柔性傳感器在智能服裝中的應(yīng)用

侯昕志，徐興美，唐 維

（四川文化藝術(shù)學(xué)院，四川 綿陽(yáng) 621000）

傳感系統(tǒng)由末端電子元件感知人體壓力、濕度、溫度和氣味變化，由處理器采集數(shù)據(jù)并處理數(shù)據(jù)，反應(yīng)機(jī)制作出應(yīng)答，以終端設(shè)備反饋給用戶。感應(yīng)、采集、識(shí)別、處理和反應(yīng)是智能服裝人工智能實(shí)現(xiàn)的過(guò)程，采集準(zhǔn)確無(wú)誤的原始數(shù)據(jù)是最重要的前期環(huán)節(jié)，依靠傳感器實(shí)現(xiàn)。

早期智能服裝中的傳感器是不可形變的硬件電子元件，多用于行動(dòng)不便的重癥患者的身體健康數(shù)據(jù)采集，在行動(dòng)自如的人體中無(wú)法跟隨人體運(yùn)動(dòng)幅度自如擺動(dòng)，因其發(fā)生位移，則喪失了數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。傳感器在服裝前期的運(yùn)用中舒適性、適用性和美觀性等方面弊端顯著，因此無(wú)法推廣到日常生活中的健康數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。柔性傳感器的出現(xiàn)，讓智能服裝與傳統(tǒng)服裝衣著感趨同，且操作簡(jiǎn)便，美觀性增加，很好地彌補(bǔ)了其缺陷，延展了智能服裝的使用范圍。

1 柔性傳感器在服裝中的運(yùn)用

柔性傳感器不同于以往多用在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)診斷和智能家居等領(lǐng)域具有硬件特性的剛性材料，柔性傳感器由具有柔軟、易變形及低模量特征的柔性基底材料制造而成，如聚乙烯醇(PVA)、聚酯(PET)、聚酰亞胺(PI)、聚萘二甲酯乙二醇酯（PEN)、紙片和紡織材料等，具有不易形變、耐腐蝕及柔軟特性的材料[1]。柔性傳感器的傳感則是通過(guò)能夠延展、拉伸、彎曲和折疊的導(dǎo)電活性材料實(shí)現(xiàn)，是能對(duì)靈活多變的被測(cè)量物進(jìn)行測(cè)量的導(dǎo)電性傳感器件。將具有導(dǎo)電特性的材料直接植于紡織面料底層，是柔性傳感器與傳統(tǒng)服用面料最常見(jiàn)的結(jié)合形式。柔性傳感器在被測(cè)量物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中會(huì)跟隨運(yùn)動(dòng)狀態(tài)自如變形，且不會(huì)影響數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，如今已被廣泛地運(yùn)用在智能服裝上。柔性傳感器種類(lèi)繁多，在服裝中為了實(shí)現(xiàn)功能化主要將柔性壓力傳感器、柔性濕度傳感器、柔性溫度傳感器和柔性氣味傳感器這4 類(lèi)植入服裝內(nèi)側(cè)與人體皮膚界面直接接觸[2]。

柔性壓力傳感器可從其工作原理及構(gòu)成原理2 個(gè)方面進(jìn)行分類(lèi)：其一，根據(jù)其不同的感應(yīng)模式及運(yùn)行模式，可分為壓電式柔性壓力傳感器、壓阻式柔性壓力傳感器和電容式柔性壓力傳感器；其二，根據(jù)其結(jié)構(gòu)不同，可分為單一微結(jié)構(gòu)柔性壓力傳感器、多孔微結(jié)構(gòu)柔性壓力傳感器和混合多孔微結(jié)構(gòu)柔性壓力傳感器[3]。壓力傳感器可運(yùn)用在檢測(cè)血壓和呼吸的智能服裝中，能夠監(jiān)測(cè)到由于血壓和呼吸造成的壓力變化數(shù)據(jù)。

柔性濕度傳感器可根據(jù)其響應(yīng)特性及工作原理，分為光學(xué)型柔性濕度傳感器、電容型柔性濕度傳感器、電阻型柔性濕度傳感器和聲學(xué)型柔性濕度傳感器，其中電阻型在智能服裝中應(yīng)用廣泛，優(yōu)點(diǎn)包括易操作、低成本及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單[4]。柔性濕度傳感器是通過(guò)感應(yīng)濕度刺激及對(duì)人體汗液酸堿性的抗蝕程度來(lái)判斷人體的健康狀況。

