智能可穿戴技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

孟靖達(dá)，馮 岑

(蘇州大學(xué)紡織與服裝工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021)

20世紀(jì)60年代，可穿戴技術(shù)由美國麻省理工學(xué)院媒體實驗室提出[1]，以后便得到了飛速的發(fā)展。智能可穿戴是一種將傳感器整合在衣服等可穿戴物品中的智能設(shè)備，是可穿戴技術(shù)與傳感器的結(jié)合，具有監(jiān)測、通信、治療、輔助、娛樂等功能。在這一技術(shù)領(lǐng)域的持續(xù)探索，為可穿戴技術(shù)開拓了一個新的市場，并被廣泛應(yīng)用于我們的生活中，這主要歸因于柔性電子、物聯(lián)網(wǎng)、機電系統(tǒng)和工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)升級[2-4]。由于世界多地人口老齡化趨于嚴(yán)重以及慢性疾病的增加，加上COVID-19的影響，給醫(yī)療保健領(lǐng)域帶來了巨大的壓力，這更加激發(fā)了智能可穿戴技術(shù)的發(fā)展。此外，由于小型化方面的技術(shù)進步，智能可穿戴設(shè)備正在迅速傳播，這對于非侵入性監(jiān)測是至關(guān)重要的[5]。

智能可穿戴按照穿戴方式可分為三類：接觸類智能可穿戴設(shè)備、植入類智能可穿戴設(shè)備和外接型智能可穿戴設(shè)備。接觸類可穿戴的傳感器直接與人體接觸，植入型可穿戴則是透皮測試，外接型可穿戴則是將傳感器外接到固定裝置實現(xiàn)測試[6]。本文旨在探討接觸類智能可穿戴技術(shù)的研究進展，主要包括智能可穿戴設(shè)備的傳感器、儲能設(shè)備、安全與隱私、應(yīng)用、存在的問題以及發(fā)展趨勢。

1 智能可穿戴傳感器

傳感器作為可穿戴設(shè)備智能化的最重要器件之一，負(fù)責(zé)接收生理或周圍環(huán)境的信號并將其轉(zhuǎn)化成電信號，使用戶與電子系統(tǒng)產(chǎn)生交互作用[7]。作為智能可穿戴的傳感器需要具備以下特征：柔軟、靈活、耐磨、舒適、小巧、靈敏度高、響應(yīng)范圍廣。

智能可穿戴傳感器一般可以分為兩類，剛性傳感器和柔性傳感器。剛性傳感器是目前普遍使用的傳感器，具有工藝成熟、技術(shù)完善等特點，但是剛性傳感器體積較大、無法更好地適應(yīng)可穿戴設(shè)備的要求，極大地限制了其應(yīng)用范圍，因而柔性傳感器得到了極大的關(guān)注，是智能可穿戴傳感器發(fā)展的趨勢。柔性傳感器是通過柔性基底和填充材料制成。常見柔性基底有紡織品、生物高分子聚合物等，常見填充材料有石油材料衍生聚合物和活性材料，包括碳材料、金屬和金屬氧化物、半導(dǎo)體導(dǎo)電聚合物等。

紡織品(包括纖維、紗線、織物)具備優(yōu)良的靈活性、耐磨性和舒適性，是實現(xiàn)柔性傳感的理想基底。因此，根據(jù)紡織品為基底可以將柔性傳感器分為纖維基柔性傳感器和織物基柔性傳感器兩種。

1.1 纖維基柔性傳感器

纖維基柔性傳感器是以導(dǎo)電纖維為關(guān)鍵材料。常見的導(dǎo)電纖維有金屬及金屬化合物型導(dǎo)電纖維、導(dǎo)電碳纖維、高分子系導(dǎo)電纖維。由于納米技術(shù)的興起，新型納米纖維具有優(yōu)異的物理化學(xué)性能，引起了人們對其作為基底開發(fā)柔性傳感器的興趣[8]。例如，Ryu等人[9]利用碳納米管纖維間導(dǎo)電通路與接觸面積會隨拉伸應(yīng)變的增大而不斷減小，從而引起元件電阻的增大，開發(fā)了一種由高取向度碳納米管纖維與高彈性柔性基底復(fù)合的電阻應(yīng)變傳感器。該傳感器的應(yīng)變范圍可達(dá)960%，經(jīng)過10 000次的應(yīng)變測試后，仍能夠保持其原有性能。該傳感器可以使用在手指、膝關(guān)節(jié)等部位，實現(xiàn)對人體關(guān)節(jié)運動的監(jiān)測。

