基于智能服裝的柔性傳感器應(yīng)用與進(jìn)展

王 俠,于 淼，2，張春明，鄭廣澤，覃 蕊，劉津池

(1.青島大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，山東 青島 266071；2.東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200051)

0 引 言

目前，服裝行業(yè)中傳統(tǒng)服裝品牌創(chuàng)新力不足,同質(zhì)化嚴(yán)重,面對(duì)科學(xué)技術(shù)和大數(shù)據(jù)浪潮的沖擊,推進(jìn)智能服裝的研發(fā),才能緊跟時(shí)代的步伐。可穿戴技術(shù)最早是指一種在服裝中植入多媒體、無(wú)線通信、傳感器等技術(shù)實(shí)現(xiàn)交互作用的手段[1]。在二十世紀(jì)七十年代末,可穿戴設(shè)備與紡織服裝才開(kāi)始結(jié)合,它們均有一定局限性,電子產(chǎn)品功能單一,體積卻很大,而安裝電子器件載體的紡織品主要用于醫(yī)療、軍事、航天等個(gè)別特殊領(lǐng)域[2]。

隨著生活水平的提高,人們對(duì)服裝的需求不單是保護(hù)人體、維持熱平衡、時(shí)尚美觀等,還要求其具有個(gè)人健康護(hù)理、休閑娛樂(lè)或與他人交流的功能。通過(guò)可穿戴設(shè)備與服裝的融合,為醫(yī)療、健身、娛樂(lè)等領(lǐng)域提供更多、更便利的智能服務(wù)[3]?？纱┐魅嵝詡鞲衅魇羌喾N功能為一體的可穿戴設(shè)備,其具有生理參數(shù)檢測(cè)、能耗檢測(cè)、體位檢測(cè)、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)檢測(cè)等功能。通過(guò)這些設(shè)備先收集原始數(shù)據(jù),然后將其傳送至傳輸端設(shè)備,傳輸端設(shè)備再將數(shù)據(jù)通過(guò)云端專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)分析,從而得出結(jié)果并給出建議,最后把結(jié)果和建議反饋給用戶[4]。其材料要具有柔軟、易變形、低模量等特征,保證傳感器基本功能的同時(shí),還應(yīng)該具有體積小、延展性好、柔軟性等特點(diǎn)[5]。實(shí)現(xiàn)傳感器可以直接穿戴在身上,或者貼附在皮膚上,得到人體血壓、血糖、脈搏等健康參數(shù),并將數(shù)據(jù)收集到智能設(shè)備中,通過(guò)分析提取,為醫(yī)生的診斷提供參考[6-7]。

2016年,Chen等[8]研發(fā)出一款可以整合各項(xiàng)生理參數(shù)且可持續(xù)監(jiān)測(cè)人體健康狀況的“智慧服裝”,該系統(tǒng)的智能醫(yī)療監(jiān)護(hù)大數(shù)據(jù)通過(guò)云存儲(chǔ)技術(shù)獲得。穿戴傳感器除了具有很高的醫(yī)學(xué)應(yīng)用價(jià)值外,還能夠?qū)崿F(xiàn)信息傳遞、娛樂(lè)通信等特定功能[9]。2016年仇春燕等[10]設(shè)計(jì)出一款戶外騎行監(jiān)護(hù)服裝,其能夠感知、反饋、影響環(huán)境,實(shí)行人與服裝的交互。目前,柔性傳感器與服裝的整合處于初級(jí)階段,且相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)告較少,文中對(duì)柔性傳感器在紡織服裝領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行了系統(tǒng)地概括與闡述,并對(duì)柔性傳感器應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)功能材料進(jìn)行了分析。

1 柔性傳感器在紡織服裝中的應(yīng)用

1.1 健康醫(yī)療類(lèi)服裝

在日常健康管理中,可穿戴傳感器通過(guò)藍(lán)牙與手機(jī)建立通訊,其主要功能是測(cè)量一些常用參數(shù),包括行走步數(shù)、心率和皮膚導(dǎo)電率等,甚至可以通過(guò)加速度傳感器測(cè)量人體在睡眠時(shí)的人體姿態(tài),從而反映睡眠質(zhì)量。

