孫桂芬，王 鵬，蔣永翔，劉 珺，孫宏昌，孟垂舟，郭士杰

（1.河北工業(yè)大學(xué) 省部共建電工裝備可靠性與智能化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300130；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222；3.河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，智能傳感技術(shù)與人類的生活日益緊密，已應(yīng)用于醫(yī)療保健、生物醫(yī)學(xué)、工業(yè)機(jī)器人、航空航天、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。柔性傳感器可以實(shí)時(shí)將外界刺激轉(zhuǎn)化為電信號(hào)（電容、電阻與電壓等），是智能傳感系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其研發(fā)近些年受到了眾多研究者的關(guān)注[1]。經(jīng)過(guò)多年研究，得益于機(jī)電傳感原理、傳感功能材料和先進(jìn)制造方法等方面的重大進(jìn)展，各種形式的柔性觸覺(jué)傳感器被研發(fā)出來(lái)，顯示出高靈敏度、寬檢測(cè)量程、高柔彈性甚至可拉伸性等特點(diǎn)[2-6]。尤其是納米導(dǎo)電材料的使用和微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的應(yīng)用更加提升了柔性觸覺(jué)傳感器的傳感能力，例如，Bai等[7]提出了一種內(nèi)含不同高度突出微結(jié)構(gòu)的離子型觸覺(jué)傳感器，這種內(nèi)填充聚乙烯醇（PVA）/磷酸（H3PO4）凝膠薄膜微結(jié)構(gòu)在可壓縮性和變形恢復(fù)方面起到了積極促進(jìn)作用，使得該傳感器具有超高的靈敏度（大于3 300 kPa-1）和極大的檢測(cè)范圍（0.08 Pa～360 kPa）；Li 等[8]成功地利用由天然彈性聚偏氟乙烯-三氟乙烯（P（VDF-TrFE））和多層二維碳化鈦（Ti3C2Tx）組成的疏水性有機(jī)/無(wú)機(jī)雜化膜，研制出一種高靈敏度（大于2 213.68 kPa-1）壓阻式觸覺(jué)傳感器，首次驗(yàn)證了Ti3C2Tx納米材料作為傳感材質(zhì)在空氣中可以長(zhǎng)期穩(wěn)定使用。

盡管柔性觸覺(jué)傳感器在柔性化甚至是彈性化方面取得了很大進(jìn)展，但是仍然存在以下3 點(diǎn)不足：第一，大部分報(bào)道的柔性觸覺(jué)傳感器是基于實(shí)心的平面型聚合物基底（例如，聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚酰亞胺（PI）、脂肪族芳香族無(wú)規(guī)共聚酯（Ecoflex）等），不具有透氣性，且生物兼容性差，在與人體長(zhǎng)時(shí)間接觸（例如，數(shù)小時(shí)或數(shù)天）使用后，會(huì)導(dǎo)致皮膚發(fā)紅、發(fā)炎甚至腫脹[9-10]；第二，平面型柔性基底在包覆復(fù)雜三維物體的凹凸表面時(shí)，必然發(fā)生褶皺現(xiàn)象，很難做到與其緊密的貼合，這也限制了傳感的真實(shí)性與穩(wěn)定性[11]；第三，平面型柔性基底無(wú)法做到與人們?nèi)粘４┐骺椢锏臒o(wú)縫集成，既降低穿戴的舒適性，又不利于大規(guī)模使用推廣。因此，迫切需要研發(fā)出重量輕、柔韌性好、透氣性強(qiáng)且適合長(zhǎng)期連續(xù)穿戴的觸覺(jué)傳感器。而纖維材料形式正好能夠滿足上述綜合要求，因此研究學(xué)者便致力于研發(fā)柔性纖維基觸覺(jué)傳感器?？蛇x擇的纖維基底材料包括天然纖維（例如，絲綢、棉花、亞麻、羊毛等）、合成纖維（例如，聚酯、聚氨酯和聚酰胺等）和超強(qiáng)合成纖維（例如，碳纖維、凱夫拉（Kevlar）等）[12-13]，通過(guò)針織、編織、打結(jié)、粘合等工藝可以將其制造成紡織物品[14-15]。這使得纖維基觸覺(jué)傳感器可以較為簡(jiǎn)便地方式融入集成到織物服裝當(dāng)中，這對(duì)于真正實(shí)現(xiàn)穿戴式健康監(jiān)測(cè)和運(yùn)動(dòng)識(shí)別至關(guān)重要。柔性纖維基觸覺(jué)傳感器可以隨意地被壓縮、扭曲、變形，能夠更好地柔順貼附在人體皮膚等三維凹凸不平的曲面上[16-18]。更進(jìn)一步，基于傳感器件開發(fā)出配套的傳感機(jī)電系統(tǒng)，基于獲取的傳感信號(hào)形成具有通信、顯示、分析、運(yùn)算、驅(qū)動(dòng)等能力的智能檢測(cè)系統(tǒng)，以進(jìn)行人體生理體征（例如，呼吸、脈搏、血壓等）監(jiān)測(cè)和運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)識(shí)別（例如，步態(tài)、跳躍、下蹲等）等智能化應(yīng)用。

本文旨在綜述柔性纖維基觸覺(jué)傳感器的最新研究進(jìn)展，首先概述觸覺(jué)傳感器的4類工作原理并進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)比較分析，其次總結(jié)能夠滿足特殊纖維型器件形式需求的纖維基觸覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念、功能材料形式以及配套的制備方法，然后基于不同纖維基底種類全面介紹柔性纖維基觸覺(jué)傳感器在電子皮膚、人體運(yùn)動(dòng)捕捉、保健與康復(fù)、生理活動(dòng)監(jiān)測(cè)和人機(jī)交互等方面的具體應(yīng)用研究工作，最后對(duì)柔性纖維基觸覺(jué)傳感器研發(fā)所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)進(jìn)行總結(jié)與展望，具體調(diào)研內(nèi)容見(jiàn)圖1所示。

圖1 柔性纖維基觸覺(jué)傳感器的研究?jī)?nèi)容。4 類傳感原理：壓阻式（如，PPE 纖維的表面形貌表征[19]、GCNF@ECY 傳感器單元[20]、壓力傳感矩陣的物理模型[21]）、電容式（如，超拉伸線狀超級(jí)電容器[22]、織物壓力傳感器及其陣列[23]、基于PILNM 的自組裝可穿戴電容器[24]）、壓電式（如，雙螺旋石墨烯纖維上的熱、濕度、水平拉力和垂直壓力[25]、全織物壓力傳感器[26）]、摩擦電式（如，單電極摩擦電紗線[27]、全纖維電力納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)[28]、摩擦電全織物傳感器陣列和衣服組合的示意圖[29）]；3 類纖維基底材質(zhì)：天然纖維、合成纖維、超強(qiáng)合成纖維；4 類器件形式：同軸纖維、雙線纖維、傳感單元、傳感陣列；8 類應(yīng)用方向：生理活動(dòng)監(jiān)測(cè)、電子皮膚、人體運(yùn)動(dòng)捕捉、保健與康復(fù)、人機(jī)交互、能量管理、熱管理、疾病預(yù)警Fig.1 Research content of flexible fiber based tactile sensor.Four kinds of sensing principles:piezoresistive(such as surface morphology characterization of the PPE fiber[19],schematic illustration of GCNF@ECY sensor unit[20]and schematic illustration of the pressure sensing matrix—physical model[21]),capacitive(such as an ultra-stretchable wire-shaped supercapacitor[22],schematic illustration of fabric pressure sensor and array[23],and schematic illustration of self-assembled PILNM-based wearable capacitor[24].),piezoelectric(such as schematic illustration of the heat,moisture,horizontal pull,and vertical press force loaded on the double-helix graphene fibers[25]and schematic illustration of all-textile-based pressure sensor[26].)and triboelectric(such as schematic illustration of single-electrode triboelectric yarns[27],structure of the all-fiber electric power nanogenerator[28]and schematic illustration of the combination of triboelectric all-textile sensor array and clothes[29].);Three types of fiber base materials:natural fiber,synthetic fiber and super synthetic fiber;Four types of devices:coaxial fiber,double wire fiber,sensing unit and sensing array;Eight application directions:physiological activity monitoring,electronic skin,human motion capture,health care and rehabilitation,human-computer interaction,energy management,heat management and disease early warning

