柔性傳感器在智能可穿戴中的應(yīng)用研究進(jìn)展

王 銀,王 萍,匡才遠(yuǎn),秦 芳

(金陵科技學(xué)院,江蘇 南京211169)

智能柔性可穿戴產(chǎn)品是一種由功能部件、顯示部件和綁定部件組成,具有可穿戴性、便攜性、智能性的特征,并且能夠穿戴在用戶身體上進(jìn)而發(fā)揮其特定功能的智能產(chǎn)品[1]。近年來,隨著互聯(lián)網(wǎng)、超級計算、大數(shù)據(jù)、腦科學(xué)等高新技術(shù)的興起,人類進(jìn)入了智能化時代。各國為了占領(lǐng)智能柔性可穿戴領(lǐng)域的技術(shù)制高點,紛紛制定研發(fā)計劃,著力突破技術(shù)難關(guān)[2]。其中,柔性傳感器充當(dāng)智能可穿戴設(shè)備的功能部件,成為相關(guān)人員的研究重點。以傳感器物理感知性能作為分類依據(jù),智能可穿戴中柔性傳感器可分為電-力學(xué)、氣體學(xué)、光纖學(xué)三大類?？偨Y(jié)了目前嵌入柔性傳感器的智能可穿戴產(chǎn)品的三大應(yīng)用領(lǐng)域,即生理參數(shù)監(jiān)測、動作監(jiān)測以及環(huán)境監(jiān)測。

1 智能可穿戴柔性傳感器的分類

1.1 柔性電-力學(xué)傳感器

柔性力學(xué)傳感器是一種由基本電路、力學(xué)敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成,可以將壓縮、拉伸、彎曲等特定力學(xué)信息通過某種轉(zhuǎn)換機(jī)制轉(zhuǎn)換成電信號輸出的智能可穿戴器件。2018年,田明偉等[3]依據(jù)敏感元件的不同,將力學(xué)傳感器歸類為電容式力學(xué)傳感器與電阻式力學(xué)傳感器。2019年,黃武桐[4]通過采用氧化石墨烯等材料,制備出具有高靈敏度、高識別度、高抗外界干擾能力的可穿戴柔性電阻式力學(xué)傳感器。該傳感器采用雙層電阻設(shè)計,不僅能夠用于檢測小于25 Pa的壓力,還能用于監(jiān)測不同材料表面的粗糙度、音樂的節(jié)奏、手腕處的脈搏及人體的呼吸等,用途廣泛。同年,孫旭光等[5]以碳納米管-聚合物為基礎(chǔ),研究出一種可拉伸、高靈敏度、可量產(chǎn)、適合大面積制作的6×8柔性壓阻觸覺傳感器陣列,解決了觸覺傳感器的高靈敏度與空間分辨率結(jié)合度不足的問題。

美國Tekscan公司研發(fā)的Flexiforce柔性電阻式壓力傳感器不僅使用、攜帶方便,而且在滯后性、靈敏度、漂移等方面具有優(yōu)良性狀。2017年,龐欣等[6]借助該傳感器,研究壓力襪不同部段的人體壓力,驗證了人體大腿、小腿、腳踝等部位壓力值符合壓力襪的設(shè)計。2019年,李思明等[7]將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的不銹鋼顆粒嵌入黏膠導(dǎo)電纖維中紡成紗線,織造出柔性壓力傳感器,通過研究壓力監(jiān)測襪應(yīng)變與壓力的關(guān)系,得出傳感器的靈敏度與電阻值隨著壓力的增加而降低直至不變的結(jié)論。

導(dǎo)電纖維與導(dǎo)電紗線在智能可穿戴領(lǐng)域扮演了重要的角色,針織導(dǎo)電織物通過導(dǎo)電紗線在受力變形時產(chǎn)生電阻傳感,是未來高端紡織業(yè)的發(fā)展方向[8]。2016年,蔡倩文等[9]通過研究鍍銀纖維、銅纖維、不銹鋼微絲與銅絲等導(dǎo)電纖維與黏膠及彈力錦綸/氨綸包芯紗混織,得出此5種材料均適合柔性傳感器的制作,其中鍍銀纖維導(dǎo)電性最佳,銅絲織造的柔性傳感器手感較差,需要后續(xù)研究改善。2019年,王曉等[10]采用銅納米材料線,得到一個可以反復(fù)拉伸或彎折也能保持優(yōu)良導(dǎo)電性能的電極。