可穿戴傳感器用于醫(yī)療領(lǐng)域,可根據(jù)病人實(shí)際情況提供出更適合的治療方案,也能為醫(yī)生及時(shí)掌握病人情況提供便利。目前,可穿戴傳感器已經(jīng)應(yīng)用于監(jiān)測(cè)部分疾病,它既可以作為預(yù)防性手段預(yù)防突發(fā)疾病的發(fā)生,又可以作為輔助性治療手段和監(jiān)測(cè)手段有利于疾病的康復(fù)[11-12]。2014年,Mino公司研發(fā)的智能嬰兒連體衣,可以通過(guò)服裝中的感應(yīng)器對(duì)嬰兒的體溫、心電信號(hào)、呼吸等進(jìn)行檢測(cè),及時(shí)了解嬰兒的身體健康狀況[13]。Klucken等[14]曾在鞋子中載入集成加速度傳感器和陀螺儀,在標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)序列中記錄運(yùn)動(dòng)信息,并且將采集到的模擬識(shí)別算法與傳感器特征信號(hào)應(yīng)用在分類(lèi)帕金森疾病階段中,結(jié)果發(fā)現(xiàn),可穿戴監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分類(lèi)結(jié)果與帕金森臨床評(píng)價(jià)指標(biāo)相近,準(zhǔn)確率達(dá)到81%～91%。

1.2 運(yùn)動(dòng)防護(hù)類(lèi)服裝

不當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)會(huì)使人們受傷,而相關(guān)的防護(hù)類(lèi)服裝可大大降低人體損傷情況。智能壓縮服裝通過(guò)傳感器能夠測(cè)量下肢關(guān)鍵肌群之間以及皮膚之間的壓力,能夠評(píng)估肌肉收縮舒張狀況和肢體位置[15]。同時(shí),可穿戴傳感器可以測(cè)量運(yùn)動(dòng)員姿態(tài),判斷姿態(tài)準(zhǔn)確性,通過(guò)反饋及時(shí)調(diào)整訓(xùn)練方案,促進(jìn)運(yùn)動(dòng)員提高成績(jī)[16]。Ryo Takeda等[17]利用可穿戴傳感器區(qū)分人體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)并正確評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)動(dòng)作的正誤。在此過(guò)程中,主要通過(guò)加速度傳感器和陀螺儀測(cè)量出髖部、膝蓋、腳踝這3個(gè)部位屈伸的角度,與攝像機(jī)采集系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)照,同時(shí)對(duì)比左右腿部位的檢測(cè)狀況,依據(jù)角度曲線對(duì)人體姿態(tài)做出診斷。

1.3 休閑娛樂(lè)類(lèi)服裝

智能化的休閑娛樂(lè)服裝大大提升了服裝的趣味性和功能性。 如將柔性應(yīng)變傳感器安裝在衣物上, 人們可通過(guò)自身動(dòng)作來(lái)驅(qū)動(dòng)游戲, 從而使玩家在虛擬現(xiàn)實(shí)與交互游戲中感受到更真實(shí)、 緊張刺激的游戲體驗(yàn)[18]。 張乃中等[19]運(yùn)用 Action Scrip 語(yǔ)言編程模擬傳統(tǒng)樂(lè)器的發(fā)聲規(guī)律, 采用圖案紋樣設(shè)計(jì)處理電路布線, 美化了視覺(jué)效果。 2016年, 飛利浦公司研發(fā)出一種衣領(lǐng)上裝置有立體揚(yáng)聲器的智能夾克, 通過(guò)衣料中的天線進(jìn)行收音、 接聽(tīng)電話和下載音樂(lè), 其播放裝置體積小, 易攜帶并可拆除。 通過(guò)豎領(lǐng)與翻領(lǐng)實(shí)現(xiàn)獨(dú)自欣賞音樂(lè)或與人分享的功能[20]。

