馬丕波， 劉 青， 牛 麗， 李煜天

(江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心，江蘇 無錫 214122)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和國民健康意識的增強[1-2]，人們對可實現(xiàn)日常無感、實時監(jiān)測人體運動數(shù)據(jù)的可穿戴產(chǎn)品需求愈加迫切，由此催生了智能手環(huán)、運動腕帶等智能可穿戴設(shè)備[3]。目前，這些智能可穿戴設(shè)備[4]多利用重力傳感器、多軸加速度傳感器及圖像傳感技術(shù)進行人體運動信息采集，在日常感測中雖能較好地反映人體運動狀態(tài)，但仍存在硬度高、彈性差等穿著舒適性欠佳及運動細節(jié)信號缺失等技術(shù)性問題[5-6]。因此，開發(fā)集成度高、舒適可穿戴的柔性應(yīng)變傳感器，實現(xiàn)人體信號傳感或運動識別是當(dāng)前亟待解決的重要問題。

針織應(yīng)變傳感器是將導(dǎo)電紗線通過不同的工藝制得導(dǎo)電針織物或?qū)︶樋椢镞M行導(dǎo)電性處理，形成具有傳感性能的智能可穿戴器件。針織物基體輕質(zhì)且柔軟，可有效提高傳統(tǒng)智能紡織品的穿著舒適性；針織結(jié)構(gòu)的大應(yīng)變及較好的拉伸回復(fù)性，符合智能運動健康傳感監(jiān)測的要求[7-8]。文中主要概述了針織傳感器的制備方式，綜合比較針織傳感器材料種類、組織結(jié)構(gòu)、拉伸方向?qū)ζ鋫鞲行阅艿挠绊?，分析了針織傳感器在運動健康領(lǐng)域的最新應(yīng)用，在此基礎(chǔ)上對其未來的發(fā)展進行展望，以期為針織傳感器在運動健康服裝領(lǐng)域的研究提供參考。

1 針織傳感器的制備

針織傳感器主要分為電阻式應(yīng)變傳感器、電容式應(yīng)變傳感器和壓電式應(yīng)變傳感器3大類，其中電阻式應(yīng)變傳感器在運動健康服裝領(lǐng)域中最為常見[9]。電阻式應(yīng)變傳感器主要利用電阻值的變化表征人體的生理信號，實現(xiàn)傳感。目前，常用的制備方法有兩種：①利用導(dǎo)電紗線在針織設(shè)備上直接進行編織；②對針織物表面進行處理[10-11]。

1.1 采用針織技術(shù)制備傳感器

部分導(dǎo)電紗線在針織設(shè)備上可直接進行針織傳感器的編織，所用針織技術(shù)主要包括經(jīng)編成型技術(shù)和緯編成型技術(shù)2大類，不同編織技術(shù)制備的針織傳感器在傳感性能、穿著舒適性以及產(chǎn)品外觀等方面存在一定的差異。

1.1.1經(jīng)編成型技術(shù)經(jīng)編成型技術(shù)是指由一組或幾組平行排列的紗線沿著縱向墊入一排織針，并同步成圈的一種編織方式。經(jīng)編成型技術(shù)不僅可以制備拉伸型傳感器，還可用于制備壓力傳感器。由于利用經(jīng)編成型技術(shù)制備針織傳感器的線圈是沿著針織物的經(jīng)向配置，因此，產(chǎn)品外觀平整、組織結(jié)構(gòu)緊密、嵌花區(qū)域背面沒有浮線，織物的穩(wěn)定性和防脫散性優(yōu)于緯編織物。經(jīng)編間隔織物因回縮性較好，在壓力傳感器的制備方面存在優(yōu)勢。朱芳琴[12]研究了織物結(jié)構(gòu)參數(shù)對經(jīng)編間隔織物壓縮性能的影響，結(jié)果表明，密度大、厚度大且間隔紗為單纖維的間隔織物有更好的抗彎性能，可用于制備回復(fù)性良好的針織壓力應(yīng)變傳感器。在局部定位編織方面，經(jīng)編機更適合整片導(dǎo)電織物或條狀導(dǎo)電織物的生產(chǎn)，但在小面積定位傳感器的制備上不具備優(yōu)勢。