1 觸覺(jué)傳感器的機(jī)理與特性

觸覺(jué)傳感器可以直接將壓力或壓強(qiáng)激勵(lì)轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電信號(hào)，且因其具有體積小、靈活性高、易于集成等特點(diǎn)而被廣泛使用[30-33]。根據(jù)工作原理，觸覺(jué)傳感器可分為壓阻式傳感器（壓力激勵(lì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮栊盘?hào)）、電容式傳感器（壓力激勵(lì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娙菪盘?hào)）、壓電式傳感器（壓力激勵(lì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)）和摩擦電式傳感器（壓力激勵(lì)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)）[34]。首先，壓阻、電容、壓電和摩擦電式觸覺(jué)傳感器的工作原理和特性介紹如下。

1.1 壓阻式傳感器

壓阻式傳感器將所受外力激勵(lì)轉(zhuǎn)化為電阻信號(hào)。當(dāng)外界施加壓力時(shí)，導(dǎo)電材料發(fā)生變形使得內(nèi)部導(dǎo)電填料的分布及其相互之間的接觸狀態(tài)發(fā)生改變，從而使得材料的電阻發(fā)生相應(yīng)的改變（圖2a））。此類導(dǎo)電材料被叫做壓阻材料，電阻值R由公式（1）給出：

圖2 4 種柔性觸覺(jué)傳感器的工作原理示意圖：a）壓阻式；b）電容式；c）壓電式；d）摩擦電式Fig.2 Schematic diagram showing the working principle of the tactile sensors:a)piezoresistive;b)capacitive;c)piezoelectric;d)triboelectric

式中：ρ為電阻率；l為長(zhǎng)度；S為橫截面積。材料選擇后，ρ不變，作用力會(huì)改變材料的幾何形狀，即長(zhǎng)度l和橫截面積S均發(fā)生變化，從而改變材料的電阻值R。但是，材料的電阻率會(huì)隨溫度的變化而發(fā)生微小改變，使得傳感器的性能容易受到外部環(huán)境溫度或濕度的影響，即“溫漂”現(xiàn)象[35-36]。在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要注意并采取措施避免或減小“溫漂”現(xiàn)象。尤其是應(yīng)用于可穿戴設(shè)備時(shí)，貼身的壓阻式傳感器更易受到環(huán)境與人體溫度差異和人體汗液、體液等影響，其可靠性和穩(wěn)定性受到影響[35]。壓阻式傳感器具有響應(yīng)時(shí)間短、檢測(cè)范圍大、器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，且阻值的變化易于量化采集，在集成制造方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，是目前研究最多的傳感器[37-38]。但是，壓阻式傳感器的電阻變化和施加壓力之間在大量程范圍內(nèi)易呈現(xiàn)出非線性響應(yīng)，隨著壓力的增加其靈敏度也會(huì)降低[34，39]。

1.2 電容式傳感器

電容式傳感器具有平行板電容器的基本結(jié)構(gòu)，由2 層電極層夾雜著1 層彈性電介質(zhì)層構(gòu)成（如圖2b））[40-42]。當(dāng)外界施加壓力時(shí)，彈性電介質(zhì)層被壓縮，2電極層之間距離變小，從而導(dǎo)致器件電容值的變化。電容式傳感器最大的優(yōu)勢(shì)是檢測(cè)靜態(tài)受力情況，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)限低、漂移小、耐久性好、功耗低等優(yōu)點(diǎn)。電容值C由式（2）給出：

式中：ε0為真空介電常數(shù)（8.85×10-12F·m-1）；εr為材料的相對(duì)介電常數(shù)；A為2 個(gè)電極重疊區(qū)域的面積；d為2電極層之間的距離。顯然，傳感器的電容量與電介質(zhì)層的相對(duì)介電常數(shù)、2個(gè)電極重疊區(qū)域的面積以及2個(gè)電極之間的距離有關(guān)[40，43]。電容器容易受到接近物體的干擾，即改變電容器周圍的邊緣電場(chǎng)，導(dǎo)致測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生不確定信號(hào)[44]。通常，為了防止電介質(zhì)層被擊穿和吸合效應(yīng)，2電極層之間的距離至少要大于1 μm，并且大多數(shù)電介質(zhì)材料的相對(duì)介電常數(shù)十分有限，這就導(dǎo)致電容式傳感器的電容量?jī)H為幾十到幾百（單位為pF·cm-2），極易受到各種寄生電容（例如，身體靜電荷）和環(huán)境噪聲源（例如，電磁波）的影響[45]。

為了解決上述問(wèn)題，近些年研究學(xué)者提出了超級(jí)電容式傳感器的新原理。在平行板電容器的基礎(chǔ)上，將傳統(tǒng)的電介質(zhì)材料替換為含有大量可移動(dòng)陰、陽(yáng)離子的電解質(zhì)材料。當(dāng)外界施加壓力時(shí)，2電極層中的正、負(fù)電荷便分別吸引電解質(zhì)中陰、陽(yáng)離子到電極表面，從而在電極-電解質(zhì)界面處形成大量穩(wěn)定的雙電層。雙電層中異性電荷之間的距離在離子半徑范圍內(nèi)，是埃（?，10-10m）的量級(jí)，非常小；采用具有微結(jié)構(gòu)的材質(zhì)做成電極或電解質(zhì)，電極與電解質(zhì)之間的有效接觸面積非常大。根據(jù)公式（2），以上兩點(diǎn)綜合使超級(jí)電容器的具有非常巨大的電容量（至少為傳統(tǒng)靜電電容器的1 000倍以上）[46]。巨大的電容信號(hào)使得傳感器的抗干擾能力加強(qiáng)，不再需要機(jī)電系統(tǒng)具有苛刻的降噪和放大處理功能，顯著降低了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和制作成本[47-49]。

1.3 壓電式傳感器

壓電式傳感器是一種基于壓電效應(yīng)的觸覺(jué)傳感器，可將外部壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)[50-51]。未施加外力時(shí)，壓電材料中的陰離子和陽(yáng)離子的電荷中心彼此重合；當(dāng)施加外力時(shí)，壓電材料中的原子結(jié)構(gòu)發(fā)生機(jī)械變形，電偶極矩的電荷中心發(fā)生分離，在材料表面產(chǎn)生電勢(shì)（圖2c））[35，52-53]。此壓電電勢(shì)在被測(cè)量后獲得外部壓力刺激的評(píng)估值[54]。通常，壓電材料的能量轉(zhuǎn)換效率由壓電系數(shù)(d33或d31)決定。當(dāng)沿極化方向變形時(shí)，產(chǎn)生電荷由d33決定；當(dāng)極化方向和變形方向垂直時(shí)，產(chǎn)生電荷由d31決定。壓電晶體和壓電陶瓷等無(wú)機(jī)物壓電材料具有較高的壓電系數(shù)，但不具有柔韌性，而聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜等有機(jī)物壓電材料的柔韌性很好，但是其壓電系數(shù)較低[51]。

由于感應(yīng)到的壓電信號(hào)是瞬時(shí)信號(hào)，壓電式傳感器對(duì)于動(dòng)態(tài)負(fù)載表現(xiàn)出高的靈敏度和快的響應(yīng)速度，非常適合應(yīng)用于振動(dòng)、滑動(dòng)等動(dòng)態(tài)壓力檢測(cè)[55-57]。但對(duì)于靜態(tài)負(fù)載和穩(wěn)態(tài)檢測(cè)，壓電式傳感器則無(wú)能為力[58]。另外，考慮到其獨(dú)特的能量收集特性，壓電材料被認(rèn)為是研發(fā)低功耗甚至自供電的傳感裝置[59]和能量收集裝置的理想選擇[60]。

