纖維材料與可穿戴技術(shù)的融合與創(chuàng)新

王 棟， 卿 星， 蔣海青1,， 鐘衛(wèi)兵， 李沐芳1,

(1. 武漢紡織大學(xué) 湖北省紡織新材料及其應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430200； 2. 武漢紡織大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 湖北 武漢 430200； 3. 東華大學(xué) 化學(xué)化工與生物工程學(xué)院, 上海 201620)

在柔性可穿戴產(chǎn)品商品化，人工智能、智能制造等新興產(chǎn)業(yè)群蓬勃發(fā)展的大背景下，全球市場(chǎng)逐漸涌現(xiàn)出一批被廣泛應(yīng)用于健康監(jiān)測(cè)、移動(dòng)通信、軍事、體育、教育和娛樂(lè)等領(lǐng)域的智能可穿戴產(chǎn)品，如蘋(píng)果智能手表、小米智能手環(huán)、索尼智能頭盔、耐克智能鞋等，但傳統(tǒng)攜帶式可穿戴電子設(shè)備無(wú)法滿(mǎn)足人們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)輕、柔順、體積小、穿著舒適、功能齊全等全方位需求。

纖維材料是紡織品的基本組成單元，具有柔軟、輕便、吸濕、透氣、可編織等特點(diǎn)，基于紡織、材料、電子、通信、生物、能源等多學(xué)科交叉領(lǐng)域的柔性智能可穿戴紡織品為解決上述柔性智能可穿戴領(lǐng)域面臨的困境提供了新的解決思路。本文綜述了可穿戴技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程，纖維材料與智能可穿戴技術(shù)的融合方式與發(fā)展前景；介紹了纖維材料與智能可穿戴技術(shù)在脈搏及運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)型應(yīng)變傳感器、離子檢測(cè)與葡萄糖傳感等生化檢測(cè)型有機(jī)電化學(xué)晶體管、超級(jí)電容器及微生物燃料電池等領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用。

1 可穿戴技術(shù)

1.1 可穿戴技術(shù)概述

可穿戴技術(shù)萌芽于20世紀(jì)60年代，是一種將多媒體、傳感器和無(wú)線(xiàn)通信等技術(shù)嵌入服裝且滿(mǎn)足手勢(shì)和眼動(dòng)等操作需求的技術(shù)[1]，該技術(shù)經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)跌宕起伏的發(fā)展，已成為21世紀(jì)最引人矚目的技術(shù)熱點(diǎn)之一[2-3]。2012年谷歌眼鏡的發(fā)布標(biāo)志著智能可穿戴設(shè)備元年開(kāi)啟，隨后幾年由于全球互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、電子封裝技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、機(jī)械加工工藝和系統(tǒng)集成等技術(shù)迅猛發(fā)展，一系列可穿戴智能產(chǎn)品逐漸問(wèn)世[4-5]。目前絕大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室研制的智能可穿戴前沿產(chǎn)品普遍無(wú)法克服性能缺陷或批量生產(chǎn)難題，市面上主流的智能可穿戴產(chǎn)品大多面臨產(chǎn)品功能單一、續(xù)航能力低、價(jià)格昂貴、穿著舒適性差或可“戴”不可“穿”等困境，無(wú)法滿(mǎn)足大眾需求，同時(shí)嚴(yán)重限制了可穿戴產(chǎn)品市場(chǎng)空間?；谝陨蠁?wèn)題，學(xué)術(shù)界、工業(yè)界甚至各國(guó)軍方關(guān)于智能可穿戴產(chǎn)品討論十分熱烈，但全球智能可穿戴市場(chǎng)卻一直引而不發(fā)。