1.1.2緯編成型技術(shù)緯編成型技術(shù)主要包括橫機成型編織技術(shù)和圓機成型編織技術(shù)。

橫機成型編織技術(shù)是指一根或若干根紗線從紗筒上引出，沿著緯向順序墊放在橫機的相應(yīng)織針上形成線圈的一種編織方式。橫機成型編織技術(shù)包括兩針床橫機全成型與四針床橫機全成型。其中：兩針床橫機成型技術(shù)應(yīng)用比較廣泛，通用性強，但在原料方面要求較高，必須選用與針型匹配的紗線原料；而四針床橫機全成型技術(shù)可用于一體成型的服裝制備，更適合復(fù)雜織物的編織。利用電腦橫機的嵌花功能可以實現(xiàn)傳感器的精確定位[13]。橫機便于小件針織產(chǎn)品的編織，通過配套電腦軟件設(shè)計，可自動生成襪子、手套、護膝等產(chǎn)品，并可根據(jù)需要更改尺寸與產(chǎn)品形狀。圖1[14]為雙針床島精電腦橫機上編織的可監(jiān)測手指運動的全成型運動手套。采用電腦橫機制備的針織物在緯向成圈、織物穩(wěn)定性方面不及經(jīng)編，尤其是緯平織物極易產(chǎn)生卷邊現(xiàn)象；由于一般橫機針號較粗，橫機編織的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)較為稀疏，手感較差。

圖1 島精電腦橫機上編織的全成型運動手套

圓機成型編織技術(shù)是指紗線沿著緯向按照順序墊放在圓機的相應(yīng)織針上形成線圈的一種編織方式。圓機成型編織技術(shù)不僅可以實現(xiàn)針織產(chǎn)品的一體成型，還能實現(xiàn)多個傳感器的定位編織。由于該技術(shù)具備轉(zhuǎn)速高、產(chǎn)量高、花形變化快、織物品質(zhì)好、工序少、產(chǎn)品適應(yīng)性強等優(yōu)點，因此在制備大面積針織產(chǎn)品及全成型的無縫運動套裝時具有優(yōu)勢，全成型技術(shù)一次性編織出整件產(chǎn)品，可減少生產(chǎn)流程、縮短生產(chǎn)周期。圓機上也可以紡織比較細的紗線[15-16]，所得織物穩(wěn)定性較好；但導(dǎo)電區(qū)域背面多有浮線，為避免導(dǎo)電紗線之間的相互干擾，一般需要對浮線進行清除處理。

1.2 針織物表面處理

針織物表面處理是在聚吡咯、石墨烯、納米銀等導(dǎo)電物質(zhì)中添加一定比例的還原劑、分散劑及黏合劑等物質(zhì)，通過浸漬、涂層、絲網(wǎng)印刷等方式，對織物表面進行處理，從而形成穩(wěn)定連續(xù)的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)層[17]。這種處理方式可以提高傳感器的靈敏度，但傳感器整體穩(wěn)定性較差。因此，針織物表面處理的關(guān)鍵在于使織物和導(dǎo)電物質(zhì)之間形成結(jié)合力良好的界面，確保導(dǎo)電物質(zhì)附著性良好且不易脫落。為改善導(dǎo)電物質(zhì)的附著效果，林佳濛等[18]采用等離子體預(yù)處理方法增加聚吡咯在滌綸上的附著量；為防止導(dǎo)電物質(zhì)的脫落，保證導(dǎo)電物質(zhì)拉伸時的連續(xù)性與均勻性，AMJADI M等[19]在納米銀涂覆后的織物表面覆蓋了一層PDMS，制備了一種可用于手指姿態(tài)監(jiān)測的可拉伸傳感器。

