可穿戴智能電子服裝的研究進(jìn)展

馬菡婧 田寶華 何 源

（1.西安工程大學(xué)，陜西西安，710048；2.西安交通大學(xué)，陜西西安，710049）

紡織服裝在智能電子和信息化科技發(fā)展的時(shí)代背景下，正經(jīng)歷著一場(chǎng)技術(shù)革命，逐漸成為時(shí)代的新興產(chǎn)業(yè)；可穿戴智能電子服裝將人們與微電子設(shè)備“無(wú)縫結(jié)合”，在人們的日常工作、生活中扮演著越來(lái)越重要的角色[1-4]。隨著微電子元件和微電機(jī)系統(tǒng)（Micro-electronics Components&Micro-electromechanical Systems，以下簡(jiǎn)稱(chēng)MEMS）的快速發(fā)展，MEMS尺寸突破毫米級(jí)，其精度和可靠性的大幅度提升使其能夠應(yīng)用于可穿戴設(shè)備，在電子紡織品中提供集成潛力[5-6]。在人們與電子設(shè)備無(wú)處不在的交互中（例如智能手機(jī)、汽車(chē)儀表板、平板電腦），將柔性電路或電子設(shè)備與服裝有機(jī)結(jié)合是一個(gè)十分有吸引力的互動(dòng)方法。根據(jù)電容傳感可以檢測(cè)和區(qū)分不同的交互類(lèi)型，如觸摸、運(yùn)動(dòng)存在、敲擊、溫度變化等[7-13]，可適應(yīng)人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的拉伸或彎曲，使其適配在紡織品上的集成，提供長(zhǎng)期且隱匿性的動(dòng)態(tài)監(jiān)控和分析。

盡管剛性可穿戴設(shè)備如智能手表、智能眼鏡等已經(jīng)可以為人們提供持續(xù)的連接和數(shù)據(jù)的收集檢測(cè)，然而與此類(lèi)剛性電子設(shè)備不同的是，可穿戴智能電子服裝能夠形成超靈活、可拉伸、可彎曲、能夠皮膚接觸，甚至植入體內(nèi)且同時(shí)最大程度保留紡織品自身的獨(dú)特特性，如質(zhì)量輕、靈活性、耐磨性及其固有的溫暖和舒適性等特點(diǎn)。為了使電子元器件能夠以隱匿式集成到紡織品或服裝中，柔性電子電路的設(shè)計(jì)與傳感技術(shù)必須根據(jù)紡織品集成約束和特定幾何形狀的要求，完成與電路靈敏度優(yōu)化的相關(guān)工作。

本文回顧了近年來(lái)國(guó)際上可穿戴智能電子服裝的最新研究成果，概述了紡織電子技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)的挑戰(zhàn)，重點(diǎn)介紹了基于紡織服裝的柔性電子設(shè)備及其在可穿戴電子系統(tǒng)中的應(yīng)用，包括基于傳感器的智能電子服裝、基于纖維的柔性顯示、能量存儲(chǔ)紡織品等，最后展望了未來(lái)可穿戴智能電子服裝的發(fā)展前景。

1 基于傳感器的智能電子服裝

在可穿戴智能電子服裝中，傳感器設(shè)備是最重要的核心環(huán)節(jié)。由于紡織服裝具有柔性可變形特點(diǎn)，傳統(tǒng)大尺寸剛性傳感器的應(yīng)用受到了限制。MEMS是一種體積尺寸在毫米級(jí)的傳感器，近年來(lái)其種類(lèi)和功能快速發(fā)展。MEMS具有體積尺寸小的天然優(yōu)勢(shì)，可以很方便地集成在各種柔性底物表面或嵌入其中，并具有質(zhì)量輕、靈活、成本低等特點(diǎn)。因此，MEMS在智能可穿戴電子服裝中具有十分廣泛的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)MEMS的設(shè)計(jì)和制造，可以實(shí)現(xiàn)各式各樣的能量轉(zhuǎn)換裝置，用于服裝佩戴者一系列物理、化學(xué)和生物環(huán)境的檢測(cè)，如溫度變化、姿勢(shì)和身體運(yùn)動(dòng)的傳感、疾病監(jiān)測(cè)、語(yǔ)音傳感、面部表情檢測(cè)等。根據(jù)原理和種類(lèi)的不同，我們列舉并介紹電容傳感、主動(dòng)式熱管理兩大類(lèi)基于傳感器的可穿戴智能電子服裝。