1.2 柔性氣體傳感器

氨氣(NH3)是一種具有腐蝕性和強(qiáng)烈刺激性的氣體,對環(huán)境和人類的危害都非常大,所以對NH3的監(jiān)測非常重要,柔性氣體傳感器應(yīng)運而生。柔性氣體傳感器是一類由轉(zhuǎn)換元件和敏感元件組成,能夠?qū)⒈粰z測氣體中特定成分的濃度轉(zhuǎn)換成一定規(guī)律電信號的裝備或器件,被廣泛運用于智能可穿戴設(shè)備、環(huán)境保護(hù)、軍事等方面。2018年,聶清欣[11]通過選用SiO2等材料,將其制成納米纖維膜,然后運用原位聚合、靜電紡絲、溶膠凝膠等技術(shù),制備出柔性SiO2/聚苯胺(PANI)復(fù)合納米氣敏傳感器,用以監(jiān)測大氣中NH3含量,確?？諝庵笖?shù)在可控、可監(jiān)測范圍。2019年,李思琦[12]聚焦聚苯胺等納米復(fù)合敏感材料,利用水熱法和原位化學(xué)氧化聚合法等,制備了一種具有高靈敏度的室溫柔性NH3傳感器。同年,劉春華通過利用不同材料之間的協(xié)同效應(yīng),將聚苯胺與不同NH3敏感材料進(jìn)行復(fù)合,有效提高了薄膜電阻式NH3傳感器的敏感度[13]。

不同人體都含有自身特有的氣味,人體氣味中含有豐富的個人生理信息[14-15]。李晗宇等[16]依據(jù)人體氣味識別技術(shù),通過采集不同人體氣味并運用氣相色譜—質(zhì)譜分析,研發(fā)了一款基于傳感器陣列的可穿戴電子鼻。該傳感器陣列不僅可以用于識別不同的人體氣味,也可以進(jìn)一步開發(fā)應(yīng)用到人體測試當(dāng)中。

1.3 柔性光纖傳感器

柔性光纖傳感器是一類由光源、入射光纖、出射光纖、光探測器、光調(diào)制器與解調(diào)制器組成,具有將從入射光纖進(jìn)入光源的光學(xué)性質(zhì)轉(zhuǎn)換成被調(diào)制的信號光作用的裝備或器件,按照傳感原理可以分為傳光型傳感器和傳感型傳感器[17]。2016年,田新宇等[18]嘗試將光纖布拉格光柵傳感器植入到以復(fù)合組織為基礎(chǔ)的針織織物空氣層中,以此來實現(xiàn)低失真度對人體脈搏波的檢測。

2017年,楊昆等[19]利用宏彎原理,通過研究光信號衰減與光纖彎曲曲率半徑之間關(guān)系,確定了光纖傳感器織物的地組織,最終實現(xiàn)了該傳感器可通過電壓值的變化反應(yīng)出牽拉過程中光信號對應(yīng)的織物形狀的變化,以此來完成人體生理信號的監(jiān)測。

2019年,曲道明等[20]通過試驗確定了光柵中心波長漂移量與聚酰亞胺薄膜曲率之間的關(guān)系,建立解調(diào)、光纖傳感及曲率標(biāo)定裝置,提出一種植入光纖光柵敏感元件的聚酰亞胺薄膜柔性曲率傳感器。該柔性傳感器可應(yīng)用于柔性傳感測量領(lǐng)域。

2 智能可穿戴柔性傳感器的應(yīng)用

2.1 生理參數(shù)監(jiān)測

為了實現(xiàn)智能可穿戴服裝的無線傳輸與人體生理參數(shù)采集,易紅霞等[21]將傳感器以鍍銀導(dǎo)電紗線的形式編織在智能可穿戴服裝上,運用ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)來采集人體的呼吸信號,繼而存儲于終端設(shè)備以備日后查詢,推動了具有生理參數(shù)監(jiān)測功能的智能可穿戴服裝的發(fā)展。

壓力舒適性是服裝整體舒適性的重要評價標(biāo)準(zhǔn)。為了測量無縫內(nèi)衣對于人體腹部產(chǎn)生的壓力與服裝舒適性,王金鳳等[22]以局部添紗的形式將鍍銀導(dǎo)電錦綸紗線織進(jìn)柔性傳感器,簡化了服裝壓力的測量。

SOFTCEPTOR是一款可以進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測人體心率、呼吸等生理信息的新型柔性應(yīng)變傳感器,它不僅彈性好、靈敏度高,還具有方便連接、可水洗、安全環(huán)保等優(yōu)點,率先在全球?qū)⑷嵝钥椢锱c傳感器結(jié)合。為了探討該傳感器更多的靜態(tài)性能,方方等[23]借助3365INSTRON萬能試驗機(jī),試驗分析了該傳感器的線密度、靈敏度、重復(fù)性誤差、遲滯、傳感器織物彈性性能和試驗數(shù)據(jù)校正,得出該傳感器具有高靈敏度、良好的彈性性能,但是存在重復(fù)性誤差較大等問題的結(jié)論。