2 針織傳感器傳感性能的影響因素

針織傳感器的主要性能包括靈敏度、線性度以及穩(wěn)定性、重復(fù)性、滯后性等，其影響因素有紗線的種類、織物組織結(jié)構(gòu)、拉伸傳感方向、線圈之間的相互作用力等。

2.1 紗線的種類

在實際生產(chǎn)中，導(dǎo)電紗線的種類是影響針織傳感器性能的關(guān)鍵因素。根據(jù)材料的不同，導(dǎo)電紗線實現(xiàn)的方式可以分為兩種：①利用具有導(dǎo)電性能的纖維直接紡成紗線；②將普通紗線進行處理使其具備導(dǎo)電性能。根據(jù)實際應(yīng)用情況，具體可以分為金屬導(dǎo)電紗線、碳系導(dǎo)電紗線及復(fù)合導(dǎo)電紗線[20-21]。

1)導(dǎo)電紗線的差異影響針織傳感器傳感性能。金屬、純碳系等具有導(dǎo)電性能的紗線有著高靈敏度等特點，但由于其存在剛性大等問題，易在織造或使用過程中造成不可逆的機械損傷以及永久性的結(jié)構(gòu)變形，穩(wěn)定性較差，特別是大應(yīng)變下急彈回復(fù)性較差，嚴重影響了針織傳感器傳感性能的穩(wěn)定性與線性度，難以制作拉伸傳感器。在導(dǎo)電紗線中加入氨綸彈性紗、滌綸紗等普通紗線共同編織后，不僅可以增加織物的保形性，而且能夠改善傳感器的性能。張鈺晶等[22]利用導(dǎo)電紗線與普通紗線編織了一種嵌花組織針織傳感器(見圖2)，導(dǎo)電紗線與普通紗線以嵌花的方式進行連接，提高了針織傳感器的靈敏度及穩(wěn)定性。

圖2 嵌花組織

采用金屬等導(dǎo)電物質(zhì)處理普通紗線或與普通紗線混紡制備復(fù)合導(dǎo)電紗線，可以改善上機困難的問題，但在編織過程中，導(dǎo)電涂覆類紗線易出現(xiàn)導(dǎo)電物質(zhì)脫落及紗線表面被氧化等問題，嚴重影響傳感性能，混紡紗及導(dǎo)電包芯紗電阻較大，在靈敏度方面也存在問題。許多研究者致力于使用電化學(xué)等方式開發(fā)新型導(dǎo)電紗線，用于改善現(xiàn)有導(dǎo)電紗線表面導(dǎo)電層易脫落、易氧化及傳感性能不佳等問題，但目前相關(guān)技術(shù)還不成熟，在紡織品領(lǐng)域應(yīng)用還較少。

傳統(tǒng)出版社、技術(shù)生產(chǎn)商、民營文化公司都在AR圖書出版方面有所嘗試，進行了有益的探索。反響較大的有中信出版集團《科學(xué)跑出來》系列，北京聯(lián)合出版公司《艾布克的立體筆記：探索系列》等。

2)不同種類導(dǎo)電紗線的電力學(xué)特征決定了針織傳感器的有效應(yīng)變范圍。金屬納米銀線的阻值僅為幾到幾十歐姆，可用于拉伸型應(yīng)變傳感器。劉嬋嬋等[23]采用44 dtex 的錦綸鍍銀紗線,利用圓機成型編織技術(shù)制備了一種人體手臂姿勢監(jiān)測的拉伸應(yīng)變傳感器，經(jīng)過多次重復(fù)使用，仍具有較好的傳感性能。石墨烯[24]、聚吡咯、導(dǎo)電納米材料等處理的導(dǎo)電紗線阻值在幾千甚至上萬歐姆，靈敏度較高，可用于壓電式應(yīng)變傳感器。劉翠等[25]研究了導(dǎo)電納米纖維膜厚度、材料配比等參數(shù)對傳感器靈敏度的影響。結(jié)果表明，當(dāng)Py單體與納米纖維質(zhì)量比為1∶1、導(dǎo)電納米纖維膜厚度為48 μm時，傳感器的靈敏度最佳。