1.1 電容傳感

電容應(yīng)變傳感器是柔性電子元件中最常見(jiàn)的傳感器類(lèi)型，自身電容可對(duì)外界施加的應(yīng)變刺激做出響應(yīng)變化。典型的電容式傳感器由夾在兩個(gè)電極之間的電介質(zhì)組成，其厚度和拉伸方向變化決定其介電性能。平行板配置為目前最流行的架構(gòu)，可適應(yīng)主流電容傳感器的設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)和構(gòu)造最為簡(jiǎn)單和直接。為了實(shí)現(xiàn)與紡織品或柔性底物的附著，電容傳感器的電極必須是可拉伸的。因此，基于納米材料的可拉伸導(dǎo)體經(jīng)常用作電極。各種具有先進(jìn)結(jié)構(gòu)的納米銀線(xiàn)（Silver Nanowire，AgNW）的復(fù)合材料被大量用于可拉伸電容式傳感器[14-15]；AgNW由于具有成本低、長(zhǎng)度直徑比高、電導(dǎo)率超高、透明度好等特點(diǎn)，完美地與紡織品服裝匹配[16-18]。為了獲得更高的機(jī)械性能、靈敏度和更高的可拉伸和介電性能，AgNW通常與具有較小機(jī)械模量彈性體材料例如聚二甲基硅氧烷、聚氨酯等復(fù)合。

圖1為電容應(yīng)變傳感器在可穿戴智能電子服裝中的應(yīng)用示例。

圖1 基于電容傳感類(lèi)智能電子服裝應(yīng)用示例

圖1（a）為定制的一種牛仔服上集成可觸控柔性鍵盤(pán)[19]。將電路走線(xiàn)、元件連接墊利用縫合模式嵌入織物表面，再以CAD工具設(shè)計(jì)出電路布局的微型電路板；夾克一側(cè)為織物鍵盤(pán)，另一側(cè)為合成器、揚(yáng)聲器等。圖1（b）為一種聚亞酰胺電容式、雙功能型的觸摸感應(yīng)電子織物。根據(jù)電路對(duì)紡織環(huán)境進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，嵌入織物內(nèi)部。當(dāng)觸摸者雙手觸及織物表面時(shí)，電容器電容發(fā)生變化傳遞給顯示裝置。此時(shí)信號(hào)燈亮起，當(dāng)觸摸者雙手離開(kāi)織物表面時(shí)，信號(hào)燈熄滅。圖1（c）是一種透明電子皮膚示意圖，該透明電子皮膚以聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）為底物，通過(guò)微刻蝕技術(shù)在透明PDMS薄膜上嵌入納米金屬線(xiàn)，PDMS與金屬線(xiàn)間組成了超級(jí)電容器。該裝置可以檢測(cè)佩戴者體溫、脈搏、心跳等變化，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。圖1（d）為一種微型集成高精度MEMS的電子皮膚貼片示意圖[20]。該裝置以脈搏振動(dòng)為能量驅(qū)動(dòng)，不需要電池，可永久性高靈敏檢測(cè)出脈搏變化（如幅度和頻率等），同時(shí)還能檢測(cè)出脈搏變化曲線(xiàn)中的相位差，可用于精密醫(yī)療分析。圖1（e）為還原氧化石墨烯摻雜的聚苯胺中空纖維構(gòu)成的網(wǎng)格織物[21]。通過(guò)對(duì)該網(wǎng)格布的大面積覆蓋，同樣可以實(shí)現(xiàn)上述類(lèi)似超級(jí)電容器的相同功能。