1.2 纖維基柔性智能可穿戴技術(shù)發(fā)展前景

柔性智能可穿戴技術(shù)是涉及多個(gè)交叉學(xué)科的系統(tǒng)工程。利用纖維材料制備柔性智能可穿戴產(chǎn)品的常見(jiàn)方法有3種：第一，研發(fā)智能纖維或智能紗線(xiàn)，通過(guò)針織、機(jī)織等織造方法直接生產(chǎn)智能可穿戴紡織品；第二，利用后整理等技術(shù)手段賦予普通纖維或紡織品適用于可穿戴產(chǎn)品的特殊功能；第三，將外接智能器件無(wú)縫融合到紡織品中。與其他智能可穿戴產(chǎn)品基材相比，一維結(jié)構(gòu)的纖維材料具有價(jià)格低，質(zhì)量輕，體積小，易編織等優(yōu)點(diǎn)，且柔性可彎曲的纖維基器件可滿(mǎn)足人體三維扭曲形變需求，實(shí)現(xiàn)器件與人體皮膚最大程度上的貼合，改善產(chǎn)品散熱、透氣、導(dǎo)濕等穿著舒適性難題，為解決當(dāng)前柔性智能可穿戴領(lǐng)域面臨的困境提供了新的解決思路。綜上，纖維的智能化發(fā)展、可穿戴技術(shù)與智能纖維、智能紡織品的融合創(chuàng)新是突破柔性智能可穿戴產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸的客觀需求和必然趨勢(shì)。

2 纖維基可穿戴應(yīng)變傳感器

近年來(lái)，人類(lèi)健康意識(shí)隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展顯著增強(qiáng)，笨重而固定的醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備已遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足消費(fèi)者需求[6]。應(yīng)變傳感器因尺寸小、質(zhì)量輕、響應(yīng)時(shí)間短、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)在人體生理信號(hào)檢測(cè)[7]、表情識(shí)別[8]、醫(yī)療保健和運(yùn)動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[9]等領(lǐng)域均具有廣闊應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)應(yīng)變傳感器很難與人體皮膚緊密貼合，其靈敏性、透氣性差，難以滿(mǎn)足可穿戴設(shè)備發(fā)展要求[10]。近年來(lái)基于柔性聚合物的新型可穿戴應(yīng)變傳感器發(fā)展迅猛[11]，其中聚二甲基硅氧烷(PDMS)因質(zhì)地柔軟[12]、輕薄、低模、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定[13]、回彈性能好[14]等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于柔性可穿戴應(yīng)變傳感器。然而這類(lèi)彈性體結(jié)構(gòu)致密，即使構(gòu)筑再完美的微觀結(jié)構(gòu)，也很難貼合于人體皮膚或人形機(jī)器人的不規(guī)則表面，進(jìn)而形成褶皺影響器件性能。而纖維基應(yīng)變傳感器可保證器件對(duì)人體有良好的貼合性。

Zhong等[15]利用納米纖維構(gòu)筑了表面具有規(guī)整凸起狀微觀陣列結(jié)構(gòu)的電阻式壓力傳感器。通過(guò)微陣列中的聚烯烴彈性體(POE)納米纖維支架感知極小的壓力并形成互鎖結(jié)構(gòu)，造成膜間距減小，導(dǎo)電通路增多，電阻降低；反之則電阻增大。該納米纖維基膜傳感器摩擦因數(shù)較大，可有效解決與皮膚間貼合性差等問(wèn)題。將所制備的傳感膜裁剪成創(chuàng)口貼大小貼在手腕上，再通過(guò)藍(lán)牙設(shè)備將脈搏產(chǎn)生的壓力信號(hào)傳輸?shù)绞謾C(jī)上，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體脈搏的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。同時(shí)，傳感器檢測(cè)的脈搏信號(hào)與專(zhuān)業(yè)心電設(shè)備測(cè)得的心電圖信號(hào)波形及其相似，說(shuō)明其在柔性可穿戴式人體生理信號(hào)檢測(cè)領(lǐng)域具有巨大的實(shí)際應(yīng)用前景。

基于連續(xù)束狀納米纖維的制備方法[16]，Zhong等[17]嘗試設(shè)計(jì)了可直接制備成拉伸應(yīng)變傳感器的束狀納米纖維基智能紗線(xiàn)，該紗線(xiàn)具有導(dǎo)電、回彈性及形變可逆等特點(diǎn)。通過(guò)解纏結(jié)和表面作用力將銀納米線(xiàn)固定到制備好的納米纖維束表面或者淺層，進(jìn)而形成可逆的導(dǎo)電通路。將該纖維基傳感器放置在膝關(guān)節(jié)處、脖子或眼睛周?chē)?，可有效監(jiān)測(cè)人體不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、發(fā)音或表情引起的強(qiáng)弱拉力信號(hào)。這表明該傳感器在運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、表情識(shí)別、甚至醫(yī)療美容等領(lǐng)域具有可觀的應(yīng)用前景。另外，這種紗線(xiàn)可被編織成各式各樣的智能紡織品，如將該紗線(xiàn)傳感器織到襪子里，當(dāng)測(cè)試者站立、踮腳或跳躍時(shí)傳感器通過(guò)藍(lán)牙可輸出非常明顯的信號(hào)變化。

