传感器件在智能监测服装中的应用

汪婉婉 赵蒙蒙

上海工程技术大学 纺织服装学院,上海 201620

智能服装作为集材料、传感器和计算机通信技术等于一体的新型服装,是多学科交叉融合的产物,能为用户提供智能分析、反馈控制和决策支持,具有实用性。因为智能监测服装可以实时获取人体生理数据,并能长期准确地进行持续性监测,所以智能监测服装用于健康监测成为当前纺织服装领域的研究热点。Fang等[1]基于智能纺织品的类型对智能纺织品的制备方法和穿着性能等进行了介绍。Li等[2]介绍了几种智能监测服装材料,并分析了其研究现状,探讨了智能监测服装在安全、环保、工业技术等方面存在的问题。然而,为使智能监测服装更加舒适且满足日常需求,传感器件的制备显得尤为重要,其中柔性传感器件较刚性传感器件,前者具有体积小、柔软性好等特点[3]。若将柔性传感器件与服装相结合,则能更方便地获得人体各项生理数据。但是如何解决传感器件的微型化与柔性化,实现监测的精确化与准确化,是传感器件研究的关键问题。本文将综述传感器件在智能监测服装中的应用,阐述智能监测服装中柔性传感器、电池及储能系统的发展现状,分析近年来国内外各类柔性传感器在体育运动、安全防护、医疗健康等智能监测服装中的应用,并展望其未来发展方向,以期为传感器件和纺织服装的结合提供理论借鉴。

1 柔性传感器件

柔性传感器件作为智能监测服装的主要部件,采用柔性材料制作,主要由敏感元件、转换元件及测量电路等组成,其能将收集的外界数据转化为电信号输入控制系统[4],具有柔韧性好、体积小等特点,能改善智能监测服装的舒适性[5]。按照功能,柔性传感器件可以分为柔性湿度传感器、柔性温度传感器、柔性压力传感器等。

1.1 柔性湿度传感器

柔性湿度传感器是基于基体表面覆盖的一层由感湿材料制成的膜工作的。当空气中的水蒸气吸附于感湿膜表面时,传感器即能感知其中的湿度信息并将信息转化为电信号供系统处理。随着智能可穿戴技术的不断发展,柔性湿度传感器被逐渐应用到人体热湿舒适性监测中[6]。Lazarova等[7]以溅射过Au/Pd的聚酯(PET)材料作为柔性基板,在其表面沉积部分缩醛化的聚乙烯醇共聚物(即湿敏介质),制得了一种敏感度高且信号传输速度快的柔性湿度传感器。Duan等[8]开发了一款与皮肤贴合的柔性湿度传感器。该传感器以导电性能和力学性能较好的银纳米线作为导电材料,以拉伸性能优异的硅胶作为包裹银纳米线的载体,确保了人体日常活动中电极与皮肤保持良好的贴合。挪威实验室开发了一款可感知人体反应的智能监测服装,其利用集成在服装上的湿度传感器实时监测人体的生理状况,确保恶劣环境中穿着者安全[9]。

1.2 柔性温度传感器

柔性温度传感器是指将外界温度或人体温度等信息转化为电信号的一类传感器。相较于传统的刚性温度传感器,柔性温度传感器舒适性佳、体积质量小且接触面更加均匀,适合人体贴身使用或长期佩戴。Lee等[10]基于泽贝克效应(Seebeck effect),以柔性聚酰亚胺薄膜为基底,利用N型Bi-Te和P型Sb-Te光刻再蒸镀,制得了2种柔性热电薄膜(厚约18.64 μm)。可基于温度变化时2片薄膜之间产生的电压差判断并输出温度信号,且信号输出灵敏度高,不易受外界应力作用的影响。Shih等[11]通过在柔性聚酰亚胺薄膜上涂覆石墨/聚二甲基硅氧烷复合材料,研制了一款拥有64个传感器单元的柔性温度传感器,可作为仿生皮肤集成到机器人感知系统中。

1.3 柔性压力传感器

柔性压力传感器是指将外力导致的形变转变为电信号的一类传感器。按照工作原理,柔性压力传感器可以分为电容式、压阻式、压电式和摩擦发电式[12]等4种,它们的传导机制和器件示意[13]如图1所示。柔性压力传感器具有较好的柔韧性及压效应,在智能运动服装、特种服装及机器人领域具有广阔的应用前景。Lu等[14]采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和原位聚合单体吡咯(PPy)2种材料,以锥型阳极氧化铝为模板,制得纳米锥阵列PPy&PMMA导电膜,再采用互锁结构研制出低迟滞性和高灵敏度的柔性压力传感器。Shoieb等[15]将碳纳米纤维(CNF)分散到聚二甲基硅氧烷(PDMS)中,获得了具有压阻传感功能的PDMS/CNF纳米复合材料。该材料导电性能好,成本较低,可广泛应用于传感器的制作。