1.2 主動(dòng)式熱管理

溫度調(diào)節(jié)和熱響應(yīng)是可穿戴智能電子服裝研究中最為關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。通常，可穿戴熱響應(yīng)元件在智能電子服裝中主要有熱舒適和熱動(dòng)力治療兩個(gè)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用。具有保暖和快干涼爽的服裝已在消費(fèi)市場(chǎng)中廣泛流行，然而傳統(tǒng)被動(dòng)防護(hù)的服裝因人體與環(huán)境接觸表面積大、能量利用率較低，無(wú)法精準(zhǔn)滿(mǎn)足個(gè)性化的熱舒適要求。為了進(jìn)一步彌補(bǔ)被動(dòng)防護(hù)服裝的缺點(diǎn)，將熱傳導(dǎo)材料或電子元器件集成在服裝中，可形成具有主動(dòng)防護(hù)功能的可穿戴熱管理智能電子服裝。圖2為主動(dòng)式熱管理智能電子服裝應(yīng)用示例。

圖2 主動(dòng)式熱管理智能電子服裝應(yīng)用示例

圖2（a）展示了一種集成MEMS于服裝表面的“S”形涂層貼[22]。該涂層是經(jīng)過(guò)納米金屬線(xiàn)修飾的棉織物，該涂層內(nèi)部?jī)?nèi)嵌一個(gè)MEMS傳感系統(tǒng)，由低壓電源驅(qū)動(dòng)。試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：涂層貼敷皮膚能夠?yàn)榕宕髡咴谘谉岘h(huán)境中提供顯著的涼爽感體驗(yàn)，與周?chē)鷤鹘y(tǒng)棉織物有5℃的溫度差。圖2（b）是一種金屬納米銀顆粒整理的多功能疏水織物，具有主動(dòng)加熱功能，可以直接以人體體溫為溫度驅(qū)動(dòng)，使織物能夠主動(dòng)生熱并且同時(shí)具備透氣防水的功能[23]。圖 2（c）為一種主動(dòng)式低壓驅(qū)動(dòng)的熱管理手套[24]。該手套手指部分由導(dǎo)電聚合物涂層整理，利用3 V低壓電源為驅(qū)動(dòng)，可以迅速加熱手指部分，為冬季嚴(yán)寒者提供舒適手部操作環(huán)境?？纱┐髦悄茈娮蛹徔椘吠瑯幽軌蛟跓釀?dòng)力治療中扮演重要角色。在醫(yī)療領(lǐng)域，熱療或皮膚局部加熱可以擴(kuò)大血管系統(tǒng)，增加該區(qū)域的血流量。此方法可以緩解局部疼痛。圖2（d）為一種電源驅(qū)動(dòng)的可拉伸網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[25]。用于腕部熱動(dòng)力治療。該結(jié)構(gòu)由金屬納米銀線(xiàn)構(gòu)成，可以提供關(guān)節(jié)點(diǎn)的熱療，同時(shí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)保證關(guān)節(jié)靈活的活動(dòng)不受影響。若將熱管理元器件與其他傳感器結(jié)合，可以形成物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)檢測(cè)到溫度異常時(shí)，可及時(shí)將用戶(hù)數(shù)據(jù)分析并上報(bào)。圖2（e）是將可穿戴設(shè)備集成于物聯(lián)網(wǎng)中，用于及時(shí)通信[26]。

2 基于纖維的柔性顯示

關(guān)于開(kāi)發(fā)基于纖維顯示設(shè)備的可穿戴電子產(chǎn)品研究較多。早期大多數(shù)研究專(zhuān)注于將傳統(tǒng)發(fā)光二極管（Light Emitting Diode，LED）集成到織物上。然而，傳統(tǒng)的LED相對(duì)體積較大、厚度較厚，集成后破壞了織物獨(dú)特的柔順性。隨著有機(jī)發(fā)光二極管（Organic Light Emitting Diode，OLED）工藝和技術(shù)的進(jìn)步，光纖OLED器件的實(shí)現(xiàn)已成為可能。KWON S等演示了浸漬同心涂覆工藝基于纖維的OLED[27]。其中以直徑為300 μm的聚乙烯對(duì)苯二甲酸酯纖維作為基材，聚3，4-乙烯二氧噻吩聚苯乙烯磺酸鹽和聚苯乙烯作為透明電極和發(fā)射層的材料。