Cao等人[10]利用簡單的熱液方法制備出了一種摻有銀納米的還原氧化石墨烯的棉纖維，其制備而成的柔性可穿戴傳感器其靈敏度可達(dá)4.23 kPa/s，快速響應(yīng)時間0.22 s，快速恢復(fù)時間0.42 s，可以被廣泛應(yīng)用于監(jiān)測手指按壓、行走、彎曲等人體活動。

1.2 織物基柔性傳感器

織物可以承受復(fù)雜的機械形變，具有柔軟、靈活、可穿戴性等特點。以織物作為基底的柔性傳感器具有最理想的人性化友好特征，非常適用于人機之間的界面平臺。

例如，Zhang等人[11]利用碳化棉織物為基底結(jié)合電子技術(shù)制成了一種柔性應(yīng)變傳感器。由于碳化純棉織物(CPCF)獨特的分層和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，使得該傳感器同時具備高靈敏度和較大的工作應(yīng)變范圍(>140%)，而且CPCF應(yīng)變傳感器能夠監(jiān)測出0.02%的應(yīng)變，其質(zhì)量僅0.3 mg。研究表明CPCF應(yīng)變傳感器在監(jiān)測人體細(xì)微運動(呼吸、脈沖和面部微細(xì)表達(dá))和大運動(人體關(guān)節(jié)運動)上表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。

Song等人[12]通過還原氧化石墨烯制備了石墨烯包覆的絲-氨綸(GCSS)織物應(yīng)變傳感器。該傳感器具有優(yōu)異的靈敏度(GF=34.3)、低滯后性(H=7%)、測量范圍廣(高達(dá)60%可用應(yīng)變)和高可靠性(1 000個周期)等特點。研究表明該應(yīng)變傳感器可以準(zhǔn)確地檢測到人體的各種動作，包括膝蓋彎曲、肘部彎曲、手腕脈搏、說話、呼吸和手勢等。

2 智能可穿戴供能儲能設(shè)備

由于便攜式智能可穿戴產(chǎn)品的需求增加，導(dǎo)致了柔性、安全、智能儲能設(shè)備的發(fā)展。鋰離子電池是目前主流的動力系統(tǒng)[13]。但在某些場合，傳統(tǒng)的能源系統(tǒng)由于壽命短、功率密度低、不靈活等缺點，無法滿足智能可穿戴產(chǎn)品的要求，而且在使用過后容易造成環(huán)境污染等問題[14]，所以急需新型的能源儲能設(shè)備。柔性的超級電容器、可充電電池以及綠色自給能源系統(tǒng)為目前研究的熱點和重點。

2.1 柔性超級電容器

柔性超級電容器被認(rèn)為是下一代儲能系統(tǒng)的候選器件，具備重量輕、柔韌性好、功率密度高、環(huán)境友好性和安全性等優(yōu)點[15]。目前生產(chǎn)柔性固態(tài)的超級電容器(SC)的技術(shù)有化學(xué)氣相沉積、濺射和過濾沉積等，但無法進行大規(guī)模生產(chǎn)，且成本較高。目前比較成熟的解決辦法之一是通過電子印刷技術(shù)(PE)制備柔性超級電容器。

