训练系统，该系统可以促进患者进行中风康复和其他神经系统疾病（如帕金森病、多发性硬化症和脊髓损伤）的康复。

一些更新颖的产品包括婴儿监视器、智能衬衫和生物识别智能穿戴等［60］，如图5（c）所示，可以记录语音、心率、脚步

和每天消耗的热量。织物传感器可用于心电图、肌电图和脑电图传感［61］;包含热电偶的织物可用于感测温度;集成在织物中的发光元件可用于生物光子传感;形状敏感的织物可以感知运动，并且可以结合肌电图感知来获得肌肉健康;基于压力肌动图（FMG）的智能压缩服如图5（d）所示，由集成在皮肤和衣服之间的压力传感器组成，位于五个大腿肌肉上，能够在高速活动时提供更准确的结果，并且可以清楚地测量随时间变化肌肉的疲劳程度［62］;集成到织物中的碳电极可用于检测特定的环境或生物医学特征，如氧气、盐度、水分或污染物。这些设备在医学科学领域应用越来越广泛，变得越来越重要。

2.2 运动检测

灵活的传感器可以很容易地附着在弯曲的关节和皮肤上，并检测各种身体活动，例如手指、肘部和膝盖关节的弯曲拉伸，以及手臂和腿部肌肉的收缩—放松。Li等［63］制造了基于氧化石墨烯改性导电棉的柔性压力传感器，将具有3D多孔网络结构的rGO棉夹在铜带之间并用银浆固定进行压力检测，表现出出色的灵敏度和宽压力范围，最高灵敏度为0.21 kPa-1，并且压力高达500 kPa，这表明了精细的灵敏度和更宽的压力范围的结合。图6（a）为正常情况下的手腕脉搏测试结果和在跑步后休息5 min和10 min后的呼吸频率。这项研究开发的压力传感器在实时监测诸如脉搏、呼吸频率和语音识别之类的人体生理信号方面表现出卓越的性能。Tian等［64］构建了一个枕形的3D分层电阻式压力传感器，通过将银涂层针织物和一块氨纶针织物通过简单的热黏合路线结合，中间填充聚丙烯纤维。图6（b）为压力传感器用于监测人体生理活动，如呼吸频率和睡姿，显示出出色的传感性能、高灵敏度（3.504 kPa-1）和耐用性（电阻降低2%），即使在4 500次循环后也具有稳定性。Chen等［65］制造了3D双面互锁织物摩擦纳米发电机（3DFIF-TENG），可设计为自供电、可拉伸和无基板的可穿戴TENG传感器，如图6（c）所示。可穿戴式TENG传感器为能量收集、人体运动和机器人运动检测提供了广阔的应用前景。

纺织基可穿戴电子设备还能使运动员能够不受阻碍地进行运动，同时实时获取生理（心率、呼吸）、表现（姿势、运动）和环境（温度、湿度）数据，尤其是在极限运动中。此外，这些数据对于检查运动员的健康状况、预防疾病和伤害有着重要意义［66］。

2.3 人机交互

人机交互能够满足感知外部刺激和为用户提供交互响应的集成双向功能。人体组织是柔软且可拉伸的，这也要求相应的电子设备具备良好的机械柔性。麻省理工学院的罗一悦等［67］在《自然电子》（Nature Electronics）杂志上撰文称，一种由人工智能（Al）推动的智能纺织品能够记录、建模并理解人体的全身触觉互动。该智能纺织品的构建模块是一系列压阻纤维，在0.1～2 N内提供高电阻变化。使用这些压阻纤维可以无缝地融入到符合三维形状的大规模传感纺织品中。各种设计的柔性触觉传感器与人机交互应用已被广泛开发，包括智能手套、键盘和触摸面板等。Choi等［29］开发了一种具有分层微型毛状结构的基于纤维的传感器，可以通过监测绞合成纤维的单电阻和互电阻来区分手指的应变、压力和弯曲。在实际应用中基于纤维的传感器被编织到可识别多个手势的智能手套上，图7（a）（b）展示了将来自手套的信号转换为虚拟射击游戏的控制界面。Deng等［34］设计了一种触觉传感纺织品（TST）的智能手套，有着与弯曲无关的压力感知和空间敏锐度，可以准确检测不同曲率半径下的压力并识别触摸位置。Pyo等［35］通过柔性全织物传感器开发可穿戴音乐键盘和全尺寸全织物键盘，如图7（c）所示，可根据施加压力大小区分大小写。最后还设计一个人机触觉交互的手套应用，用户A戴着手套，每个指尖都有织物传感器感应到的触摸信息被处理并通过蓝牙传输到触觉显示器。同时，对应于各个传感器的线性制动器被激活，允许用户B通过将手放在显示器上来感知传输的信息。

