傳感器件在智能監測服裝中的應用

汪婉婉 趙蒙蒙

上海工程技術大學 紡織服裝學院,上海 201620

智能服裝作為集材料、傳感器和計算機通信技術等于一體的新型服裝,是多學科交叉融合的產物,能為用戶提供智能分析、反饋控制和決策支持,具有實用性。因為智能監測服裝可以實時獲取人體生理數據,并能長期準確地進行持續性監測,所以智能監測服裝用于健康監測成為當前紡織服裝領域的研究熱點。Fang等[1]基于智能紡織品的類型對智能紡織品的制備方法和穿著性能等進行了介紹。Li等[2]介紹了幾種智能監測服裝材料,并分析了其研究現狀,探討了智能監測服裝在安全、環保、工業技術等方面存在的問題。然而,為使智能監測服裝更加舒適且滿足日常需求,傳感器件的制備顯得尤為重要,其中柔性傳感器件較剛性傳感器件,前者具有體積小、柔軟性好等特點[3]。若將柔性傳感器件與服裝相結合,則能更方便地獲得人體各項生理數據。但是如何解決傳感器件的微型化與柔性化,實現監測的精確化與準確化,是傳感器件研究的關鍵問題。本文將綜述傳感器件在智能監測服裝中的應用,闡述智能監測服裝中柔性傳感器、電池及儲能系統的發展現狀,分析近年來國內外各類柔性傳感器在體育運動、安全防護、醫療健康等智能監測服裝中的應用,并展望其未來發展方向,以期為傳感器件和紡織服裝的結合提供理論借鑒。

1 柔性傳感器件

柔性傳感器件作為智能監測服裝的主要部件,采用柔性材料制作,主要由敏感元件、轉換元件及測量電路等組成,其能將收集的外界數據轉化為電信號輸入控制系統[4],具有柔韌性好、體積小等特點,能改善智能監測服裝的舒適性[5]。按照功能,柔性傳感器件可以分為柔性濕度傳感器、柔性溫度傳感器、柔性壓力傳感器等。

1.1 柔性濕度傳感器

柔性濕度傳感器是基于基體表面覆蓋的一層由感濕材料制成的膜工作的。當空氣中的水蒸氣吸附于感濕膜表面時,傳感器即能感知其中的濕度信息并將信息轉化為電信號供系統處理。隨著智能可穿戴技術的不斷發展,柔性濕度傳感器被逐漸應用到人體熱濕舒適性監測中[6]。Lazarova等[7]以濺射過Au/Pd的聚酯(PET)材料作為柔性基板,在其表面沉積部分縮醛化的聚乙烯醇共聚物(即濕敏介質),制得了一種敏感度高且信號傳輸速度快的柔性濕度傳感器。Duan等[8]開發了一款與皮膚貼合的柔性濕度傳感器。該傳感器以導電性能和力學性能較好的銀納米線作為導電材料,以拉伸性能優異的硅膠作為包裹銀納米線的載體,確保了人體日?；顒又须姌O與皮膚保持良好的貼合。挪威實驗室開發了一款可感知人體反應的智能監測服裝,其利用集成在服裝上的濕度傳感器實時監測人體的生理狀況,確保惡劣環境中穿著者安全[9]。

1.2 柔性溫度傳感器

柔性溫度傳感器是指將外界溫度或人體溫度等信息轉化為電信號的一類傳感器。相較于傳統的剛性溫度傳感器,柔性溫度傳感器舒適性佳、體積質量小且接觸面更加均勻,適合人體貼身使用或長期佩戴。Lee等[10]基于澤貝克效應(Seebeck effect),以柔性聚酰亞胺薄膜為基底,利用N型Bi-Te和P型Sb-Te光刻再蒸鍍,制得了2種柔性熱電薄膜(厚約18.64 μm)?？苫跍囟茸兓瘯r2片薄膜之間產生的電壓差判斷并輸出溫度信號,且信號輸出靈敏度高,不易受外界應力作用的影響。Shih等[11]通過在柔性聚酰亞胺薄膜上涂覆石墨/聚二甲基硅氧烷復合材料,研制了一款擁有64個傳感器單元的柔性溫度傳感器,可作為仿生皮膚集成到機器人感知系統中。

1.3 柔性壓力傳感器

柔性壓力傳感器是指將外力導致的形變轉變為電信號的一類傳感器。按照工作原理,柔性壓力傳感器可以分為電容式、壓阻式、壓電式和摩擦發電式[12]等4種,它們的傳導機制和器件示意[13]如圖1所示。柔性壓力傳感器具有較好的柔韌性及壓效應,在智能運動服裝、特種服裝及機器人領域具有廣闊的應用前景。Lu等[14]采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和原位聚合單體吡咯(PPy)2種材料,以錐型陽極氧化鋁為模板,制得納米錐陣列PPy&PMMA導電膜,再采用互鎖結構研制出低遲滯性和高靈敏度的柔性壓力傳感器。Shoieb等[15]將碳納米纖維(CNF)分散到聚二甲基硅氧烷(PDMS)中,獲得了具有壓阻傳感功能的PDMS/CNF納米復合材料。該材料導電性能好,成本較低,可廣泛應用于傳感器的制作。