(1)絲網(wǎng)印刷電容器 Wang等人[16]采用簡單的絲網(wǎng)印刷技術(shù)制造了固體柔性微型超級電容器。全固體柔性微型超級電容器(MSC)由氬電極、二氧化錳(MnO2)/洋蔥碳(OLC)活性材料、PVA/磷酸固體電解質(zhì)和PET塑料基底組成。絲網(wǎng)印刷的MSC的容量為7.04 mF/cm2，電流密度為20 μA/cm2,這主要源于活性材料MnO2/OLC。此外，MSC可以在1 000個循環(huán)后維持其特定容量的80%以上。Chen等人[17]在柔性襯底上獲得了基于混合氧化釕(RuO2)納米線/單壁碳納米管(SWNT)的納米結(jié)構(gòu)薄膜電極超級電容器。該印刷超級電容器(SCS)的比電容為138 F/g，功率密度為96 kW/kg，能量密度為18.8 W·h/kg。Liu等人[18]開發(fā)了用于噴墨打印柔性SCS的氧化石墨烯/聚苯胺油墨，得到的SCS具有較高的面積電容(153.6 mF/cm2)和能量密度(4.83 mW·h/cm3)。

(2)超級可拉伸柔性電容器 隨著對拉伸性能要求的不斷提高，可編織成紡織品或粘在皮膚上進行便攜式應(yīng)用的線狀超級電容器，引起了學(xué)術(shù)界極大的研究興趣[19]。線形超電容器應(yīng)能夠承受巨大的拉伸應(yīng)變和其他變形，同時保持穩(wěn)定的電化學(xué)性能[20]。Wang等人[21]報道了一種可基于碳納米管，石墨烯，二氧化錳纖維的超可拉伸的線型超級電容器，其思路來自源于自然界一種線狀結(jié)構(gòu)——爬升莖的螺旋結(jié)構(gòu)，獨特的螺旋結(jié)構(gòu)使莖的張力和拉力能夠承受較大的拉伸應(yīng)變，同時保持其原來的完整性。

(3)超級可愈合柔性電容器 可愈合是指在電容器被拉伸斷裂后能夠重新恢復(fù)其性能。通常報告的超級電容器具有相對較低的可拉伸性(通常<400%)，不具備愈合能力。值得注意的是，通?？捎系某夒娙萜骶邆漭^低的可拉伸性，而且愈合穩(wěn)定性也十分有限，同時具備可拉伸性和可愈合性的超級電容器也被認(rèn)為電化學(xué)性能不佳。Li等人[22]報告了一種基于雙交聯(lián)水凝膠電解質(zhì)的可愈合超級電容器，完美解決了上述問題。所用的水凝膠是由合成丙烯型粘土、聚丙烯酰胺甲基磺酸、二甲基丙烯酰胺和氧化石墨烯(GO)交聯(lián)的納米復(fù)合水凝膠。該可愈合柔性超級電容器具有優(yōu)異的機械性能(34 kPa)、拉伸性能(1 173%)和離子導(dǎo)電性能。

2.2 柔性可充電電池

與超級電容器相比，電池具有能量密度高、工作電壓高、自放電性能低的優(yōu)點。它們通過將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)形式來儲存能量[23]。隨著智能可穿戴產(chǎn)品的需求增加，適應(yīng)可穿戴的柔性可充電電池得到了深入的研究。

柔性鋅-空氣電池作為最具吸引力的柔性能源系統(tǒng)之一，由于其能量密度高、成本低、資源豐富、環(huán)境和人類友好等特點，在智能可穿戴領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注。高性能可再充電鋅空氣電池的開發(fā)取決于,用于氧還原/放氧反應(yīng)(ORR/OER)的高效、穩(wěn)定的電催化劑的合成。Wang等人[24]制備了一種富含絲質(zhì)的高性能可穿戴和可充電的鋅-空氣電池。

2.3 綠色自給能源系統(tǒng)——納米發(fā)電機

綠色自給能源設(shè)備是將人體運動產(chǎn)生的機械能以及環(huán)境中的能源轉(zhuǎn)換為持續(xù)供電和便攜式供電的設(shè)備[23]。無論是超級電容器還是可充電電池，這些設(shè)備的存儲電仍來自傳統(tǒng)能源。而且，由于電容有限，壽命較短，充電頻繁，存在潛在安全，環(huán)境污染嚴(yán)重等固有缺陷，電容器和電池不是未來可穿戴設(shè)備的基本解決方案。從長期、經(jīng)濟和環(huán)境的角度來看，直接從環(huán)境中獲取電力是未來可穿戴電子設(shè)備的理想選擇。