2 柔性傳感器應(yīng)用要點(diǎn)與制備材料

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

可穿戴傳感器可分為生物傳感器、動(dòng)作傳感器和環(huán)境傳感器3類(lèi),其中用戶與電子系統(tǒng)之間的接口通過(guò)傳感器將生理或環(huán)境信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)[21]。剛性傳感器是可穿戴設(shè)備中最主要的形式,但強(qiáng)度大、不易彎曲,在應(yīng)用上有局限性[22]。隨后,在柔性電子技術(shù)發(fā)展推動(dòng)下,柔性可穿戴傳感器得到發(fā)展,部分傳感器實(shí)現(xiàn)了一定程度的拉伸,更適合與人體集成。2008年,Zhang等[23-24]提出柔性傳感器技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)為小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化及標(biāo)準(zhǔn)化。后續(xù)逐漸擴(kuò)展到安全性、不可見(jiàn)性、個(gè)性化、能效性等?？紤]到服裝穿著舒適性,小型化與不可見(jiàn)性是維持長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵。Merritt等[25]將電極集成到紡織品上,開(kāi)發(fā)出可穿戴心電圖監(jiān)測(cè)技術(shù),測(cè)量信號(hào)的穩(wěn)定性較高,經(jīng)過(guò)數(shù)個(gè)洗滌周期后仍能保持其測(cè)量信號(hào)的完整性。安全性是實(shí)現(xiàn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化時(shí)必須慎重考慮的問(wèn)題,其中涉及對(duì)個(gè)人隱私的保護(hù),服務(wù)質(zhì)量的保障。

2.2 柔性傳感器材料技術(shù)

柔性傳感器常用制備材料包括金屬、有機(jī)物、半導(dǎo)體、納米材料等,不同結(jié)構(gòu)的材料相結(jié)合可制備出不同機(jī)械屬性的柔性傳感器。金屬纖維具有良好的導(dǎo)電性和可彎曲性,在紡織領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,新型金屬?gòu)?fù)合紗線可以應(yīng)用于觸摸傳感器的研發(fā),改善了傳感器的柔軟度,但金屬纖維有易斷裂的缺點(diǎn)[26]。通過(guò)引入可延展材料并設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu),利用紡絲或直接利用織物作為基底,保障了其延展性。如神奇“紗線”——Twistron,呈類(lèi)似彈簧的螺旋結(jié)構(gòu),通過(guò)提高紗線捻度,使其具有良好的擴(kuò)展性,碳納米管之間的距離隨著紗線被擰緊或拉伸變小,從而離子密度變大,在這個(gè)過(guò)程中,機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。Wang等[27]在兩層柔性PDMS薄膜之間放置單壁納米管薄膜,制備了“三明治”結(jié)構(gòu)柔性傳感器,其具有低壓檢測(cè)、快速響應(yīng)、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),并實(shí)現(xiàn)了對(duì)人體生理活動(dòng)信號(hào)的靈敏檢測(cè)。Yao等[28]利用高導(dǎo)電性銀納米線與PDMS柔性材料復(fù)合研發(fā)出柔性電極,獲得的傳感器拉伸性、靈敏度很高。

3 可穿戴傳感器研究前景

3.1 精準(zhǔn)醫(yī)療監(jiān)測(cè)