2.2 織物組織的結(jié)構(gòu)

織物的組織結(jié)構(gòu)對傳感器的線性度與靈敏度影響較大。韓曉雪等[26]對3種緯編結(jié)構(gòu)傳感器的傳感性能進行研究，具體結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，在相同的條件下，緯平針組織傳感器的靈敏度及導(dǎo)電性能最好，1+1假羅紋組織傳感器的次之，2+1假羅紋組織傳感器的最差，電阻整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。因此，針織應(yīng)力傳感器的組織結(jié)構(gòu)不應(yīng)過于復(fù)雜，宜用基本組織。韓曉雪等[26]還研究了氨綸緯編導(dǎo)電針織物縱向電力學(xué)性能，通過與張舒等[27]研究結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，氨綸緯編導(dǎo)電織物縱向的電力學(xué)性能與經(jīng)編織物的相似。由此說明經(jīng)編織物與緯編織物的傳感性能存在一定的相似性，二者都有較好的靈敏度與線性度。RAJI R K等[28]研究發(fā)現(xiàn)，矩形傳感器的靈敏度高于鋸齒形傳感器。可以推斷針織傳感器的形狀對其傳感性能影響較大，形狀簡單的針織傳感器靈敏度更高。LI L等[29]研究結(jié)果表明：隨著導(dǎo)電線圈縱行數(shù)的增加，傳感器的電阻變化呈現(xiàn)增長趨勢；而隨著導(dǎo)電線圈橫列數(shù)的增加，傳感器的電阻增長趨勢減弱，傳感器的電阻變化符合針織物線圈縱向為并聯(lián)、橫向為串聯(lián)的規(guī)律。故線圈的橫、縱向線圈數(shù)與傳感器的靈敏度密切相關(guān)：橫列數(shù)一定時，縱行數(shù)越少，靈敏度越好；橫列數(shù)與縱行數(shù)相同時，縱橫方向上的導(dǎo)電性能類似，但縱向靈敏度一般大于橫向。

圖3 3種組織的接觸點分布示意

2.3 傳感器的拉伸傳感方向

運動服裝在實際穿著過程中所受的力多為平面中的兩向或多向的拉伸力、剪切力以及三維方向上的曲面拉伸力，因此需要考慮針織傳感器不同拉伸方向下的傳感性能。目前對傳感器拉伸方向的研究多以橫、縱向拉伸、雙向拉伸及人體實際運動中的三維拉伸為主，以標準實驗測試多個方向下電學(xué)信號變化的研究實例還比較少。

橫、縱向的拉伸存在以下差異：①在拉伸形態(tài)方面，橫向拉伸下的紗線由圈柱向圈弧轉(zhuǎn)移，且轉(zhuǎn)移程度比較明顯；縱向拉伸下的線圈紗線由圈弧向圈柱轉(zhuǎn)移。②傳感器的拉伸方向是影響傳感器靈敏度與滯后性的關(guān)鍵因素。橫向拉伸時，應(yīng)變拉伸與回復(fù)之間的電阻變化滯后性較??；縱向拉伸時，應(yīng)變拉伸與回復(fù)之間的電阻變化滯后性較明顯。多數(shù)情況下，縱向拉伸時的電阻變化率大于橫向拉伸時的。謝娟[30]研究了緯平針傳感器在橫、縱向拉伸情況下的電阻變化，具體如圖4所示。由圖4可以看出，導(dǎo)電針織物在橫向拉伸中的電阻隨著應(yīng)變的增加呈現(xiàn)近似線性的增長趨勢，而在縱向拉伸下電阻變化與應(yīng)變的關(guān)系呈非線性增加。③在拉伸速度方面，隨著拉伸速度的增加，傳感器的電阻相應(yīng)增加，但趨勢減緩，在較小拉伸速度下，應(yīng)變拉伸與回復(fù)之間存在電阻變化滯后現(xiàn)象[31]。