納米發(fā)電機在設(shè)備設(shè)計上相對簡單，不需要高頻機械輸入就能夠?qū)崿F(xiàn)低頻機械觸發(fā)的高效能量轉(zhuǎn)換，在可穿戴電源和多功能自動力傳感方面具有廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)材料組成、結(jié)構(gòu)特征和工作機制可將納米發(fā)電機分為三類：壓電納米發(fā)電機(PENG，2006年)、三電納米發(fā)電機(TENG，2012年)以及熱釋電納米發(fā)電機。人類本身不僅是豐富的機械能來源，而且是可穿戴電子設(shè)備的應(yīng)用終端，因此我們可以通過自給自足的方式實現(xiàn)能源的獲取和利用，關(guān)鍵問題在于實現(xiàn)納米發(fā)電機(NG)和人體運動的無縫結(jié)合[24]。

將納米發(fā)電機技術(shù)與紡織品結(jié)合形成的紡織納米發(fā)電機，完美解決了上述問題。具有通用設(shè)計性和卓越性能的紡織品是面向人的電子集成的一種有吸引力的交互介質(zhì)[25]。Lai等人[26]提出了一種防水和基于織物的多功能納米發(fā)電機，它可以從雨水、風(fēng)和各種人類運動中獲取能量，并用作可穿戴產(chǎn)品的自動力接口。

3 安全與隱私問題

3.1 安全問題

智能可穿戴產(chǎn)品包含大量傳感器和導(dǎo)電元件，這些在與人體接觸的過程中必然會產(chǎn)生安全隱患。以智能可穿戴紡織品為例，智能可穿戴紡織品也稱電子紡織品，其含有大量導(dǎo)電元件以及儲能器件。電子紡織品的導(dǎo)電元件通常是納米材料，而納米材料有可能對人體產(chǎn)生傷害，例如：氧化石墨烯可以引起血小板的劇烈反應(yīng)，且在靜脈注射后可在肺部聚集并引起肺血栓栓塞[27]；由于電子紡織品和人體直接接觸，而儲能器件通常含有一些電解質(zhì)，這些電解質(zhì)一旦泄露，其中的化學(xué)物質(zhì)極有可能傷害人體皮膚和器官；人體皮膚產(chǎn)生的汗液容易將電子紡織品中的導(dǎo)電保護涂層腐蝕，容易發(fā)生觸電現(xiàn)象；電子紡織品作為消耗品，使用過后如何減少對環(huán)境的污染問題也值得關(guān)注[23]。

3.2 隱私問題

智能可穿戴設(shè)備產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)面臨著不同的隱私和安全風(fēng)險。比如，由用戶產(chǎn)生的軌跡等物理信息，一旦被非法截取，將會對用戶的人身安全產(chǎn)生極大風(fēng)險。生理學(xué)數(shù)據(jù)，比如用戶心率、血糖、腦電圖等健康相關(guān)數(shù)據(jù)，一旦泄露很有可能產(chǎn)生對用戶的歧視行為[23]。

為了提高可穿戴應(yīng)用程序的隱私保護性能，對云技術(shù)的輔助安全協(xié)議機制的研究成為熱點。比如，Shen等人[28]開發(fā)了一種云輔助無線體域網(wǎng)的可穿戴設(shè)備。該方案與現(xiàn)有方案相比，可以對私人信息提供更強的安全保護。其提出的協(xié)議能夠確保除了預(yù)先注冊的人之外，任何人都無法實現(xiàn)對用戶真實身份的假冒。除了安全協(xié)議外，研究人員和相關(guān)行業(yè)還提出了基于硬件的保護措施。