配备触觉传感器和反馈系统的机器人可以实现比仅依赖视觉感知的机器人更精细和复杂的功能，例如抓取和操纵易碎物体或检测材料的特性。He等［50］开发一种全纺织摩擦电传感器（ATTS）的智能手套，它可以捕捉人类手势以远程控制支持虚拟现实（VR）的遥控机器人抓手，该抓手可以灵活地处理各种形状、尺寸和机械特性的精致物体。随着传感器、信号处理和传输方面的新型材料和技术进步，一些研究小组报告了用于机器人和假肢应用的人造觸觉皮肤，图7（d）展示了触觉传感器在机器手领域的应用。Pei等［68］利用DLP 3D打印为机器人手设计了一种集成手指触觉传感和关节弯曲传感的柔性传感阵列，五个压力传感器（外部三个、内部两个）均匀分布在柔性套管的手指内侧，为机器人手提供抓握物体时的触觉感知能力，可以检测1 N以下的微小力，对0.2 N以内的力特别敏感。Park等［69］开发了一种三维指尖形状的人造皮肤装置，通过电容传感技术在触摸时具有大的电信号接触，它可以感知准确地触摸位置并自发修复机械损伤。

3 結论与展望

随着人们研究的不断深入，纺织基柔性触觉传感器的性能在不断地提升，包括灵敏度、检测范围、线性度、响应时间、穿戴舒适性和环保性等。灵敏度是纺织基柔性触觉传感器的主要参数之一，它是根据输出信号（如电阻、电容和电压）响应外部刺激的相对变化来测量的，提高灵敏度的主要方法是设计微结构，如金字塔型、椭圆型和微柱型等。响应时间决定了传感器响应外部刺激获得稳定输出信号的时间，在人机交互的即时应用中至关重要。传感器中充当中间层的聚合物的黏弹性是响应缓慢的主要原因，因为聚合物链的变形和恢复需要时间，使用非聚合物材料或新型的结构设计可以解决黏弹性问题并提高传感器的响应速度。穿戴舒适性是纺织基柔性触觉传感器的优势之一，与硅胶基、金属基和其他聚合物基相比纺织基材具有天然的柔软舒适性，纺织结构保证了传感器的透气性和柔软性。环保可降解的高性能纤维是纺织基柔性触觉传感器的重要研究方向，棉毛丝麻作为天然高分子材料和改性处理后可实现高性能、可环保、可穿戴和耐水洗等功能。纺织基柔性触觉传感器由于特殊的纺织结构，在智能可穿戴领域有着出色的性能和优势。本文综述了纺织基触觉传感器的最新进展，介绍了不同传感机制包括电阻式、电容式、压电式和摩擦电式传感器的原理和应用。结果表明：纺织基柔性触觉传感器由于其特殊的纺织结构，有优异的线性度、灵敏度、耐久性和稳定性。

纺织基柔性触觉传感器在未来是重要的研究热点之一，同样也有几个方向需要突破。1） 纺织基触觉传感器虽然有大量研究，但是很多关键问题比如灵敏度、耐洗涤性、穿着舒适性、环境影响等都没有解决，高灵敏、宽范围、快速响应、耐水洗和可穿戴集一体的柔性传感器仍是当下的问题难点，分析并解决这些关键问题对促进行业发展具有重要作用。2） 在保证柔软可穿戴前提下要保证穿着的舒适性，要结合功能性纺织基材透气防汗抗菌等功效的优势。3） 应用型传感器应该考虑成本效益，能够大面积制造且兼具高性能的低成本柔性传感器是未来的发展重点。4） 传感性能要与生活功能相结合，柔性触觉传感器在智能可穿戴领域的发展要与人机交互相结合，在医疗、运动和娱乐方向要贴合人们生活，与当下前沿科技结合开发有实际功效的应用，提高人们的生活水平。最后，这些问题的解决需要多学科交叉的共同研究，包括材料学、医学、纺织学、计算机技术、软件应用开发和通信技术等，它们的研究有着巨大的潜力和重要意义。

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Textile-based flexible tactile sensors and wearable applications

SHE Minghua1， XU Ruidong1， WEI Jichao2， TIAN Mingwei1， QU Lijun1， CHEN Shaojuan1

（1a.College of Textile & Clothing; 1b.Research Center for Intelligent and Wearable Technology; 1c.State Key Laboratory of Bio-Fibers and Eco-Textiles;1d.Collaborative Innovation Center for Eco-Textiles of Shandong Province and the Ministry of Education， Qingdao University，Qingdao 266071， China; 2.Shandong Textile & Architecture Design Institute Co.， Ltd.， Jinan 250013， China）

Abstract：

Tactile sensors are an important research direction in the field of smart wearable devices and human-computer interaction， which has attracted extensive attention. Tactile sensors of traditional rigid materials generally have bottlenecks such as being hard and not suitable for wearable interaction， which limits their application in the wearable field. Textile-based flexible tactile sensors have become the first choice for tactile sensing materials due to their high sensitivity， softness， and wearability.