1.4 摩擦電式傳感器

摩擦電式傳感器是將振動(dòng)式機(jī)械激勵(lì)轉(zhuǎn)化為快速波動(dòng)的電壓幅值。當(dāng)未受外界機(jī)械激勵(lì)時(shí)，2種材料彼此分離但保持較小的間隙；當(dāng)外界施加機(jī)械激勵(lì)時(shí)，2種材料相互接觸發(fā)生摩擦或扭轉(zhuǎn)，從而表面產(chǎn)生異性電荷；當(dāng)外界機(jī)械激勵(lì)消失后，2種材料彼此分開，但在各自接觸的表面產(chǎn)生補(bǔ)償電荷，從而形成電位差，反映出壓力的大?。▓D2d））。摩擦電式傳感器的性能與外部壓力的大小和激勵(lì)的頻率高度相關(guān)。2012年，王中林院士團(tuán)隊(duì)首先提出了基于摩擦帶電和靜電感應(yīng)耦合原理的摩擦電納米發(fā)電機(jī)（TENG），可收集環(huán)境能量并遠(yuǎn)程控制音樂(lè)播放系統(tǒng)[61]，這種新興的發(fā)電技術(shù)為觸覺(jué)傳感器的研發(fā)提供了新的發(fā)展方向[50，62]。將納米摩擦電發(fā)電機(jī)的不同電性的2 個(gè)電極對(duì)之間的接觸或非接觸的相對(duì)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)信息[63-64]，即可得到檢測(cè)外部環(huán)境各種刺激的傳感器[63]。納米摩擦電發(fā)電機(jī)的表面積累電荷產(chǎn)生的電容C由式（3）給出：

式中：S為極板間的面積；ε是介電常數(shù)；λ為電荷注入深度；k為靜電常數(shù)。

摩擦電式傳感器具有重量輕、體積小、高分辨率和高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于動(dòng)態(tài)受力檢測(cè)。與壓電式傳感器相比，摩擦電式傳感器擁有自供電特性，其能夠輸出更高的電壓值，可構(gòu)建出自供能智能傳感器[64-66]。但是，摩擦電式傳感器積累的表面電荷易受到耗散延遲的影響。并且，因?yàn)閷?duì)于傳感器2電極層間物理空隙的要求較高，限制了器件的微小型化發(fā)展[67]。另外，摩擦電式傳感器的傳感材料頻繁相互摩擦?xí)共牧夏p率較高，導(dǎo)致傳感器的循環(huán)穩(wěn)定性較差，不適用于長(zhǎng)期使用。

2 纖維基觸覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、導(dǎo)電材料和制備方法

柔性纖維基觸覺(jué)傳感器研發(fā)需要從纖維型器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、新型導(dǎo)電功能材料和先進(jìn)制備方法等3方面綜合考慮。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，柔性纖維基觸覺(jué)傳感器的結(jié)構(gòu)包括同軸、雙線、單元和陣列4種方式（如圖1所示）。同軸型纖維基傳感器由一個(gè)彈性纖維作為基底，在其上依次同軸包覆上電極層、電介質(zhì)層、電極層、封裝層等器件結(jié)構(gòu)，使器件具有功能部件緊湊、纖維形式展現(xiàn)良好、柔彈性優(yōu)異、拉伸性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；雙線型纖維基傳感器由2條纖維電極交叉堆疊或者相互纏繞而成，在纖維電極的交叉接觸點(diǎn)處形成一個(gè)傳感測(cè)量點(diǎn)；單元型纖維基傳感器只有1個(gè)傳感單元，用于測(cè)量單點(diǎn)的壓力信息；陣列型纖維基傳感器由多個(gè)傳感單元組成陣列形式，用于測(cè)量物體二維空間的壓力分布情況。

為了提高傳感器的靈敏度、傳感范圍、響應(yīng)時(shí)間、可拉伸性和彈性恢復(fù)能力等關(guān)鍵性能，在傳感器基本部件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并制備出微納尺度的結(jié)構(gòu)是重要途徑[68-72]。微納結(jié)構(gòu)既可增加傳感材料的可壓縮和可拉伸性能，又可增加傳感材料與電極的有效接觸面積，利于外部激勵(lì)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)傳感器在力學(xué)性能和傳感功能兩大方面的提升。

2.2 導(dǎo)電材料

基于4類觸覺(jué)傳感工作原理，具有導(dǎo)電能力的電極是實(shí)現(xiàn)傳感功能的關(guān)鍵部件。由于纖維材料本體大部分是絕緣體（例如，天然的棉纖維和人造的聚酯纖維），這就需要在柔性纖維基底上通過(guò)特殊的制備方法附著上功能導(dǎo)電材料，得到具備導(dǎo)電特性的纖維電極。目前，常用的導(dǎo)電材料包括金屬導(dǎo)電材料（例如，銀、銅等）、碳系導(dǎo)電材料（例如，石墨、碳黑、碳納米管[73-74]、石墨烯等）、金屬化合物材料（例如，二維碳化鈦（MXene））和導(dǎo)電高分子材料（例如，聚乙炔、聚苯胺（PANi）[75]、聚吡咯（PPy）、聚噻吩（PTh）及其衍生物）。其中，金屬導(dǎo)電材料具有導(dǎo)電性好、強(qiáng)度高、耐熱性好、耐腐蝕強(qiáng)等特點(diǎn)，一般通過(guò)與衣服混紡得到金屬導(dǎo)電纖維面料，已廣泛應(yīng)用于化工、航空、軍事與環(huán)境保護(hù)等不需要柔性特性和染色加工領(lǐng)域。碳系導(dǎo)電材料密度小、污染小、不易沉降且存在難分散、易絮凝等缺點(diǎn)，其顏色一般為黑色或深色[76-78]。金屬化合物材料中最常見(jiàn)的是銅、銀、鎳、鎘化合物，其作為導(dǎo)電材料與紡織纖維復(fù)合可制成導(dǎo)電型金屬化合物纖維，其導(dǎo)電材料的牢度相對(duì)較好。近些年，研究領(lǐng)域興起了一種新型的二維層狀結(jié)構(gòu)金屬導(dǎo)電材料，即MXene，兼具良好的親水性、高導(dǎo)電性和大比表面積等特性，被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)研究[79]。導(dǎo)電高分子材料是一種不需要添加其它有機(jī)導(dǎo)電分子的物質(zhì)，僅依靠自身結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)軸向?qū)щ姷母叻肿泳酆衔?。?dǎo)電聚合物同普通線性聚合物一樣，在紡絲拉伸過(guò)程中都會(huì)在軸向產(chǎn)生一定的取向性，導(dǎo)電的各向異性化提高了纖維的軸向?qū)щ娦訹80]。各種導(dǎo)電材料具體的定義與優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

表1 導(dǎo)電材料特點(diǎn)對(duì)比表Tab.1 Comparison of characteristics of conductive materials

領(lǐng)域最新研究進(jìn)展方面，Ma 等[81]將天然棉纖維與不銹鋼纖維混紡形成導(dǎo)電紗線，其不僅具有高孔隙率、高電導(dǎo)率，而且保持了服裝紡織品中常用的普通棉紗的彈性。但是，對(duì)于大部分纖維紡織品而言，金屬導(dǎo)電材料的高強(qiáng)度特性會(huì)導(dǎo)致其可混紡性能較差，并且金屬導(dǎo)電纖維的柔韌性和拉壓強(qiáng)度也達(dá)不到預(yù)期要求[82-84]。Huang等[85]采用靜電紡絲技術(shù)以碳黑和聚丙烯腈為原材料成功制得碳黑/碳納米纖維，其不僅保持了原始聚丙烯腈纖維的機(jī)械力學(xué)特性，而且獲得了導(dǎo)電性能。Li 等[76]利用濕法紡絲技術(shù)制備苯乙烯-丁二烯-苯乙烯（SBS）/石墨烯（Gr）復(fù)合纖維柔性壓阻式傳感器，其石墨烯的含量不僅對(duì)復(fù)合纖維的形態(tài)、力學(xué)性能有顯著影響，而且對(duì)纖維的機(jī)電性能也有重要影響。Momin等[86]將多壁碳納米管（MWCNT）涂覆到棉纖維上成功開發(fā)出高度靈敏的壓力傳感器，以將其用于監(jiān)測(cè)人類活動(dòng)。但是由于其使用涂層法得到的碳系導(dǎo)電纖維，其導(dǎo)電材料難以均勻分布于纖維表面，且容易脫落[87-89]。Li等[90]提出了一種基于MXene織物的柔性壓阻式傳感器，通過(guò)簡(jiǎn)單的浸涂工藝將二維材料MXene與棉織物結(jié)合，并借助于MXene優(yōu)異的導(dǎo)電性能和微觀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高靈敏度。Liu等[91]將聚苯胺與聚環(huán)氧乙烯通過(guò)紡絲方法制備出了一種導(dǎo)電纖維，該纖維從初始狀態(tài)到被拉伸至160%應(yīng)變過(guò)程中相對(duì)電阻增大，具有良好的應(yīng)變傳感功能。Kim等[92]將聚吡咯原位聚合到聚氨酯（PU）納米纖維上得到高導(dǎo)電纖維，其原位聚合過(guò)程卻降低了納米纖維的拉伸強(qiáng)度，后期需添加其他化學(xué)物質(zhì)來(lái)提高拉伸性能。雖然聚吡咯、聚苯胺、聚乙炔、聚噻吩等高分子導(dǎo)電材料都可以直接紡絲或通過(guò)其他技術(shù)制成導(dǎo)電纖維。但是，這種完全由導(dǎo)電聚合物構(gòu)成的導(dǎo)電纖維延展性較差，難以應(yīng)用于大范圍動(dòng)態(tài)信號(hào)檢測(cè)。并且，高分子材料本身剛度大、難溶、成型困難，而難以制備成導(dǎo)電聚合物纖維[93]。