此外，Dwivedi等人[29]以區(qū)塊鏈技術(shù)為出發(fā)點，提出了一種新的混合方法，該方法采用了私鑰、公鑰、區(qū)塊鏈結(jié)合技術(shù)，并以此開發(fā)了以電子病歷為中心的電子病歷訪問控制系統(tǒng)，能夠提供安全和隱私保護。

4 主要應(yīng)用

醫(yī)療保健領(lǐng)域已經(jīng)成為智能可穿戴設(shè)備最重要的應(yīng)用領(lǐng)域。

4.1 健康和安全監(jiān)測功能

Godfrey等人[30]利用可穿戴設(shè)備對老年人的步態(tài)和跌倒進行監(jiān)測，能識別主要的運動類型(行走、坐著、躺著)，以此幫助老年人獨立生活。Jung等人[31]通過可穿戴設(shè)備收集老年人的位置數(shù)據(jù)，并快速地上傳到醫(yī)療中心，確保提供及時的幫助和治療。Lin和他的同事[32]開發(fā)了一種腹部的紡織綜合電容裝置的呼吸監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的工作原理是，單個呼吸過程可以減少電容裝置中板的距離，從而產(chǎn)生模擬信號，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并由數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)計數(shù)，這樣就可以確定呼吸率。

4.2 慢性病的管理工作

慢性病管理很重要的一點就是將被動疾病治療轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃咏】当O(jiān)測[33]?？纱┐鳟a(chǎn)品實現(xiàn)了對用戶一整天的數(shù)據(jù)收集與監(jiān)控，并對各種指標(biāo)提供動態(tài)、智能和全面的分析，使慢性病患者能夠得到更好的治療。該技術(shù)還可以與云服務(wù)技術(shù)相結(jié)合，具有遠(yuǎn)程監(jiān)測疾病、調(diào)整遠(yuǎn)程治療方案和生活方式管理等功能，這對慢性疾病控制[34]具有重要意義。

Tsukada等人[35]開發(fā)了一種由納米纖維制成的運動背心，可以使心電圖電極與人體密切接觸。該運動背心允許實時顯示心電圖信號，并且監(jiān)控數(shù)據(jù)可以通過一個應(yīng)用程序來收集，從而增加舒適度，而不會有過敏的風(fēng)險。數(shù)據(jù)上傳到云端，由專業(yè)醫(yī)生分析，實現(xiàn)心臟病的遠(yuǎn)程監(jiān)測。

4.3 可穿戴光纖治療技術(shù)

光和光學(xué)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于疾病治療的臨床實踐，這些方法對現(xiàn)代醫(yī)學(xué)[36]帶來了深遠(yuǎn)的影響。光療法通常用于緩解疼痛、肌腱損傷、代謝性疾病，而且可以通過采用不同波長的光[37]進行組織修復(fù)。數(shù)種光纖設(shè)備已與織物材料集成，并應(yīng)用于接觸人體皮膚的器件，其在光治療中具有優(yōu)異的光學(xué)和熱性能。因為不同的光波長對人的組織有不同的穿透深度，所以波長的選擇在光治療中非常重要[38]。

Shen等人[39]開發(fā)了一種基于織物的柔性發(fā)光器件，該器件發(fā)射低水平的紅光和近紅外光(600～950 nm)，可持續(xù)提供穩(wěn)定的光功率密度和工作溫度，而且不存在任何危險。此外，通常采用藍(lán)色波長光(430～490 nm)治療新生兒黃疸。例如，Quandt等人[40]開發(fā)了一種均勻發(fā)光的紡織品，用于長期治療新生兒黃疸。這種織物取得了極佳的治療效果，因此可用作可穿戴光治療設(shè)備，為治療新生兒黃疸提供護理。