The textile-based flexible tactile sensor is a new development direction of flexible sensors for the following reasons. First， its special textile structure can be seamlessly connected with clothing to achieve the integration of design， wear and application. Second， sensors with different dimensions can be developed at different stages of textiles， and there are one-dimensional fiber and yarn sensors， two-dimensional fabric sensors and three-dimensional clothing textiles. The sensing application range in different dimensions is different. Compared with the low response and high sensitivity based on the fiber/yarn sensor， the fabric/textile sensor has a larger sensing area and a more ideal array design. More importantly， wearable devices that combine sensing with textiles have excellent sensing performance and comfort， and can be widely used in medical care， sports detection， leisure and entertainment and other fields.

This paper reviews the principles and applications of several types of textile-based flexible tactile sensors， including resistive， capacitive， piezoelectric， and triboelectric ones. The results show that the textile-based flexible tactile sensor has excellent linearity， sensitivity， durability and stability due to its special textile structure. The textile-based flexible resistive tactile sensor has a simple structure and can achieve high performance and low cost. However， the energy consumption is high and the recovery rate is low. Future directions are to design materials in which resistance changes do not depend on the deformation of the conductive network between nanomaterials， or to create additional free-space pores so that the resistance changes are caused by the closure of pores in the material rather than by polymer chains in elastomers. The problem of textile-based flexible capacitive tactile sensors is how to improve the sensitivity. In order to achieve high sensitivity， dielectric materials can be designed by increasing the pores or increasing the dielectric constant. For future research directions， porous high dielectric constant materials or elastomers coated with conductive nanomaterials can be used as high dielectric constant composites. Textile-based flexible piezoelectric tactile sensors have high sensitivity and excellent dynamic response， making them the first choice for detecting dynamic pressure. In the future， we should develop new materials in the available piezoelectric materials for tactile sensing to enhance output power， realize high performance and reduce production costs. The main problem of textile-based flexible triboelectric tactile sensors is to develop stable and high-performance TENGs， and we should study excellent polar electrodes and ensure the stability of sensing performance.

In conclusion， high sensitivity， durability and wearability are the advantages and important development directions of textile-based flexible tactile sensors. The textile-based flexible tactile sensor is one of the important research focuses in the future， and there are also several directions that need to be broken through. First， it is still a difficult problem to obtain a flexible sensor that integrates high sensitivity， wide range， fast response， washability and wearability. Analyzing and solving these key problems plays an important role in promoting the development of the industry. Second， on the premise of ensuring softness and wearability， it is necessary to ensure the comfort of wearing， and combine the advantages of functional textile substrate such as breathability， sweat prevention， and anti-bacterial effects. Third， the cost efficiency should be considered for the applied sensor. The low-cost flexible sensor that can be manufactured in large area and has high performance is the focus of future development. Fourth， the sensing performance should be combined with the life function. The development of flexible tactile sensors in the intelligent wearable field should be combined with human-computer interaction. In the direction of medical treatment， sports and entertainment， it should be suitable for peoples life. It should be combined with the current cutting-edge technology to develop practical applications to improve peoples living standards. Finally， the solution of these problems requires the joint research of cross-disciplines， including materials science， medicine， textile science， computer technology， software application development and communication technology. Such research has great potential and important significance.

Key words：

textile structures; textile materials; flexible sensors; tactile sensors; human-computer interaction; wearable applications

收稿日期：

2022-06-14;

修回日期：

2023-01-18

基金項目：

国家重点研发计划项目（2022YF3805801、2022YFB3805802）；泰山学者工程专项经费项目（tsqn202211116）；山东省重大科技专项项目（2019JZZY010335、2019JZZY010340）;山东省青创科技计划创新团队项目（2020KJA013）；国家自然科学基金项目（22208178）；山东省自然科学基金项目（ZR2020QE074）；纺织行业智能纺织服装柔性器件重点实验室开放课题项目（SDHY2223）

作者简介：

佘明华（1998），男，硕士研究生，研究方向为智能可穿戴纺织品。通信作者：陈韶娟，教授，qdchshj@qdu.edu.cn。