2.3 制備方法

柔性纖維或纖維織物只有通過(guò)一定的改性處理，才能夠被賦予優(yōu)良的導(dǎo)電性，以用作傳感器的柔性電極。目前，常用的改性處理方法包括涂層法、原位生長(zhǎng)法和直接紡絲法等。其中，涂層法是將導(dǎo)電材料涂覆包裹于纖維或纖維織物的表面賦予其導(dǎo)電性能的方法。常見(jiàn)的是將粘稠的金屬或碳系導(dǎo)電漿料涂覆到纖維或纖維織物上后烘干后得到纖維電極，而導(dǎo)電漿料的分散度和粘度對(duì)于涂覆包裹的效果至關(guān)重要。涂層法可以通過(guò)較為簡(jiǎn)便的制備方式得到靈敏度高和檢測(cè)范圍寬的纖維基觸覺(jué)傳感器，但是其循環(huán)穩(wěn)定性和線性度較難實(shí)現(xiàn)[94]。原位生長(zhǎng)法是在纖維或纖維織物上直接沉積導(dǎo)電材料的方法。例如，可以通過(guò)在含有聚合物單體的溶液中通過(guò)化學(xué)合成或者電化學(xué)沉積的方式直接得到導(dǎo)電聚合物包裹的纖維電極。直接紡絲法是把導(dǎo)電材料混入到紡絲前驅(qū)體中，通過(guò)濕法紡絲或者干法紡絲的方式直接制備出復(fù)合導(dǎo)電纖維。雖然直接紡絲法的制備過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，但得到的復(fù)合纖維里導(dǎo)電組分分布均勻且耐久性較好[95-97]。各種方法的具體優(yōu)缺點(diǎn)匯總于表2中。

表2 制備方法對(duì)比表Tab.2 Comparison of preparation methods

領(lǐng)域最新研究進(jìn)展方面，Sun等[98]通過(guò)簡(jiǎn)單地涂層法將納米導(dǎo)電材料MXene 涂覆在無(wú)紡布織物表面制造出高導(dǎo)電纖維電極。雖然MXene較高的表面能可以很容易貼附于纖維表面或內(nèi)部的多孔結(jié)構(gòu)中，但是較高的表面能也容易導(dǎo)致MXene發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，影響其在纖維上的浸涂效果，并且由于每次蘸取包裹導(dǎo)電材料的量有限，需要多次浸涂，直至纖維電極的導(dǎo)電性能不再提升，該方法容易造成資源浪費(fèi)。因此，可以采取將納米導(dǎo)電材料（例如，銀納米線、碳納米管、石墨烯、還原氧化石墨烯、MXene等）表面活性處理引入官能團(tuán)和在溶劑中加入分散劑的方式增加納米導(dǎo)電材料在溶劑中的分散性能，但是制得導(dǎo)電纖維的導(dǎo)電性會(huì)受到一定程度的影響。Lan等[99]通過(guò)在涂有金屬二硫化鉬納米片的雙扭纖維上原位生長(zhǎng)獨(dú)特的“爆米花”狀金納米結(jié)構(gòu)制造出了可拉伸的導(dǎo)電纖維，提高了傳感器的傳感性能，并且制造過(guò)程中不需要額外的還原劑或加熱等條件。Lim等[100]使用另外一種原位生長(zhǎng)方式氣相聚合法（將單體以蒸汽形式引入到涂有氧化劑涂層的基材上，主要用于制備聚乙烯二氧噻吩（PEDOT）涂層纖維或纖維織物）在聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）纖維織物上沉積了一層PEDOT薄膜，得到的PEDOT導(dǎo)電織物具有重量輕、厚度薄，耐洗性和耐折性等優(yōu)點(diǎn)。Seyedin等[101]通過(guò)同軸濕法紡絲技術(shù)將MXene與聚氨酯復(fù)合得到導(dǎo)電纖維，MXene在纖維中均勻分布，得到的導(dǎo)電纖維能夠直接織入護(hù)腕中，作為應(yīng)變傳感織物實(shí)時(shí)測(cè)量肘部關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。Wang等[24]利用靜電紡絲技術(shù)將聚合物離子液體加入前驅(qū)體制備得到了聚離子液體納米纖維膜，并將其用作超級(jí)電容式觸覺(jué)傳感器的電解質(zhì)材料。雖然靜電紡絲技術(shù)操作簡(jiǎn)單，在構(gòu)筑具有微納結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電纖維束或者纖維膜上發(fā)揮了非常重要的作用。但在材料選擇方面具有一定的要求（如高聚物、溶液性質(zhì)），且所制得的納米纖維大多數(shù)強(qiáng)力很低，很難單獨(dú)使用。

3 柔性纖維基觸覺(jué)傳感器研究進(jìn)展

纖維是由細(xì)絲狀物質(zhì)組成，可分為天然纖維、合成纖維、超強(qiáng)合成纖維3大類，以其為基底，科研工作者研發(fā)出各種各樣的柔性纖維基觸覺(jué)傳感器。

3.1 以天然纖維為基底的柔性觸覺(jué)傳感器

天然纖維是由一組毛發(fā)狀材質(zhì)組成，材料以棉、麻、毛、絲為主，從植物或動(dòng)物上直接獲取，與合成纖維相比其更加環(huán)保和經(jīng)濟(jì)，因此在作為基底研發(fā)柔性纖維基觸覺(jué)傳感器方面受到廣泛關(guān)注[102-103]。

3.1.1 棉基纖維傳感器

棉纖維是天然的植物纖維，由綠色安全的棉花加工處理后形成，包括棉紗、棉線、棉織物（棉布）等，具有良好的透氣性、保暖性和耐熱性。但是，其彈性較差、縮水率較大、容易起皺和變形。棉纖維可與皮膚直接接觸，不會(huì)發(fā)生任何刺激現(xiàn)象，其衛(wèi)生度較高。

棉花以棉纖維為原始材料，具有先天獨(dú)特的三維網(wǎng)絡(luò)微結(jié)構(gòu)，能夠?qū)ν獠繅毫Ξa(chǎn)生較為敏感的響應(yīng)。Li等[104]利用還原氧化石墨烯（rGO）納米片修飾棉花制備出壓阻式傳感器（圖3a）），首先將具有三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的rGO棉夾在銅帶之間，然后用銀漿固定進(jìn)行壓力檢測(cè)，展現(xiàn)出較好的靈敏度（0.21 kPa-1）和寬的壓力范圍（500 kPa），可用于檢測(cè)人體的生理信號(hào)（例如，手腕脈搏和呼吸頻率）。但是，棉花的低彈特性導(dǎo)致制備的觸覺(jué)傳感器長(zhǎng)期反復(fù)使用后發(fā)生靈敏度降低的現(xiàn)象。