3 能量存儲(chǔ)紡織品

在電子服裝中，電路驅(qū)動(dòng)需要能量來(lái)源，傳統(tǒng)鋰離子電池存在質(zhì)量重、不可變形等缺點(diǎn)，且在受沖擊時(shí)存在重大的安全隱患。此外，由于電子服裝無(wú)法集成大容量電池，智能電子服裝頻繁充放電操作也為使用者帶來(lái)諸多不便。若能將具有自發(fā)電功能的設(shè)備集成在柔性服裝內(nèi)，則可解決上述存在的問(wèn)題。在適合服裝上的能量收集裝置類(lèi)型中，基于纖維的染料敏化太陽(yáng)能電池（Fiber-shaped Dye-sensitized Solar Cell，F(xiàn)-DSSC）和摩擦納米發(fā)電機(jī)（Fiber-shaped Triboelectric Nanogenerators，F(xiàn)-TENG）是最為常見(jiàn)的兩種儲(chǔ)能模式，可以方便嵌入紡織品中。其中，F(xiàn)-DSSC可以在白天戶(hù)外陽(yáng)光下將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)，而F-TENG可將佩戴者運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的動(dòng)能存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)化。

YANG Z等設(shè)計(jì)了一種纖維型可拉伸FDSSC系統(tǒng)，其中外層纏繞導(dǎo)電鈦金屬絲為電極，染料化改性的彈性橡膠纖維為介電質(zhì)，所形成的線(xiàn)纜型F-DSSC能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)7.13%，并在20個(gè)周期的循環(huán)拉伸后性能表現(xiàn)依舊穩(wěn)定[28]。在F-TENG模式中，ZENG W等研究了一種完全基于纖維素的納米發(fā)電機(jī)，可用于收集紡織品運(yùn)動(dòng)中所產(chǎn)生的動(dòng)能[29]。具體原理是：將鈮酸鈉摻雜的聚氯乙烯熔融態(tài)通過(guò)靜電紡絲技術(shù)制備出PVDF-NaNbO3纖維，以PVDF-NaNbO3纖維構(gòu)成的非織造材料作為壓電元件，該器件可在0.2 MPa脈沖強(qiáng)度下（模擬人體運(yùn)動(dòng)中所能產(chǎn)生的脈沖）產(chǎn)生3.2 V開(kāi)路電壓和4.2 mA電流。在循環(huán)測(cè)試模擬中，耐久性可超過(guò)1×106次周期。將該FTENG系統(tǒng)集成在智能服裝中的肩袖等高頻運(yùn)動(dòng)部位，利用人體運(yùn)動(dòng)中的自然擺動(dòng)，可以產(chǎn)生低頻低壓交流電[30]。F-TENG系統(tǒng)可以在無(wú)太陽(yáng)的情況下儲(chǔ)能供電，但必須依賴(lài)佩戴者的運(yùn)動(dòng)，而F-DSSC則可以在佩戴者靜止?fàn)顟B(tài)下依靠光照進(jìn)行儲(chǔ)能供電。因此，F(xiàn)-TENG與F-DSSC結(jié)合可以彌補(bǔ)彼此的局限。

4 結(jié)語(yǔ)

在智能可穿戴電子服裝中，MEMS系統(tǒng)設(shè)備及功能的發(fā)展使得柔性顯示器、能量發(fā)生器、傳感器及其他微電子電氣系統(tǒng)在電子紡織品中的集成與應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。為了實(shí)現(xiàn)完整的電子紡織系統(tǒng)，通過(guò)現(xiàn)代化的生產(chǎn)技術(shù)，如3D打印、三維織物、高精度紡絲、精密成形等，可有效應(yīng)用上述電子設(shè)備，并成功集成在服裝甚至人體皮膚。MEMS系統(tǒng)很大程度上縮小了電子設(shè)備的尺寸和體積，與織物集成性大幅度提升，在未來(lái)電子紡織系統(tǒng)中，可以設(shè)想完全基于纖維的電子紡織品設(shè)備將成為主流，同時(shí)提供最小的功耗和自我維持甚至自修復(fù)功能。此外，開(kāi)發(fā)人體內(nèi)生物安全和低刺激材料同樣不應(yīng)忽視，為電子服裝長(zhǎng)久、穩(wěn)定并安全的工作奠定基礎(chǔ)。