雖然目前用于人體健康的智能可穿戴設(shè)備受到了社會的廣泛關(guān)注,但是低成本、大面積制備易于轉(zhuǎn)移和自粘性的柔性超薄膜依然面臨極大的挑戰(zhàn)。中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所陳濤研究員課題組[24]從空/水界面處制備出碳納米管(CNTs)薄膜,然后將熱塑性彈性高分子(TPE)溶液噴灑在該薄膜表面,從而形成CNTs/TPE非對稱二維Janus雜化膜,構(gòu)成一種超薄、自粘附和自支撐的柔性傳感器。該傳感器不僅可以用于實時監(jiān)測人體生理行為,還可用于監(jiān)測聲音的擾動與微小氣流變化。

2.2 動作監(jiān)測

隨著物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與各種柔性傳感器的出現(xiàn),以智能可穿戴為基礎(chǔ)的人體動作監(jiān)測設(shè)備具有良好的發(fā)展前景。2015年,謝娟[25]借助鍍銀導(dǎo)電紗線設(shè)計出一款可以用來監(jiān)測人體前后身肩部、肘部關(guān)節(jié)、膝部關(guān)節(jié)和腹部呼吸的智能護(hù)膝與智能T恤,不僅得出了各部位傳感器顯示的電阻與人體運動姿勢存在一定響應(yīng)關(guān)系的結(jié)論,還驗證了智能護(hù)膝的高靈敏度。楊航等[26]借助壓電薄膜傳感器來采集人體進(jìn)行乒乓球運動時肘部運動姿勢的數(shù)據(jù)信號,然后設(shè)計了一款信號調(diào)理電路,最終實現(xiàn)了乒乓球運動時揮拍次數(shù)與揮拍頻率的測量。張曉峰等[27]利用原位聚合法制出3種聚吡咯導(dǎo)電織物,以此來實現(xiàn)人體上肢運動姿勢的測量。溫雯等[28]通過分析傳感器應(yīng)變-電阻數(shù)據(jù)變化,獲取到人體下肢運動姿勢,完成了智能運動跑步褲的設(shè)計。

2019年,高香玉[29]以智能可穿戴設(shè)備為基礎(chǔ),設(shè)計并研發(fā)出人體行為監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過采集人體活動數(shù)據(jù)并上傳到云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,從而識別出人體動作,可在人體跌倒時發(fā)出報警信號。同年,廖璐璐等[30]針對大幅度人體運動姿勢的測量與細(xì)微人體動作的探測,運用石墨烯等材料,制備出一款柔軟、成本低、靈敏度高、電氣連接方便的可穿戴傳感器。

2.3 環(huán)境監(jiān)測

隨著柔性微型電路與柔性傳感器的研究,大量智能可穿戴設(shè)備被運用到環(huán)境監(jiān)測、健康等領(lǐng)域。2015年,中科院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所[31]通過制備氧化石墨烯超薄膜,構(gòu)建非接觸式柔性傳感器,實現(xiàn)了對濕度寬范圍、高靈敏度的檢測。柔性傳感器具有柔韌性好的特點,經(jīng)常被集成于智能可穿戴設(shè)備中來實現(xiàn)體表溫度的測量。Dankoco M D等[32]采用噴墨印刷的技術(shù),將主要成分為銀的熱敏電阻器積淀在聚酰亞胺薄膜上,從而使該傳感器具有測量人體體表溫度的功能。李連輝等[33]采用噴涂成膜技術(shù),將多壁碳納米管等材料制成快速響應(yīng)、高靈敏度的柔性納米仿生振動傳感器。該柔性傳感器分辨時間短、檢測范圍寬,可以高質(zhì)量地實時檢測并記錄聲音信息,可以用于耳膜損傷導(dǎo)致的耳聾等耳部疾病的輔助治療。

3 結(jié)語

雖然國內(nèi)外對柔性傳感器與智能穿戴的研究比較廣泛,但是創(chuàng)新類的智能可穿戴仍然存在許多難題。未來,無論是智能可穿戴還是柔性傳感器,都將朝專業(yè)化、低成本化、市場應(yīng)用化與多功能方向發(fā)展。中國目前的智能可穿戴設(shè)備與柔性傳感器仍然處于研發(fā)初期,但是隨著相關(guān)研發(fā)技術(shù)與理論的成熟,相關(guān)行業(yè)研發(fā)模式將會逐漸從以技術(shù)為導(dǎo)向轉(zhuǎn)換成以用戶為導(dǎo)向,逐漸打破多學(xué)科綜合交叉的技術(shù)壁壘,走上智能可穿戴的自主研發(fā)產(chǎn)業(yè)化與市場運用化道路。