图1 4种柔性压力传感器传导机制和器件示意Fig.1 Conduction mechanism and device schematic of four kinds of flexible pressure sensors

2 电池及储能系统

智能监测服装的续航能力及能源的储存与转换,是影响智能监测服装应用与推广的重要因素。传统的电池及转换器件较为笨重,而新型柔性电池与储能系统能在提供续航能力及能源储存与转换的同时,确保穿着者轻松、舒适[16]。根据能量储存器件和转换方式的不同,新型柔性电池与储能系统可分为太阳能电池、热电发电机、锂离子电池和超级电容器等。

2.1 太阳能电池

太阳能电池是一种极具发展前景的可再生能源储存器件,其供电来源于太阳光。随着太阳能电池向柔性化方向的不断发展,其在服装领域的应用也在不断扩大。赵扬等[17]以钛箔为基体,采用沉积法,在钛箔上原位生长TiO2薄膜,然后以该薄膜为电子传输层,制备了光电转化效率高、柔性好的钙钛矿太阳能电池。Chen等[18]开发了一款能发电的智能单层织物,成功实现了将光能和部分机械能转化为电能。

2.2 热电发电机

热电发电机能将热能直接转换成电能,其能源可来源于人体或周围的环境。如Sun等[19]将热电材料印刷到玻璃纤维上,通过减少热量散失、增加电量输出,最终研发出可利用人体体温发电的装置(图2)。该装置非常轻薄,面密度仅约1.3 kg/m2,厚度仅约0.5 nm。Wang等[20]利用52对热电偶收集人体热量,研制出一款柔性可穿戴发电机,可为传感器件提供持续且较为稳定的电力。

图2 人体体温发电装置Fig.2 Body temperature generating device

2.3 锂离子电池

锂离子电池是一种可充放电的高能电池,其内部的锂离子能在正负极之间来回移动,实现充放电,故其可被看作是一种锂离子浓度差电池,工作原理如图3所示[21]。Liu等[22]基于聚乙烯醇(PVA)-LiNO3凝胶聚合物电解质及碳布基底,研发了一款准固态水性可充电锂离子电池,具有非常好的安全性、电化学性及耐弯折性。

图3 锂离子电池工作原理Fig.3 Working principle of Lithium-ion battery

2.4 超级电容器

超级电容器是一种同时具备传统电容器和通用电池特点的新型储能元件,其既能快速充放电,又能起储能作用,具备多重优点,也被称为双层电容器。其储能工作原理基于电解质离子在电极表面的吸附与脱附,如图4所示[23]。Ai等[24]研发了一款能够为可穿戴设备储存能量的可编织线状电化学超级电容器,长度为1.2 m,其能为使用者身上的电子设备提供电源,拥有很好的应用前景。顾伟等[25]以PVA/H3PO4凝胶为电解质,结合3D多孔石墨烯薄膜为电极材料,研制了一款固态微型超级电容器,具有输出功率高,耐久性和柔韧性较好等特点,因此有望在可穿戴领域发挥作用。

图4 超级电容器储能工作原理示意Fig.4 Working principle of ultracapacitor energy storage

3 传感器件在智能监测服装中的应用

得益于电子通信技术及柔性传感技术的发展,智能监测服装已逐渐由原先的笨重化、零散化、有线化转向了轻便化、集成化和无线化;其将监测技术和服装技术相结合,对人体生理数据及外部环境进行监测,且信号端口的集中整合也使得测试更加方便、灵活[26],数据收集快速且处理可靠[27]。此外,基于客户端程序及APP的人衣交互技术还能实现人体与服装的沟通[28]。使用者可借助文字、图像及语音等方式输入需求,再转换成电信号传递给服装,最后智能监测服装内部的电子设备根据输入的信号或外界环境的变化做出相应的反馈,这便实现了服装与穿着者之间的人衣交互(包括认知交互、运动交互、情感交互及行为交互等)[29]。当前,智能监测服装的应用主要涉及体育运动、安全防护和医疗健康等三大领域(表1)。

表1 智能监测服装的应用Tab.1 Application of intelligent monitoring garments

3.1 体育运动类

体育运动类智能监测服装主要用于记录并分析穿着者的各项数据,为穿着者在进行训练、运动或康复时提供帮助,这一方面能使穿着者获得更好的锻炼效果,另一方面还能保障穿着者安全[30]。体育运动类智能监测服装按照应用人群可分为针对普通运动人群的服装和针对专业化运动员的服装两大类[31]。滑铁卢大学研发了一款智能运动衣和短裤,其利用面料中内置的肌电运动传感器测定人体肌肉纤维收缩的情况,分析人体运动部位及肌肉的疲劳状态,再通过蓝牙将这些数据传输到移动终端的软件中,并以图表的形式告知使用者各部位及肌肉的运动状态[32]。美国Athos公司新开发出一款能感知运动员训练数据的可穿戴智能运动服装[33],如图5所示,其能将监测到的肌肉状态与肌电图进行对比,判断穿着者的训练方式是否合理,并给出相应的数据和建议。