精準(zhǔn)醫(yī)療作為新興醫(yī)療領(lǐng)域,是未來(lái)發(fā)展熱點(diǎn),可穿戴傳感器將會(huì)為其發(fā)展提供核心解決方案。在精準(zhǔn)醫(yī)療中,從兩方面對(duì)個(gè)人大數(shù)據(jù)進(jìn)行采集:一方面采用基因測(cè)序等方法獲得;另一個(gè)重要方面是對(duì)人體進(jìn)行全方面測(cè)量,包括運(yùn)動(dòng)、睡眠監(jiān)測(cè),心率、呼吸等生理參數(shù),生活環(huán)境和飲食習(xí)慣,興趣愛(ài)好,心理壓力的記錄,并對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,作為醫(yī)生診斷和跟蹤療效的依據(jù)[29]。如一種網(wǎng)狀石墨烯應(yīng)變傳感器,將網(wǎng)狀石墨烯平鋪在高聚物和醫(yī)用膠帶復(fù)合薄膜,實(shí)現(xiàn)了對(duì)面部表情變化、呼吸、脈搏等微弱運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè),同時(shí)確保了與人體皮膚的兼容性,達(dá)到了與皮膚緊密貼合的效果[30]。通過(guò)提升柔性醫(yī)學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)的性能,使其更好地服務(wù)于精準(zhǔn)醫(yī)療模式,方便患者與醫(yī)生獲取經(jīng)過(guò)整合與分析的個(gè)人健康信息,從而及時(shí)了解自身健康狀況,并進(jìn)行調(diào)整與反饋。同時(shí)對(duì)中國(guó)群體健康大數(shù)據(jù)庫(kù)的構(gòu)建起到很大的作用[31]。

3.2 高度集成與能量供給問(wèn)題

為了更好地獲取、處理、傳輸人體信息,需要傳感器與人體柔性組織高度貼合與集成。壓力傳感器、光電傳感器和電導(dǎo)率傳感器等逐漸被集成在可穿戴系統(tǒng)中,用于測(cè)量血氧、心率、脈搏等信息。

功耗與供電是可穿戴傳感器面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。關(guān)于電池技術(shù),目前可充電電化學(xué)電池依然是主要解決方案,它具有高能量密度,在傳感器體積最小化的情況下,可長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)與使用[32]。此外利用大量電磁輻射,采用不同波長(zhǎng)的分布式天線,接收到的不同頻率無(wú)線信號(hào)所具有的能量組合可為可穿戴傳感器供電。摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)因具有優(yōu)異的輸出特性以及不受材料限制等突出優(yōu)點(diǎn),成為近年來(lái)最受關(guān)注的微能源采集技術(shù)[33]。基于TENG原理的傳感技術(shù)可以直接對(duì)外部特定信號(hào)產(chǎn)生響應(yīng),器件功耗大幅降低。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著科技的進(jìn)步和生活水平的提高,柔性傳感器將會(huì)有深刻的變革和新突破,人們對(duì)可穿戴產(chǎn)品的接受程度也會(huì)隨之提高。目前醫(yī)院運(yùn)行壓力大,醫(yī)療體系需要得到可穿戴傳感器的輔助,才能極大的提高人們健康水平。醫(yī)療水平地方性差異明顯,尤其農(nóng)村地區(qū)存在看病難的問(wèn)題,借助已大規(guī)模普及的互聯(lián)網(wǎng),可穿戴傳感器可以改善醫(yī)療資源分配不均的差異,能夠公平享受醫(yī)療資源。同時(shí),針對(duì)老齡化問(wèn)題、兒童安全問(wèn)題,通過(guò)可穿戴傳感器可以對(duì)其步態(tài)及生活狀態(tài),進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè),如兒童智能定位服裝的設(shè)計(jì),確保了兒童在不同環(huán)境下穿著服裝的健康安全性。

柔性傳感器與服裝的結(jié)合仍然面臨諸多挑戰(zhàn),電池壽命制約著傳感器的工作效率,未來(lái)應(yīng)不斷探索柔性傳感器供電技術(shù),脫離電池束縛。重點(diǎn)發(fā)展柔性傳感器的可延展性、靈敏性,實(shí)現(xiàn)與人體的高度集成,提高穿著舒適性,使服裝具有感知、傳導(dǎo)、儲(chǔ)存的電子性能,突破傳統(tǒng)紡織服裝企業(yè)的運(yùn)行模式,進(jìn)行創(chuàng)新轉(zhuǎn)型。