4.4 電子紋身

電子紋身是電子皮膚重要的應(yīng)用。Wang等人[41]制備了一種自我愈合的電子紋身。該電子紋身基于獨特的Gr/SF/Ca2+組合，能夠?qū)Χ喾N刺激包括應(yīng)變、溫度、濕度等，產(chǎn)生高靈敏度反應(yīng)，可用于測量皮膚含水量、溫度以及心電信號，由此可以計算出心跳和呼吸率。這種可愈合電子紋身的制備通過絲網(wǎng)印刷或者直接書寫的辦法SF/Ca2+膜上制備客戶所需的紋身圖案。所制備的電子紋身十分柔軟且高度靈活，能夠適應(yīng)人體皮膚的形變。該電子紋身之所以能夠?qū)崿F(xiàn)多功能傳感，是因為分布在SF基質(zhì)中的石墨烯薄片形成了一種獨特的導(dǎo)電路徑，以此響應(yīng)環(huán)境變化。即使該電子紋身完全斷裂后，在施加一滴水后，僅在0.3 s內(nèi)就能夠100%愈合，這是由于SF/Ca2+基體的膨脹和斷裂界面上氫鍵和配位鍵的重組。

5 主要存在的問題以及發(fā)展趨勢

雖然智能可穿戴技術(shù)快速發(fā)展，但目前仍處于發(fā)展的初級階段。智能可穿戴產(chǎn)品距離大規(guī)模商業(yè)生產(chǎn)還有很長一段時間，且存在著舒適性不好、成本高、環(huán)境不友好、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性差等問題。洗滌性能是智能可穿戴產(chǎn)品面臨的一個重大問題。

隨著智能可穿戴產(chǎn)品需求的增加，未來智能可穿戴領(lǐng)域的研究方向包括：

(1)智能可穿戴紡織品。通過將紗線、織物或者服裝集成不同的電子設(shè)備，智能可穿戴紡織品能夠感知和對環(huán)境刺激作出反應(yīng)[42]，其全球市場總和遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過數(shù)萬億美元[23]。

(2)生物相容性、環(huán)境友好型材料?？纱┐髟O(shè)備包含大量電子元件，在使用后容易導(dǎo)致環(huán)境污染，生物相容性好的材料如基于生物衍生的碳材料，是未來研究的重點。

(3)微型儲能設(shè)備。便攜式和可穿戴式電子設(shè)備的發(fā)展主要集中在小型化、輕重量、安全、長期、高速運行上，從而進一步刺激了對小型化儲能設(shè)備的需求[43-48]。

(4)智能穿戴+物聯(lián)網(wǎng)。智能可穿戴設(shè)備很重要的一點就是能夠監(jiān)測和收集數(shù)據(jù)，利用物聯(lián)網(wǎng)可以將可穿戴設(shè)備進行網(wǎng)絡(luò)鏈接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和共享。在未來的智能城市中，我們不僅能夠看到智能可穿戴設(shè)備傳輸醫(yī)療數(shù)據(jù)，而且可以預(yù)見當(dāng)這些設(shè)備進行互聯(lián)時，無數(shù)的數(shù)據(jù)可以共享，產(chǎn)生巨大的社會經(jīng)濟效益[29]。

6 結(jié)語

智能可穿戴技術(shù)已取得快速發(fā)展，并廣泛應(yīng)用于我們的日常生活中。傳統(tǒng)傳感器通常是剛性的，體積較大，無法滿足智能可穿戴設(shè)備對柔性的需求，因而柔性可穿戴傳感器得到了廣泛的關(guān)注，紡織品為傳感器基底是一種很好的選擇。作為智能可穿戴設(shè)備工作的電力來源，儲能設(shè)備也朝著柔性、微型化發(fā)展，如柔性超級電容器、可充電電池、納米發(fā)電機等成為研究的熱點。安全與隱私問題是智能可穿戴設(shè)備必須解決的問題?，F(xiàn)階段，醫(yī)療保健領(lǐng)域已經(jīng)成為智能可穿戴技術(shù)最重要的應(yīng)用領(lǐng)域。在未來，智能可穿戴設(shè)備將朝著舒適化、微型化等方向發(fā)展，與物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)相結(jié)合，將產(chǎn)生巨大的社會經(jīng)濟價值。