图5 Athos智能运动服装Fig.5 Athos intelligent sportswear

3.2 安全防护类

安全防护类智能监测服装应用也较为广泛,其主要为使用者包括儿童、妇女、老人、残障人士及特殊作业人群等提供安全防护。例如,婴幼儿尿湿感应裤采用温湿度传感器和发声器实时监测婴幼儿裤子是否被尿湿,以免长时间不被发现导致婴幼儿皮肤产生湿疹等问题。图6为Mimo公司生产的一款智能婴儿连体衣,其将传感器隐藏于可拆卸的小乌龟壳部位,并利用无线传输技术实时将婴儿的监测信息传输到监护人移动端的APP上,在实现监测婴儿睡眠时呼吸、体温等状态的同时又保障了舒适性[34]。余永纪[35]研发了一款安全监护仪,能实时、长期、稳定地监测使用者的心率变化,并能在使用者出现心率失常时及时发出警报,减少意外发生。Roh等[36]研发了一款可交互的智能电子温控可穿戴织物。区别于传统温控服装的手动调节,该款织物能够实时监测外界及服装内部的温度,并能和人体形成交互作用,在感应到外界温度变化时迅速将服装内部温度调整到令人舒适的状态,为穿着者提供最佳的人体热舒适环境。

图6 Mimo智能婴儿连体衣Fig.6 Mimo intelligent bodysuit

3.3 医疗健康类

医疗健康类智能监测服装的应用主要划分为针对病人和针对医护人员2种。这类智能监测服装可以在低负荷状态下长时间连续监测使用者的生理健康数据,实时关注身体状态,并在需要时发出预警信息,从而起到了预防疾病、医疗保护、康复治疗等作用[37],突破了部分医疗设备不能移动的局限性,成为了智能监测服装的研究热点之一[38-39]。近年,柔性传感器件的快速发展也推动了智能监测服装在医疗健康领域的应用。柔性传感器件可以将传统的电生理监测很好地融入服装中,同时利用导电纤维实现心电图、肌电图等多种生物电信号的健康监测[40]。Hexoskin公司研发了一款可以监测心率、运动步数、热量消耗等数据,以及对睡眠、睡姿等进行追踪的智能监测服装。曾仲文[41]开发了一款能监测更年期女性内分泌状况的智能服装。其将温湿度传感器、中央处理器等电子元件有效合理地安装到服装内部,满足了穿着者对舒适和美观的需求。该智能服装通过监测女性出汗情况判断闷热程度,并采取科学的手段分析女性内分泌生理数据,以此判断穿着者是否患有更年期综合征。

4 智能监测服装发展趋势

4.1 传感器件的微型化与柔性化

如今,智能监测服装中传感器件应用越来越多,部分传感器件还存在体积大、硬度高等问题。此外,柔性传感器件与传统刚性传感器件相比,在耐久性、稳定性和精确性等实际应用方面尚有欠缺,柔性传感器件与智能监测服装结合后仍需外部电源实现信息传递,无法独立发挥传感功能。因此,加强传感器件微型化与柔性化的研发,提高电池性能及数据收集、转化能力,是传感器件未来发展趋势之一。

4.2 电池及储能系统的安全化与舒适化

服装作为人体的第二层皮肤,需具备较强的安全性。智能监测服装的物理安全包括穿着时电路安全、电池及储能系统安全、辐射安全等,信息安全是指人体生理数据安全[42]。此外,智能监测服装为了获取穿着者的生理健康等数据,往往要求紧贴人体穿着,加之大众对智能监测服装功能性需求的不断增加,产品的舒适性与美观性也有待提高。

4.3 监测系统的精确化与专业化

智能监测服装将电子监测技术和服装技术相结合,需要不断地优化监测系统的精确性与专业性。首先,收集与分析人体生理数据和外界环境数据需准确,以保证监测结果的精确性[43-46]。其次,数据的收集和反馈应快速,同时分析处理应专业、可靠。最后,应因人而异地展开数据分析,根据不断更新的穿着者生理数据,建立穿着者不同使用状态、不同使用场景下的综合数据库。

5 结语

本文从柔性传感器件及其电池、储能系统入手,介绍了它们的研究现状以及在智能监测服装中的应用,同时对智能监测服装的发展前景进行了展望,指出智能监测服装需要在传感器件的微型化与柔性化,电池及储能系统的安全化与舒适化,监测系统的精确化与专业化这三方面进行更深入的研究。此外,为使智能监测服装的发展更加安全和规范,建议尽快制定相关的行业标准。

期刊采编平台

中国知网下载