棉紗是由棉纖維經(jīng)紡紗工藝加工而成的紗線。Qi等[105]以棉紗線為纖維基底，使用靜電紡絲技術(shù)在鎳涂覆棉紗線上進(jìn)一步涂覆嵌入聚氨酯（PU）復(fù)合的碳納米管（CNT），通過(guò)垂直堆疊兩條這樣的納米纖維電極，在交叉接觸點(diǎn)處形成壓阻傳感單元，并通過(guò)編織技術(shù)形成三維彈性多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，用來(lái)檢測(cè)二維空間壓力分布（圖3b））。

棉線是由棉纖維經(jīng)搓紡工藝加工而成的線，細(xì)長(zhǎng)且可任意彎曲。Wang等[11]以棉線為纖維基底，制備出芯-鞘結(jié)構(gòu)的超級(jí)電容傳感單元，其靈敏度高達(dá)9.62 kPa-1（0～40 kPa區(qū)間），進(jìn)一步制備出傳感陣列不僅可以識(shí)別不同形狀物體的二維空間壓力映射，而且可以附著在三維物體復(fù)雜表面（例如，乒乓球）檢測(cè)定點(diǎn)壓力（圖3c））。芯-鞘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和巨大的超級(jí)電容值，有效避免了傳統(tǒng)靜電電容式傳感陣列中相鄰像素點(diǎn)之間的串?dāng)_[106]。

棉織物（棉布）的內(nèi)部具有氣隙微結(jié)構(gòu)，且表面粗糙，為制備柔性高靈敏觸覺(jué)傳感器提供了新的方案。Zhang等[107]和Deng等[108]都提出了使用柔性聚二甲基硅烷（PDMS）和碳化棉織物（CCF）制備柔性觸覺(jué)傳感器的想法，但是CCF較低的導(dǎo)電性能限制了傳感靈敏度。Zhang等[109]進(jìn)一步通過(guò)PDMS的紫外光固化來(lái)錨定CCF，通過(guò)堆疊方式制備出具有多層結(jié)構(gòu)的壓阻式觸覺(jué)傳感器（圖3d）），其靈敏度高達(dá)13.89 kPa-1（0～6 kPa區(qū)間），可用于檢測(cè)氣流以及微振動(dòng)。Zheng等[110]基于具有豐富羥基的棉織物（MCF）與具有官能團(tuán)的MXene 構(gòu)建出有效的纖維基導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，成功制備出基于MXene/MCF 的高靈敏度柔性壓阻式觸覺(jué)傳感器。但是，其使用PDMS 和PI 膜進(jìn)行整體封裝，導(dǎo)致傳感器不具有透氣性，故不適合長(zhǎng)期穿戴使用。Du?dem 等[75]利用棉織物表面的粗糙度，有效提高了基于聚苯胺（PANi）涂層的柔性耐磨摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG）的輸出性能，可固定于T恤衫和褲子上，并成功地從各種人體運(yùn)動(dòng)（例如，向后傾斜、坐著和手部運(yùn)動(dòng)）中獲取能量（圖3e））。

3.1.2 絲基纖維傳感器

蠶絲是中國(guó)古代文明產(chǎn)物之一，由熟蠶結(jié)繭時(shí)所分泌絲液凝固而成，可用于織制各種綢緞和針織品。由于蠶絲中具有豐富的動(dòng)物蛋白成分，對(duì)某些敏感皮膚有著特殊的止癢效果[111-112]，還具有良好的拉伸性能，且可進(jìn)行大規(guī)模的生產(chǎn)加工[113]。

Wang等[114]通過(guò)熱處理技術(shù)將絲綢織物轉(zhuǎn)化為碳化絲織物（CSF），使其具有良好的導(dǎo)電性和能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)性能，首次證明了CSF用于制作超拉伸壓阻式觸覺(jué)傳感器的可行性，該傳感器可用于監(jiān)測(cè)人體生理信號(hào)和肢體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。Lu 等[82]受向日葵花盤獨(dú)特結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，在CSF 上原位生長(zhǎng)出垂直排列的二硫化鉬（MoS2）納米片層結(jié)構(gòu)，并將其用作柔性觸覺(jué)傳感器的傳感材料，制備出具有較高靈敏度和良好穩(wěn)定性的壓阻式傳感器。Zhang等[115]利用3D打印技術(shù)將碳納米管（CNT）作為核芯纖維，絲素蛋白（SF，占蠶絲纖維總量的80%）作為鞘層材質(zhì)制備出芯鞘纖維，并打印到織物上，用作TENG從人體運(yùn)動(dòng)中獲取機(jī)械能而后為儲(chǔ)能單元超級(jí)電容器充電，為制備柔性纖維基觸覺(jué)傳感器提供了新的設(shè)計(jì)方案（圖3f））。Wu等[116]開發(fā)了一種全織物無(wú)線檢測(cè)電容式觸覺(jué)傳感器（圖3g）），將絲織物作為纖維電極基底，高彈性三維穿透織物作為電介質(zhì)層，并將耐磨光纖電感線圈嵌入織物中進(jìn)行無(wú)線信號(hào)傳輸，擺脫了傳統(tǒng)有線器件的笨重化限制。

3.1.3 麻基纖維傳感器

亞麻纖維被譽(yù)為“天然纖維中的皇后”，具有良好的生物相容性、可編織性和超強(qiáng)的彎曲能力。其獨(dú)特的管狀式細(xì)胞排列結(jié)構(gòu)使其透氣比率是普通棉的4倍。其在與人體皮膚接觸后，還能吸收汗液和保持熱量，對(duì)人體皮膚無(wú)害。

Shu等[117]以銀納米線/亞麻纖維為芯材質(zhì)制備出導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，以磁流變彈性體（MRE）為外部軟殼，研制出一種具有力敏和磁響應(yīng)雙重傳感功能的壓阻式傳感器。但是亞麻纖維的強(qiáng)度較高，導(dǎo)致該傳感器的拉伸性能較差，且傳感器外部的磁流變彈性體軟殼在一定程度上犧牲了亞麻纖維的透氣性能。Liang等[118]將亞麻織物碳化，然后與石墨烯和銀納米結(jié)合，制備出高靈敏度、可拉伸的柔性壓阻式觸覺(jué)傳感器?？椢镅苌疾牧媳旧韺儆诜蔷B(tài)碳材料，其導(dǎo)電性和微結(jié)構(gòu)有限，但是可以通過(guò)與高導(dǎo)電且具有微結(jié)構(gòu)的石墨烯和銀納米線集成[119]，提升傳感器的導(dǎo)電性和靈敏度。He等[120]以亞麻織物為基底，在其上涂覆rGO成功制備出柔性壓阻式觸覺(jué)傳感器（圖3h））。該傳感器具有良好的透氣性、透濕性甚至耐洗性，更加接近穿戴織物的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。

3.1.4 毛基纖維傳感器

人體每小時(shí)產(chǎn)生大約60～840 mL的蒸汽水[121]，因此，貼附皮膚的穿戴式傳感器需要滿足在體溫、汗液和蒸汽多重環(huán)境下的正常工作需求。由于棉、絲、亞麻等具有親水性，能夠?qū)⑺治?，但是不能將水分傳輸?shù)酵獗砻?，這將導(dǎo)致基于其做成的傳感器內(nèi)部潮濕，影響傳感材質(zhì)的導(dǎo)電性和檢測(cè)精度。與之相比，毛纖維是從動(dòng)物身上取得的纖維，其表面具有豐富的特殊微孔結(jié)構(gòu)，可將水分傳輸?shù)酵獗砻鎇122]。其中，羊毛纖維是最常見(jiàn)的毛纖維，是羊的皮膚變形物，具有出色的吸濕性，并且其保暖效果極佳，是天然纖維中彈性恢復(fù)性最好的纖維[123]。

Gurarslan等[124]充分利用羊毛纖維表面獨(dú)特的鱗片結(jié)構(gòu)，在羊毛織物上涂覆銀納米線得到纖維電極，并制備出柔性電容式觸覺(jué)傳感器，可用于監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和腹部呼吸。Xu等[123]提出了一種基于rGO復(fù)合羊毛針織物的柔性壓阻式觸覺(jué)傳感器（圖3i）），其在充滿蒸汽水分甚至液態(tài)水分的環(huán)境條件下仍表現(xiàn)出正常的傳感性能，并可與其他織物無(wú)縫集成，用于檢測(cè)人體的細(xì)微動(dòng)作（例如，呼吸、手勢(shì)）。