圖1 4種柔性壓力傳感器傳導機制和器件示意Fig.1 Conduction mechanism and device schematic of four kinds of flexible pressure sensors

2 電池及儲能系統

智能監測服裝的續航能力及能源的儲存與轉換,是影響智能監測服裝應用與推廣的重要因素。傳統的電池及轉換器件較為笨重,而新型柔性電池與儲能系統能在提供續航能力及能源儲存與轉換的同時,確保穿著者輕松、舒適[16]。根據能量儲存器件和轉換方式的不同,新型柔性電池與儲能系統可分為太陽能電池、熱電發電機、鋰離子電池和超級電容器等。

2.1 太陽能電池

太陽能電池是一種極具發展前景的可再生能源儲存器件,其供電來源于太陽光。隨著太陽能電池向柔性化方向的不斷發展,其在服裝領域的應用也在不斷擴大。趙揚等[17]以鈦箔為基體,采用沉積法,在鈦箔上原位生長TiO2薄膜,然后以該薄膜為電子傳輸層,制備了光電轉化效率高、柔性好的鈣鈦礦太陽能電池。Chen等[18]開發了一款能發電的智能單層織物,成功實現了將光能和部分機械能轉化為電能。

2.2 熱電發電機

熱電發電機能將熱能直接轉換成電能,其能源可來源于人體或周圍的環境。如Sun等[19]將熱電材料印刷到玻璃纖維上,通過減少熱量散失、增加電量輸出,最終研發出可利用人體體溫發電的裝置(圖2)。該裝置非常輕薄,面密度僅約1.3 kg/m2,厚度僅約0.5 nm。Wang等[20]利用52對熱電偶收集人體熱量,研制出一款柔性可穿戴發電機,可為傳感器件提供持續且較為穩定的電力。

圖2 人體體溫發電裝置Fig.2 Body temperature generating device

2.3 鋰離子電池

鋰離子電池是一種可充放電的高能電池,其內部的鋰離子能在正負極之間來回移動,實現充放電,故其可被看作是一種鋰離子濃度差電池,工作原理如圖3所示[21]。Liu等[22]基于聚乙烯醇(PVA)-LiNO3凝膠聚合物電解質及碳布基底,研發了一款準固態水性可充電鋰離子電池,具有非常好的安全性、電化學性及耐彎折性。

圖3 鋰離子電池工作原理Fig.3 Working principle of Lithium-ion battery

2.4 超級電容器

超級電容器是一種同時具備傳統電容器和通用電池特點的新型儲能元件,其既能快速充放電,又能起儲能作用,具備多重優點,也被稱為雙層電容器。其儲能工作原理基于電解質離子在電極表面的吸附與脫附,如圖4所示[23]。Ai等[24]研發了一款能夠為可穿戴設備儲存能量的可編織線狀電化學超級電容器,長度為1.2 m,其能為使用者身上的電子設備提供電源,擁有很好的應用前景。顧偉等[25]以PVA/H3PO4凝膠為電解質,結合3D多孔石墨烯薄膜為電極材料,研制了一款固態微型超級電容器,具有輸出功率高,耐久性和柔韌性較好等特點,因此有望在可穿戴領域發揮作用。

圖4 超級電容器儲能工作原理示意Fig.4 Working principle of ultracapacitor energy storage

3 傳感器件在智能監測服裝中的應用

得益于電子通信技術及柔性傳感技術的發展,智能監測服裝已逐漸由原先的笨重化、零散化、有線化轉向了輕便化、集成化和無線化;其將監測技術和服裝技術相結合,對人體生理數據及外部環境進行監測,且信號端口的集中整合也使得測試更加方便、靈活[26],數據收集快速且處理可靠[27]。此外,基于客戶端程序及APP的人衣交互技術還能實現人體與服裝的溝通[28]。使用者可借助文字、圖像及語音等方式輸入需求,再轉換成電信號傳遞給服裝,最后智能監測服裝內部的電子設備根據輸入的信號或外界環境的變化做出相應的反饋,這便實現了服裝與穿著者之間的人衣交互(包括認知交互、運動交互、情感交互及行為交互等)[29]。當前,智能監測服裝的應用主要涉及體育運動、安全防護和醫療健康等三大領域(表1)。

表1 智能監測服裝的應用Tab.1 Application of intelligent monitoring garments

3.1 體育運動類

體育運動類智能監測服裝主要用于記錄并分析穿著者的各項數據,為穿著者在進行訓練、運動或康復時提供幫助,這一方面能使穿著者獲得更好的鍛煉效果,另一方面還能保障穿著者安全[30]。體育運動類智能監測服裝按照應用人群可分為針對普通運動人群的服裝和針對專業化運動員的服裝兩大類[31]?；F盧大學研發了一款智能運動衣和短褲,其利用面料中內置的肌電運動傳感器測定人體肌肉纖維收縮的情況,分析人體運動部位及肌肉的疲勞狀態,再通過藍牙將這些數據傳輸到移動終端的軟件中,并以圖表的形式告知使用者各部位及肌肉的運動狀態[32]。美國Athos公司新開發出一款能感知運動員訓練數據的可穿戴智能運動服裝[33],如圖5所示,其能將監測到的肌肉狀態與肌電圖進行對比,判斷穿著者的訓練方式是否合理,并給出相應的數據和建議。