3 纖維基可穿戴有機(jī)電化學(xué)晶體管

有機(jī)電化學(xué)晶體管(OECTs)因工作電壓低(小于1 V)，可有效防止電解質(zhì)水解，其柵電極和源漏極可分開(kāi)制備，融入織物組織的可操作性強(qiáng)，可被應(yīng)用于柔性可穿戴領(lǐng)域[18-19]。其中柵極材料經(jīng)過(guò)特殊處理后可被應(yīng)用于生化物質(zhì)檢測(cè)，如唾液[20]、葡萄糖[21]、酒精[22]、乳酸[23]、離子[24]、多巴胺[25]等。

3.1 離子傳感領(lǐng)域

纖維基有機(jī)電化學(xué)晶體管(FECTs)所用導(dǎo)電纖維電極不僅擁有優(yōu)異的電學(xué)性能，同時(shí)兼具纖維材料良好的柔順性和可編織性，在柔性傳感、生化檢測(cè)、健康管理、智能醫(yī)療等新興產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景廣受矚目[21,26]。

Wang等[26]先將納米纖維(NFs)與錦綸(PA6)復(fù)合，再通過(guò)原位聚合聚吡咯(PPy)后得到導(dǎo)電纖維。使用NFs可增大纖維比表面積，誘導(dǎo)形成PPy納米線(xiàn)。由該導(dǎo)電纖維組裝成的FECTs器件的溝道電流(Ids)對(duì)K+、Ca2+、Pb2+和Al3+均有明顯響應(yīng)，對(duì)Pb2+響應(yīng)靈敏性最佳，其電流變化率由大到小為Pb2+、K+、Ca2+、Al3+。通過(guò)研究不同Pb2+濃度對(duì)器件轉(zhuǎn)移曲線(xiàn)影響時(shí)發(fā)現(xiàn)：隨著Pb2+濃度增加，Ids逐漸減小。器件對(duì)不同Pb2+濃度溶液響應(yīng)程度各不相同，因此其可用于Pb2+檢測(cè)。由此可見(jiàn)，F(xiàn)ECTs可有效檢測(cè)金屬離子，為實(shí)現(xiàn)基于健康監(jiān)測(cè)的柔性智能可穿戴器件開(kāi)拓了新思路。

3.2 葡萄糖傳感領(lǐng)域

健康人體血糖濃度值為3.8～6.1 mmol/L[27]、而糖尿病患者血糖濃度往往高于9 mmol/L[28]。目前絕大多數(shù)血糖儀均為侵入式，易造成創(chuàng)口感染，消費(fèi)者迫切希望研發(fā)一款非侵入式唾液或汗液血糖檢測(cè)儀。

Wang等[29]在普通PA6纖維表面復(fù)合還原氧化石墨烯(rGO)薄膜后通過(guò)原位聚合PPy后獲得相互交錯(cuò)的三維網(wǎng)狀PPy納米線(xiàn)作為活性材料，PPy納米線(xiàn)直徑約200～300 nm。PPy/rGO/PA6纖維經(jīng)葡萄糖氧化酶和生物相容性膜溶液處理后制備FECTs柵電極，然后將其組裝成葡萄糖傳感器。葡萄糖濃度范圍為1～1×106nmol/L時(shí)該傳感器可在0.5 s內(nèi)產(chǎn)生明顯電流響應(yīng)，且5 s 內(nèi)可達(dá)到相對(duì)平衡狀態(tài)；葡萄糖濃度范圍為1～5 000 nmol/L，傳感器在該區(qū)間展現(xiàn)出明顯的線(xiàn)性相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.936 8，特異性曲線(xiàn)顯示器件對(duì)2種常用干擾物質(zhì)尿酸(UA)和氨基酸(AA)無(wú)特殊反應(yīng)，但對(duì)葡萄糖溶液響應(yīng)明顯；且檢測(cè)同一濃度葡萄糖溶液具有優(yōu)異重現(xiàn)性。該FECTs基葡萄糖傳感器檢測(cè)下限可低至1 nmol/L，滿(mǎn)足非侵入式唾液血糖儀檢測(cè)要求。