圖4 針織傳感器在雙向拉伸下的電阻與應(yīng)變的關(guān)系

三維拉伸方向更接近佩戴針織傳感器時人體的實際感知情況，兼具橫、縱向拉伸的共同特點。 LI Y T等[32]以小球包裹織物模擬人體膝關(guān)節(jié)的運動情況，具體如圖5所示。利用三維曲面評價針織應(yīng)變傳感器的傳感性能，與二維測試方法相比，三維曲面的應(yīng)變傳感范圍為120%，是二維拉伸的兩倍。

2.4 線圈之間的相互作用力

線圈之間的相互作用力主要影響傳感器的接觸電阻，等效電阻模型的構(gòu)建闡明了導(dǎo)電織物的傳感機理，用于簡化線圈電路，而接觸電阻直接影響等效電阻模型預(yù)測的準確性。①接觸電阻與線圈之間的接觸力相關(guān)。由于線圈之間存在相互作用力，使線圈轉(zhuǎn)移[33]及線圈長度發(fā)生變化，從而導(dǎo)致接觸電阻變化。王金鳳等[34]以兩根鍍銀紗線相互穿套的方式模擬接觸力與接觸電阻之間的關(guān)系，由理論分析和實驗研究得知，接觸電阻隨接觸力的增加而呈冪函數(shù)減小。②在小應(yīng)變情況下，線圈之間的接觸電阻變化很小，對織物傳感性能的影響可以忽略；而在大應(yīng)變情況下，接觸電阻對傳感器的伸長-應(yīng)變線性度產(chǎn)生影響。③線圈之間由于相互緊密接觸使得傳感器整體阻值較小；采用普通紗線包覆處理的導(dǎo)電紗線制得針織傳感器，其線圈之間不存在接觸電阻，或裸露的導(dǎo)電紗線產(chǎn)生較小的接觸電阻，整體阻值會大幅度增加。

圖5 針織傳感器的三維檢測實驗

3 在運動健康服裝領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 日常運動防護

隨著全民健康意識的不斷增強，越來越多的人通過日常運動的監(jiān)測進行自身防護。當(dāng)針織傳感器在人體運動過程中監(jiān)測到異常情況時，就會發(fā)出警示信號，提醒運動者休息或就醫(yī)。GARCA PATIO A等[35]開發(fā)了一種無線、舒適的可穿戴式背部運動監(jiān)測系統(tǒng)，將一根直徑為0.14 mm的銅線縫到一塊呈“T”字形的彈性織物中制備成感應(yīng)式紡織傳感器，并集成到緊身衣的背部，以便監(jiān)測背部姿勢。除人體日常運動的防護外，在日常運動中人體的生理信號監(jiān)測是目前運動健康領(lǐng)域研究的熱點。劉詠梅等[36]利用石墨烯織帶作為基材覆合于彈性針織面料上，以制備柔性石墨烯傳感彈力帶，該柔性石墨烯傳感彈力帶在服裝用人體數(shù)據(jù)采集等方面具有一定的實用性。

3.2 專業(yè)運動指導(dǎo)

專業(yè)運動指導(dǎo)可以幫助運動者進行運動評估，改善運動不足，規(guī)范運動方式，控制運動強度，優(yōu)化訓(xùn)練效果并降低身體損傷。謝娟[30]用緯編針織技術(shù)將鍍銀尼龍導(dǎo)電紗線織成柔性針織物傳感器，并集成在智能 T恤和智能護膝中，分別用于監(jiān)測肘關(guān)節(jié)、肩部、腹部以及膝關(guān)節(jié)的生理信號，分析不同姿勢下的電阻變化情況，但針織傳感器采集數(shù)據(jù)的具體傳輸方式并不明確。為此，LI Y T等[37]基于鍍銀導(dǎo)電紗線柔性傳感器制備了一種可用于監(jiān)測人體膝關(guān)節(jié)運動的緊身褲，對人體平地行走、上下樓梯、跑步狀態(tài)下的膝關(guān)節(jié)角度與電阻之間的關(guān)系進行分析，并開發(fā)了一種可隨身攜帶的數(shù)據(jù)模塊用于傳感器電阻信號的采集與輸出。單次運動產(chǎn)生的應(yīng)變電阻信號對于專業(yè)運動指導(dǎo)意義不大，但多次運動信號分析對運動指導(dǎo)至關(guān)重要?；诖?，CHOW J H等[38]制備了一種紡織壓力傳感監(jiān)測襪，使用導(dǎo)電紗線連接踝關(guān)節(jié)處的通信模塊，根據(jù)應(yīng)變圖像觀測穿著者的足部運動情況。