圖5 Athos智能運動服裝Fig.5 Athos intelligent sportswear

3.2 安全防護類

安全防護類智能監測服裝應用也較為廣泛,其主要為使用者包括兒童、婦女、老人、殘障人士及特殊作業人群等提供安全防護。例如,嬰幼兒尿濕感應褲采用溫濕度傳感器和發聲器實時監測嬰幼兒褲子是否被尿濕,以免長時間不被發現導致嬰幼兒皮膚產生濕疹等問題。圖6為Mimo公司生產的一款智能嬰兒連體衣,其將傳感器隱藏于可拆卸的小烏龜殼部位,并利用無線傳輸技術實時將嬰兒的監測信息傳輸到監護人移動端的APP上,在實現監測嬰兒睡眠時呼吸、體溫等狀態的同時又保障了舒適性[34]。余永紀[35]研發了一款安全監護儀,能實時、長期、穩定地監測使用者的心率變化,并能在使用者出現心率失常時及時發出警報,減少意外發生。Roh等[36]研發了一款可交互的智能電子溫控可穿戴織物。區別于傳統溫控服裝的手動調節,該款織物能夠實時監測外界及服裝內部的溫度,并能和人體形成交互作用,在感應到外界溫度變化時迅速將服裝內部溫度調整到令人舒適的狀態,為穿著者提供最佳的人體熱舒適環境。

圖6 Mimo智能嬰兒連體衣Fig.6 Mimo intelligent bodysuit

3.3 醫療健康類

醫療健康類智能監測服裝的應用主要劃分為針對病人和針對醫護人員2種。這類智能監測服裝可以在低負荷狀態下長時間連續監測使用者的生理健康數據,實時關注身體狀態,并在需要時發出預警信息,從而起到了預防疾病、醫療保護、康復治療等作用[37],突破了部分醫療設備不能移動的局限性,成為了智能監測服裝的研究熱點之一[38-39]。近年,柔性傳感器件的快速發展也推動了智能監測服裝在醫療健康領域的應用。柔性傳感器件可以將傳統的電生理監測很好地融入服裝中,同時利用導電纖維實現心電圖、肌電圖等多種生物電信號的健康監測[40]。Hexoskin公司研發了一款可以監測心率、運動步數、熱量消耗等數據,以及對睡眠、睡姿等進行追蹤的智能監測服裝。曾仲文[41]開發了一款能監測更年期女性內分泌狀況的智能服裝。其將溫濕度傳感器、中央處理器等電子元件有效合理地安裝到服裝內部,滿足了穿著者對舒適和美觀的需求。該智能服裝通過監測女性出汗情況判斷悶熱程度,并采取科學的手段分析女性內分泌生理數據,以此判斷穿著者是否患有更年期綜合征。

4 智能監測服裝發展趨勢

4.1 傳感器件的微型化與柔性化

如今,智能監測服裝中傳感器件應用越來越多,部分傳感器件還存在體積大、硬度高等問題。此外,柔性傳感器件與傳統剛性傳感器件相比,在耐久性、穩定性和精確性等實際應用方面尚有欠缺,柔性傳感器件與智能監測服裝結合后仍需外部電源實現信息傳遞,無法獨立發揮傳感功能。因此,加強傳感器件微型化與柔性化的研發,提高電池性能及數據收集、轉化能力,是傳感器件未來發展趨勢之一。

4.2 電池及儲能系統的安全化與舒適化

服裝作為人體的第二層皮膚,需具備較強的安全性。智能監測服裝的物理安全包括穿著時電路安全、電池及儲能系統安全、輻射安全等,信息安全是指人體生理數據安全[42]。此外,智能監測服裝為了獲取穿著者的生理健康等數據,往往要求緊貼人體穿著,加之大眾對智能監測服裝功能性需求的不斷增加,產品的舒適性與美觀性也有待提高。

4.3 監測系統的精確化與專業化

智能監測服裝將電子監測技術和服裝技術相結合,需要不斷地優化監測系統的精確性與專業性。首先,收集與分析人體生理數據和外界環境數據需準確,以保證監測結果的精確性[43-46]。其次,數據的收集和反饋應快速,同時分析處理應專業、可靠。最后,應因人而異地展開數據分析,根據不斷更新的穿著者生理數據,建立穿著者不同使用狀態、不同使用場景下的綜合數據庫。

5 結語

本文從柔性傳感器件及其電池、儲能系統入手,介紹了它們的研究現狀以及在智能監測服裝中的應用,同時對智能監測服裝的發展前景進行了展望,指出智能監測服裝需要在傳感器件的微型化與柔性化,電池及儲能系統的安全化與舒適化,監測系統的精確化與專業化這三方面進行更深入的研究。此外,為使智能監測服裝的發展更加安全和規范,建議盡快制定相關的行業標準。

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