圖3 天然纖維基柔性觸覺(jué)傳感器：a）浸泡在rGO 溶液中的脫脂棉片示意圖以及導(dǎo)電rGO 棉壓力傳感器[104]；b）紡織壓力傳感器的制造工藝示意圖[105]；c）傳感器單元和傳感器陣列的示意圖[11]；d）5 層壓阻式觸覺(jué)傳感器制造工藝示意圖[109]；e）PANi 在舊棉織物表面的沉積過(guò)程[75]；f）在紡織品上使用同軸噴絲板的3D 打印過(guò)程[115]；g）全織物無(wú)線檢測(cè)電容式壓力傳感器[116]；h）亞麻織物傳感器的制備工藝[120]；i）rGO/羊毛針織物應(yīng)變傳感器的制造過(guò)程示意圖[123]Fig.3 Flexible natural fiber-based tactile sensors:a)Schematic of degreasing the cotton pieces soaked in the rGO solution and the conductive rGO cotton pressure sensors[104];b)Schematic showing the fabrication process of the textile pressure sensor[105];c)Schematic of the sensor unit and sensor array[11];d)Schematic showing the fabrication process of the five-layered piezoresistive pressure sensor[109];e)Deposition process of the PANi onto the surface of the worn-out cotton textile[75];f)Schematic showing the 3D printing process using a coaxial spinneret on textile[115];g)Schematic of the wireless passive inductor-capacitor monitoring pressure sensor[116];h)Preparation process of the Linen fabric sensor[120];i)Schematic showing the fabrication process of the rGO/wool-knitted fabric strain sensor[123]

3.2 以合成纖維為基底的柔性觸覺(jué)傳感器

合成纖維是指由合成高分子化合物做原料加工而成的纖維，包括聚丙烯纖維（丙綸/PP）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯纖維（滌綸/PET）、聚酯纖維、聚氨酯纖維（氨綸/PU）等。與天然纖維相比，合成纖維具有強(qiáng)度高、彈性好、耐磨、耐化學(xué)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。但是，合成纖維的吸水性和透氣性不如天然纖維。

3.2.1 聚丙烯纖維基傳感器

聚丙烯纖維以聚丙烯（PP）為主要原料，是由獨(dú)特的制造工藝加工而成的高強(qiáng)度束狀單絲纖維，是無(wú)毒無(wú)害的安全材料。其表面粗糙，具有良好的分散性和與水泥基體的粘接力，被廣泛應(yīng)用于地下工程防水、工業(yè)民用建筑工程、道路和橋梁工程等領(lǐng)域。Tian等[125]受枕頭復(fù)合層次結(jié)構(gòu)（內(nèi)部填充穩(wěn)定的纖維或羽毛以支撐來(lái)自人體的壓力，外部枕套包裹內(nèi)部填充物維持枕頭的形狀）的啟發(fā)，構(gòu)造了一個(gè)類枕型三維分層的壓阻式觸覺(jué)傳感器（圖4a）），其內(nèi)部填充PP纖維，外部由鍍銀織物和氨綸織物通過(guò)簡(jiǎn)易的熱粘合技術(shù)組合成口袋形狀。該傳感器可用于監(jiān)測(cè)人體的生理活動(dòng)，例如，呼吸頻率和睡眠姿勢(shì)。但是，枕形結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使得傳感器的透氣性下降，影響了穿戴的舒適性。

3.2.2 聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯纖維基傳感器

聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）纖維是合成纖維中產(chǎn)量最高的一種纖維，在物理機(jī)械性、耐熱性等方面性能優(yōu)異。Zhang 等[126]設(shè)計(jì)了一種具有自保護(hù)和可再生能力的紡織壓電式觸覺(jué)傳感器（圖4b）），其由導(dǎo)電CNT網(wǎng)絡(luò)、聚吡咯-聚多巴胺-全氟十二烷基三乙氧基硅烷（PPy-PDA-PFDS）聚合物層和PET紡織襯底組成。該傳感器對(duì)油和水都具有超強(qiáng)的排斥性，并且可以在嚴(yán)重的機(jī)洗或膠帶剝離周期后進(jìn)行再生，可用于連續(xù)、長(zhǎng)期的人體行為監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互和水/汗暴露條件下的機(jī)器人學(xué)習(xí)。圍繞該傳感器，研發(fā)出觸覺(jué)傳感陣列智能手套和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并與機(jī)器手組成集成人機(jī)交互系統(tǒng)。通過(guò)人體每根手指操控機(jī)器手的同步運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)用3個(gè)連續(xù)的手勢(shì)表示“我”、“愛(ài)”、“你”，人體手指甚至可以在生理鹽水環(huán)境中完成操控。

圖4 合成纖維基柔性觸覺(jué)傳感器：a）枕形壓力傳感器的制備過(guò)程、結(jié)構(gòu)和壓阻效應(yīng)示意圖[125]；b）自保護(hù)可再生的電子紡織品傳感器（SPRET）的制作及其在人機(jī)交互中的應(yīng)用[126]；c）用全織物摩擦電傳感器（ATTSs）縫制智能手套的制作過(guò)程以及控制機(jī)器手爪抓取不同物體[127]；d）導(dǎo)電MXene/CNC 涂層NWF 制備示意圖[128]；e）帶有電容傳感器單元的電子織物制造工藝示意圖[133]Fig.4 Flexible synthetic fiber-based tactile sensors:a)Schematic showing the preparation process,the structure and the piezoresistive effect of the pillow-shaped pressure sensor[125];b)Fabrication of the self-protective and reproducible e-textile sensor(SPRET)and its application in human-robot interaction[126];c)Fabrication procedure of the smart glove sewn with ATTSs and control of the machine gripper to grasp different objects[127];d)Schematic showing the preparation of the conductive MXene/CNC coated NWF[128];e)Schematic showing the fabrication process of the electronic fabric with a capacitive sensor unit[133]

3.2.3 聚酯纖維基傳感器

聚酯纖維屬于改性滌綸，能夠有效改善滌綸含水率低、染色性差、透氣性差、容易起球起毛、易沾污等缺點(diǎn)。聚酯纖維手感滑爽，具有良好的保形性、抗皺性、耐光性以及較高的強(qiáng)度與彈性恢復(fù)能力。但是，聚酯纖維的透氣性仍然較差。He等[127]構(gòu)建了一種全織物摩擦電傳感器，由不銹鋼和聚酯纖維制成的傳感紗線沿著手套的橫條方向通過(guò)尼龍紡織環(huán)來(lái)回縫合制成（圖4c））。這種蜿蜒的回路結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)越的可伸縮性能。將其集成到機(jī)器手爪上，可以實(shí)現(xiàn)人體手勢(shì)遠(yuǎn)程操控機(jī)器手爪，且能夠精確處理具有不同幾何形狀和精細(xì)材質(zhì)的物體，例如，紙張、雞蛋和水氣球等。

3.2.4 聚氨酯纖維基傳感器

聚氨酯（PU）纖維具有優(yōu)異的彈力，故又名彈性纖維。聚氨酯纖維具有良好的染色性和保形性，較好的耐酸、耐堿、耐光、耐磨性。但是，聚氨酯纖維的吸濕性差、強(qiáng)度差、耐熱性差，通常不單獨(dú)應(yīng)用，而是與其他面料進(jìn)行混紡使用。Li等[128]通過(guò)簡(jiǎn)單的浸涂技術(shù)手段在柔性熱塑性聚氨酯（TPU）無(wú)紡布上涂覆導(dǎo)電MXene/纖維素納米晶制得壓阻式觸覺(jué)傳感器（圖4d）），可用于人體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、生理信號(hào)采集和作為柔性電子皮膚。Liu等[129]制備出一種基于石墨烯/纖維素納米晶/涂層的TPU無(wú)紡布，并以其開發(fā)出壓阻式觸覺(jué)傳感器。通過(guò)在傳感器上浸涂疏水性氣相二氧化硅（Hf-SiO2）/乙醇分散體獲得超疏水性，使其具備優(yōu)異的防水性、耐腐蝕性和自清潔性，更加適用于真實(shí)的生活場(chǎng)景需求。