4 纖維基可穿戴超級(jí)電容器

超級(jí)電容器具有能量密度大、功率密度高、循環(huán)穩(wěn)定性?xún)?yōu)異、環(huán)境友好等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最高效的能量?jī)?chǔ)存器件之一[30]。隨著智能可穿戴技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的剛性電極超級(jí)電容器已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足使用需求，纖維基柔性可穿戴超級(jí)電容器引起人們廣泛關(guān)注。

Liu等[31]使用纖維基材料制備超級(jí)電容器前對(duì)基材進(jìn)行了各種功能化處理，在聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)非織造布上涂覆NFs，涂覆后電極表面比表面積、活性物含量均大幅提升；調(diào)節(jié)表面活性劑用量，通過(guò)化學(xué)氧化法在納米纖維表面合成顆粒狀、棒狀和線(xiàn)狀導(dǎo)電高分子。結(jié)果表明線(xiàn)狀的導(dǎo)電高分子電化學(xué)性能優(yōu)于顆粒狀或棒狀。將含線(xiàn)狀導(dǎo)電高分子電極材料組裝成全固態(tài)柔性超級(jí)電容器器件，發(fā)現(xiàn)電極在彎曲狀態(tài)下不會(huì)造成電阻的變化；不同的彎曲狀態(tài)不會(huì)影響器件容量和穩(wěn)定性，說(shuō)明該器件的柔順性極好，且性能穩(wěn)定，適合應(yīng)用于可穿戴技術(shù)。

5 纖維基微生物燃料電池

微生物燃料電池可將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化成電能，對(duì)緩解能源緊缺，解決環(huán)境污染具有重要的意義。普通微生物燃料電池存在能量密度低、循環(huán)穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)。陽(yáng)極材料是決定微生物燃料電池性能優(yōu)異與否的決定因素，而纖維由于具有較高的比表面和孔隙率，可作為微生物有機(jī)質(zhì)的優(yōu)質(zhì)載體，采用纖維基柔性電極制備微生物燃料電池陽(yáng)極材料在柔性可穿戴能源供給、儲(chǔ)能及轉(zhuǎn)化領(lǐng)域具有重要意義。

Tao等[32]將NFs涂覆在PET基材表面，原位聚合PPy后得到微生物燃料電池(MFCs)陽(yáng)極材料PPy/NFs/PET。結(jié)果表明線(xiàn)狀導(dǎo)電高分子更有利于電子傳遞，也為微生物的生長(zhǎng)繁殖提供了更多的活性中心，對(duì)葡萄糖的氧化分解效率也更高。在相同的電流密度下負(fù)載納米纖維陽(yáng)極材料輸出功率是未負(fù)載納米纖維陽(yáng)極材料輸出功率的16.8倍。當(dāng)加入葡萄糖后系統(tǒng)的負(fù)載分壓會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡值，但隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，葡萄糖的不斷消耗分解，系統(tǒng)的負(fù)載分壓就會(huì)開(kāi)始下降，重新補(bǔ)充葡萄糖后系統(tǒng)分壓又會(huì)重新升高，涂覆納米纖維的PPy/NFs/PET陽(yáng)極具有更高的系統(tǒng)負(fù)載分壓，這表明PPy/NFs/PET陽(yáng)極組成的系統(tǒng)具有更強(qiáng)的電能輸出能力。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著可穿戴產(chǎn)品智能終端化概念廣泛普及，柔性智能可穿戴技術(shù)已成為學(xué)術(shù)界和投資界的新風(fēng)口。纖維基柔性智能可穿戴產(chǎn)品憑借著其獨(dú)特的一維結(jié)構(gòu)，在可三維扭曲變形，可集成、可編織性，穿著舒適性等方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)，發(fā)展?jié)摿薮?，可被廣泛應(yīng)用于健康監(jiān)測(cè)、智能醫(yī)療、生化傳感和能量轉(zhuǎn)化與存儲(chǔ)等新興行業(yè)。同時(shí)，纖維基柔性智能可穿戴技術(shù)必然是一門(mén)學(xué)科交叉型技術(shù)，要真正實(shí)現(xiàn)該技術(shù)，需要多學(xué)科的共同努力將可穿戴技術(shù)無(wú)縫融合到紡織服裝領(lǐng)域，讓服裝具有像生命體一樣的感知、變化、記憶、伺服、記憶、甚至學(xué)習(xí)等功能，真正成為人類(lèi)的第2層皮。

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