3.3 運動康復(fù)指導(dǎo)

運動康復(fù)指導(dǎo)可幫助患者更快速地恢復(fù)健康，監(jiān)護范圍包括家庭和醫(yī)院，目前主流的方式是在自我監(jiān)護的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)醫(yī)院等醫(yī)療機構(gòu)的輔助性康復(fù)指導(dǎo)。LORUSSI F等[39]設(shè)計了一種基于慣性傳感器、織物壓阻傳感器和紡織肌電傳感器融合的智能可穿戴系統(tǒng)，該系統(tǒng)以模塊化形式設(shè)計，由單獨的襯衫、褲子、手套和鞋子組成，在日常生活中對中風(fēng)后康復(fù)過程中的人體活動進行監(jiān)控，可以幫助醫(yī)生優(yōu)化和調(diào)整患者的培訓(xùn)計劃，用于評估中風(fēng)患者的日常生活與康復(fù)情況。HAN X X等[14]利用橫機成型編織技術(shù)制備了一種在指部嵌入傳感器的無縫手套，用于手指姿態(tài)判別；HEO J S等[40]設(shè)計了一種用AgNW，PDMS涂覆的傳感手套，并研究不同手指在不同彎曲情況下的電學(xué)信號變化情況，為手部的運動健康恢復(fù)提供指導(dǎo)。

4 結(jié)語

針織傳感器在運動健康服裝領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得一定的成果，但仍然存在許多不足，故難以得到大范圍推廣。未來研究重點及發(fā)展前景可總結(jié)為以下幾點：

1)智能運動健康服裝應(yīng)具備趨近于紡織品的服用性能。目前針織傳感器的研究成果雖然較多，但大多數(shù)注重功能性的實施，在服裝壓力、透氣性、洗滌性等服用性方面的研究還有所欠缺。

2)應(yīng)構(gòu)建規(guī)范的行業(yè)標準。由于針織傳感器的種類及制備方法差異較大，使用范圍及數(shù)據(jù)判別標準難以統(tǒng)一。因此，應(yīng)統(tǒng)一導(dǎo)電材料的參數(shù)規(guī)格，在實現(xiàn)功能的同時，確保傳感器使用的安全性，建立相關(guān)的性能、制備、生產(chǎn)標準。另外，在數(shù)據(jù)傳輸標準方面，可靠、安全的智能產(chǎn)品才能建立公眾信任，目前在藍牙的傳輸模式上有相關(guān)標準協(xié)議，但是數(shù)據(jù)的傳輸需要多個傳輸網(wǎng)絡(luò)的相輔相成，因此必須保證個人信息的安全性。

3)針織傳感器與其他智能元件的無痕聯(lián)接。受限于科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前針織傳感器尚不能單獨使用，仍需借助電路、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將采集到的信號轉(zhuǎn)化后再輸出；利用針織的方式將各智能元件一體成型，可以有效解決線路的問題。

總之，隨著時代的發(fā)展和科技的進步，針織傳感器在運動健康服裝領(lǐng)域的研究與應(yīng)用正朝著健康舒適化、功能多樣化、新能源及能量儲存方式多元化、信息智能化精準化、價格低廉化等方向發(fā)展。