3.2.5 混合纖維基傳感器

盡管天然纖維已被廣泛應(yīng)用于柔性觸覺(jué)傳感器的研發(fā)，但是受宿主材料的影響，其可伸縮性較差且制造工藝相對(duì)復(fù)雜[130-131]。而將天然纖維與合成纖維相結(jié)合研發(fā)混合纖維，可以有效避免上述缺陷。Wang等[132]將具有高彈性的PU 纖維與棉混合制備出棉/PU 紗線，再將高導(dǎo)電的單壁CNT 引入研發(fā)出壓阻式觸覺(jué)傳感器。該傳感器在近30萬(wàn)次的循環(huán)測(cè)試中顯示出良好的反復(fù)拉伸性（可拉伸300%）和高度可靠的長(zhǎng)期循環(huán)穩(wěn)定性。You等[133]利用靜電紡絲技術(shù)，制備出可拉伸的rGO摻雜的PU納米纖維，并將其鍍鎳得到彈性復(fù)合紗線，可編織成大面積的電容式觸覺(jué)傳感器（圖4e））。彈性復(fù)合紗線具有螺旋結(jié)構(gòu)、電介質(zhì)層具有三維多孔納米纖維結(jié)構(gòu)，纖維電極具有高導(dǎo)電性，上述3個(gè)方面有效提高了傳感性能，可以精確量化映射測(cè)量出正常壓力、側(cè)向應(yīng)變和彎曲引起的機(jī)械應(yīng)力。

3.3 以超強(qiáng)合成纖維為基底的柔性觸覺(jué)傳感器

超強(qiáng)合成纖維包括碳纖維、凱夫拉（Kevlar）纖維、玻璃纖維、金屬纖維等[134]，其具有重量輕、力學(xué)性能優(yōu)越、抗腐蝕、耐高溫等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于建筑、航空航天、國(guó)防軍工、汽車等領(lǐng)域。但是，其制作工藝復(fù)雜且成本高昂，目前在柔性觸覺(jué)傳感研究領(lǐng)域應(yīng)用尚較少。

3.3.1 碳纖維基傳感器

碳纖維是含碳量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）超過(guò)90%的細(xì)長(zhǎng)絲狀物，具有高模量、高抗拉強(qiáng)度、高抗壓強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用作生物傳感器的電極材料[135]。Taherkhani等[136]提出了一種由切碎的碳纖維與硅橡膠構(gòu)成的膨脹凹形結(jié)構(gòu)，研發(fā)出具有高靈敏度的壓阻式應(yīng)變傳感器。該傳感器在6%以下應(yīng)變測(cè)量中具有極高的靈敏度，可用于監(jiān)測(cè)聲帶功能障礙、腕部脈搏、甚至是地球振動(dòng)等微弱動(dòng)作。Jang等[137]開發(fā)了一種可集成于服裝的壓阻式觸覺(jué)傳感器（圖5a）），其由鋁涂層紗、碳纖維紗和普通紗組成，具有優(yōu)異的拉伸性和恢復(fù)性，將其縫合到服裝進(jìn)行穿戴以檢測(cè)人體關(guān)節(jié)部位運(yùn)動(dòng)信息。

3.3.2 凱夫拉纖維基傳感器

凱夫拉（Kevlar）纖維具有超高模量和強(qiáng)度的特性，自20 世紀(jì)60 年代以來(lái)成為防彈領(lǐng)域最重要的材料。Liu等[138]制備了一種基于CNT和Kevlar的耐磨織物壓阻式觸覺(jué)傳感器（圖5b）），其對(duì)于動(dòng)態(tài)沖擊表現(xiàn)出良好的承受能力（高達(dá)1 232 N），可用于檢測(cè)人體各種運(yùn)動(dòng)信號(hào)。Deka等[139]使用連續(xù)激光刻蝕技術(shù)手段誘導(dǎo)氧化鋅（ZnO）納米結(jié)構(gòu)在碳纖維上均勻生長(zhǎng)，得到ZnO/碳纖維傳感電極，并以編織的Kevlar纖維片作為敏感材料，成功制備出壓阻式觸覺(jué)傳感器（圖5c）），可用于橋梁、建筑、航空航天和汽車等結(jié)構(gòu)問(wèn)題檢測(cè)以及不同類型設(shè)備的精確運(yùn)動(dòng)控制。

圖5 超強(qiáng)合成纖維基觸覺(jué)傳感器：a）手動(dòng)針織機(jī)的針織型織物陣列示意圖和照片[137]；b）CNT/STF/Kevlar 復(fù)合纖維的示意圖[138]；c）基于連續(xù)激光誘導(dǎo)ZnO 納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)的壓阻式觸覺(jué)傳感器[139]；d）石墨烯/電子玻璃纖維柔性傳感器的制備過(guò)程[141]；e）rGO@玻璃纖維/硅樹脂復(fù)合材料的制造示意圖[142]；f）管狀血管感知溫度變化擴(kuò)張或收縮以調(diào)節(jié)血液流量原理圖[143]Fig.5 Flexible super-synthetic fiber-based tactile sensors:a)Schematic and photos of the knitted-type textile sensor array using a hand-knitting machine[137];b)Schematic of the CNT/STF/Kevlar composite[138];c)Schematic showing the fabrication of the piezoresistive sensor using the continuous laser-induced ZnO nanostructure[139];d)Schematic showing the preparation of the flexible sensor with graphene/E-glass fiber[141];e)Schematic showing the fabrication of the rGO@glass fiber/silicone composite[142];f)Schematic showing the principle of the tubular blood vessel for regulating blood flow upon temperature variation[143]

3.3.3 玻璃纖維基傳感器

玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度高、耐腐、不燃、絕緣性好，但其性脆大、耐磨性較差。Moriche等[140]將石墨烯納米片涂覆在玻璃纖維織物上制備出壓阻式觸覺(jué)傳感器。但是，玻璃纖維自身的屬性導(dǎo)致該傳感器的彎曲能力較弱。Ma等[141]研發(fā)了一種由玻璃纖維、石墨烯涂層和聚合物基體組成的具有層-纖維-層復(fù)合結(jié)構(gòu)的壓阻式觸覺(jué)傳感器（圖5d）），可用于檢測(cè)手指的運(yùn)動(dòng)。Fu等[142]使用rGO涂覆玻璃纖維織物與硅復(fù)合制備出壓阻式觸覺(jué)傳感器（圖5e）），具有很高的抗拉強(qiáng)度，該傳感器可承受超過(guò)800 N的外部施加壓力，并且可用于檢測(cè)腕部運(yùn)動(dòng)。

3.3.4 金屬纖維基傳感器

金屬纖維由連續(xù)分布的、橫向尺寸在微米級(jí)的金屬纖維材料組成，具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)磁、導(dǎo)熱和耐高溫的性能。Wu等[143]受人體血管感知溫度變化的啟發(fā)，在管狀通道中注入低毒性液態(tài)金屬，制備出具有生物相容性的金屬纖維壓阻式觸覺(jué)傳感器（圖5f））。該傳感器具有低模量、高導(dǎo)電以及無(wú)滯后的特性，在可拉伸電子設(shè)備、人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)視器、智能服裝等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。Cooper等[144]將液態(tài)金屬注入到極易拉伸的彈性纖維芯中，經(jīng)過(guò)纏繞成螺旋狀制備出電容式觸覺(jué)傳感器，可以檢測(cè)高達(dá)10 800 rad/m的扭轉(zhuǎn)變化。

3.4 柔性纖維基觸覺(jué)傳感器應(yīng)用研究總結(jié)

在不同纖維基底種類傳感器中，天然纖維基底傳感器透氣性強(qiáng)、響應(yīng)時(shí)間快，其與人體皮膚接觸，不會(huì)發(fā)生任何刺激現(xiàn)象，且由于纖維本身的性質(zhì)，對(duì)皮膚會(huì)產(chǎn)生防菌、止癢等效果。但是其靈敏度、檢測(cè)范圍等性能也受到其自身因素的影響，導(dǎo)致其較低的靈敏度和較窄的檢測(cè)范圍，并且其彈性較差、縮水率較大、容易起皺和變形。合成纖維基底傳感器具有較高的靈敏度和較強(qiáng)的耐洗性可用于大面積集成，但是其由合成高分子化合物作為原材料，導(dǎo)致其吸水性和透氣性不如天然纖維。超強(qiáng)合成纖維基底傳感器具有較寬的檢測(cè)范圍和較強(qiáng)的拉伸性能，但是由于其強(qiáng)度高，導(dǎo)致傳感器具有較低的靈敏度。圖6總結(jié)了不同纖維基底種類傳感器在纖維材料、傳感原理、功能類型方面的最新進(jìn)展，包括其靈敏度、檢測(cè)范圍和響應(yīng)時(shí)間等。其中，壓阻和電容是常用的信號(hào)傳導(dǎo)方法，要開發(fā)具有優(yōu)異傳感能力的傳感組件，選擇合適的纖維材料以及相關(guān)的信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制至關(guān)重要。

圖6 基于不同纖維基底種類傳感器性能對(duì)比圖Fig.6 Performance comparison of sensors based on different types of fiber substrates

目前，柔性纖維基觸覺(jué)傳感器已在眾多領(lǐng)域中展現(xiàn)出其巨大的應(yīng)用潛力，如電子皮膚、人體運(yùn)動(dòng)捕捉、保健與康復(fù)（如聲帶功能障礙）、生理活動(dòng)監(jiān)測(cè)和人機(jī)交互（如手部遠(yuǎn)程控制機(jī)器人手）等。研究人員根據(jù)傳感器的負(fù)載范圍對(duì)以上方面進(jìn)行了不同程度的研究，為了更好地了解特定壓力分布以及相關(guān)傳感裝置的應(yīng)用場(chǎng)景，將壓力分為5個(gè)范圍：超低壓力（<1 Pa）、微壓（1 Pa～1 kPa）、低壓（1～10 kPa）、中壓（10～100 kPa）、高壓（>100 kPa）。在所有的領(lǐng)域中，最成熟、最成功的是在中壓狀態(tài)（10～100 kPa）下用于人體生理活動(dòng)檢測(cè)的纖維基傳感器，這些傳感器可應(yīng)用于呼吸、脈搏、體重足底壓力以及高海拔大氣壓力的監(jiān)測(cè)，其一般器件形式為傳感單元。但由于大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集設(shè)備的大型化以及數(shù)據(jù)傳輸尚未實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸，該類型設(shè)備也只是作為功能性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，還無(wú)法推廣到日常生活中的實(shí)際應(yīng)用。柔性纖維器件的大面積集成可制造出有源傳感矩陣，它往往是電子皮膚應(yīng)用的理想候選，其應(yīng)在微壓（1 Pa～1 kPa）范圍內(nèi)操作，其響應(yīng)時(shí)間應(yīng)與人體皮膚響應(yīng)時(shí)間（30～50 ms）大致相同或更快。在人體運(yùn)動(dòng)捕捉領(lǐng)域中，對(duì)于大型動(dòng)作捕捉（如行走、肘部彎曲）需在高壓狀態(tài)（>100 kPa）范圍內(nèi)進(jìn)行，對(duì)于微型動(dòng)作（如眼內(nèi)壓和顱內(nèi)壓）以及溫和的操作物品產(chǎn)生的每日壓力需在低壓狀態(tài)（1～10 kPa）范圍內(nèi)進(jìn)行，同時(shí)纖維器件需具有高拉伸性、回彈性、穩(wěn)定性等其他優(yōu)異的性能。由于大部分低于1 Pa的范圍被定義為超低壓狀態(tài)，雖然這種超低壓很少出現(xiàn)在日?；顒?dòng)中，但仍然值得注意的是，聲壓是該范圍內(nèi)的一個(gè)壓力示例，典型的纖維基觸覺(jué)傳感器很難感知到聲壓。其他領(lǐng)域的研究要求纖維基傳感器具有廣泛的性能（如防水性、耐腐蝕性、自清潔性等），且可適用于不同場(chǎng)景以及不受周圍環(huán)境等其他因素的影響。因此，具有多性能纖維基傳感器的實(shí)現(xiàn)還存在著眾多的挑戰(zhàn)。

4 總結(jié)與展望

本文綜述了柔性纖維基觸覺(jué)傳感器的研究現(xiàn)狀。纖維可以任意地拉伸、扭曲、變形和壓縮，且具有重量輕、高比表面積、透氣性、變形恢復(fù)性、靈活性和穿著舒適性等優(yōu)點(diǎn)，是研發(fā)柔性纖維狀觸覺(jué)傳感器的關(guān)鍵基底材質(zhì)。目前，使用天然纖維、合成纖維、超強(qiáng)合成纖維已經(jīng)制備出壓阻式、電容式、壓電式以及摩擦電式柔性纖維狀觸覺(jué)傳感器，使得傳感器具有重量輕、靈敏度高、檢測(cè)量程寬、柔韌性好、透氣性強(qiáng)等優(yōu)異性能。這些傳感器件的形式主要包括同軸纖維、雙線纖維、傳感單元以及傳感陣列等，在生理活動(dòng)監(jiān)測(cè)、電子皮膚、人體運(yùn)動(dòng)捕捉、保健與康復(fù)、人機(jī)交互、能量管理、熱管理、疾病預(yù)警等應(yīng)用中表現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

盡管柔性纖維基觸覺(jué)傳感器取得了階段性進(jìn)展，但是仍有一些問(wèn)題亟待解決。首先，纖維織物的表面存在波浪狀等微結(jié)構(gòu)，雖然有助于提升拉伸和壓縮性能和彈性恢復(fù)能力，但是過(guò)于疏松的結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致負(fù)載導(dǎo)電材料得到的復(fù)合纖維電極的導(dǎo)電性能下降。因此，如何平衡上述兩者效應(yīng)之間的關(guān)系以得到兼具高傳感靈敏性和大拉伸性能的復(fù)合纖維仍然需要深入探索。第二，通過(guò)引入微結(jié)構(gòu)的途徑能夠提升傳感器的可壓縮和可拉伸性能，但是會(huì)導(dǎo)致傳感曲線呈現(xiàn)出兩段甚至三段的線性區(qū)間現(xiàn)象，這就需要在信號(hào)處理方面使用復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)。因此，如何在保持高靈敏度和線性度的前提下提升傳感測(cè)量范圍，仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。第三，若傳感器長(zhǎng)期穿戴使用，人類日常代謝活動(dòng)所引起的蒸汽濕度或潮濕環(huán)境條件（例如，體液、汗液）會(huì)影響到與皮膚緊密貼附的傳感器的結(jié)構(gòu)材質(zhì)。因此，研發(fā)疏水防汗或耐受其他環(huán)境材料侵襲的封裝材質(zhì)甚至是傳感材質(zhì)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)傳感器的長(zhǎng)期穿戴可靠使用具有重要的意義。第四，目前報(bào)道的新型柔性傳感器大都通過(guò)龐雜的導(dǎo)線連接實(shí)現(xiàn)能量的供給和信號(hào)的傳輸，亦可作為功能性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但是針對(duì)實(shí)際穿戴應(yīng)用則存在弊端。因此，實(shí)現(xiàn)能量的無(wú)線供給和信號(hào)的無(wú)線傳輸是一個(gè)有前景的研究方向。第五，纖維基傳感器的優(yōu)勢(shì)就是易于與人們?nèi)粘４┐鞯目椢锛?，而日常生活中服裝的洗滌是不可避免的。因此，纖維基傳感器的柔型封裝以及耐洗性研究也變得非常重要。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，需要來(lái)自許多不同領(lǐng)域的專業(yè)科研人員共同努力，包括纖維紡織科學(xué)家、物理學(xué)家、聚合物化學(xué)家、生物工程師、軟件工程師和機(jī)電工程師等，通過(guò)多學(xué)科領(lǐng)域交叉協(xié)作的方式，在纖維基傳感器的組成材料、器件結(jié)構(gòu)、傳感性能、纖維特性、織物集成、信號(hào)采集與處理、智能應(yīng)用等流程開展全面研究，進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)突破，解決實(shí)用化問(wèn)題，盡早將其實(shí)際應(yīng)用人體健康監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)識(shí)別、人機(jī)智能交互等領(lǐng)域。