柔性溫度傳感器可根據(jù)溫度的不同，傳感機(jī)制分為熱敏電阻式柔性傳感器、基于硅二極管的探測(cè)器和熱電探測(cè)器[5]。熱敏電阻式柔性傳感器在接觸人體時(shí)，人體的溫度變化會(huì)引起傳感器的電阻變化，相較于其他類(lèi)型的柔性溫度傳感器，它具有靈敏性好、準(zhǔn)確性好和操作性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，被廣泛地運(yùn)用在智能服裝領(lǐng)域中。柔性溫度傳感器相較于傳統(tǒng)溫度計(jì)，在智能服裝中的運(yùn)用范圍更全面，能在任何時(shí)間下監(jiān)測(cè)人體全身的溫度變化。

柔性氣味傳感器可對(duì)人體的十二烷、癸醛與正己酸3 種氣體進(jìn)行檢測(cè)，傳感器由襯底、電極和敏感材料3 部分組成[6]。氣味柔性傳感器在智能服裝中的運(yùn)用也可是外置形式，其形式作用于外界環(huán)境，不針對(duì)人體氣體進(jìn)行檢測(cè)，而是針對(duì)外部環(huán)境的有害氣體進(jìn)行檢測(cè)。

2 柔性傳感器在智能服裝中的優(yōu)勢(shì)及弊端

2.1 柔性傳感器在智能服裝中的優(yōu)勢(shì)

柔性傳感器可檢測(cè)人體在任何環(huán)境、任何時(shí)間和任何狀態(tài)下的身體狀況，相較于傳統(tǒng)的檢測(cè)手段，其突出優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在受客觀因數(shù)的制約較小。柔性壓力傳感器運(yùn)用在檢測(cè)人體運(yùn)動(dòng)狀況的智能服裝中優(yōu)勢(shì)明顯，可根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)肌肉產(chǎn)生的拉伸及不同受力點(diǎn)來(lái)檢測(cè)人體肌肉發(fā)力情況，并敏銳地捕捉其變化，可作為專(zhuān)業(yè)體育訓(xùn)練的檢測(cè)服，以調(diào)整不科學(xué)的運(yùn)動(dòng)方式，提高身體運(yùn)動(dòng)機(jī)能水平，并能有效指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)服設(shè)計(jì)的不斷完善。柔性濕度傳感器運(yùn)用在檢測(cè)人體汗液的智能服裝中優(yōu)勢(shì)明顯，老年人的身體健康狀況可由汗液反映，此傳感器可以及時(shí)地檢測(cè)出穿著者的身體健康數(shù)據(jù)，其多運(yùn)用在老年智能服裝及醫(yī)療檢測(cè)智能服裝中。

柔性溫度傳感器運(yùn)用在檢測(cè)感知力低下人群的智能服裝中優(yōu)勢(shì)明顯，多用于兒童的智能服裝。當(dāng)兒童體溫出現(xiàn)不正常趨勢(shì)時(shí)，感應(yīng)器會(huì)及時(shí)檢測(cè)到異樣信息，然后傳遞到父母手機(jī)或電腦終端設(shè)備，讓孩子能夠及時(shí)就醫(yī)。柔性氣味傳感器運(yùn)用在檢測(cè)外部危險(xiǎn)氣體的智能服裝中優(yōu)勢(shì)明顯，對(duì)于有害物質(zhì)及乙醇等氣體能夠做出及時(shí)反應(yīng)。

2.2 柔性傳感器在智能服裝中的局限性及改善措施

柔性傳感器在智能服裝中的應(yīng)用，與功能性服裝產(chǎn)品相比，成本價(jià)格較高，社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施程度與柔性傳感器發(fā)展速度不匹配是其成本無(wú)法下降的原因，使其止步于高昂的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品。與硬件傳感器相比，柔性傳感器采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性相對(duì)較差，柔性傳感器需緊身穿著才能保證其人體數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，如果傳感器不貼身，便無(wú)法保證數(shù)據(jù)的可靠性，喪失了柔性傳感器的靈敏性。與傳統(tǒng)服用面料相比，其舒適度較低，柔性傳感器的舒適度與硬性感應(yīng)器在服裝上的運(yùn)用而言，柔性化是傳感器的一大進(jìn)步，但這也是相對(duì)而言，柔性傳感器的薄膜材料與真正柔軟的衣著面料還是存在一定差異。以上的幾點(diǎn)都是其發(fā)展過(guò)程中不可忽視的局限性。

為了進(jìn)入市場(chǎng)，規(guī)模性生產(chǎn)是降低其成本的關(guān)鍵，針對(duì)柔性傳感器價(jià)格方面的不足，采用廉價(jià)的新型材料、簡(jiǎn)易的加工工藝及成熟的生產(chǎn)技術(shù)均能有效降低成本，其前期試驗(yàn)投入不可小覷，此項(xiàng)目在社會(huì)大環(huán)境中的技術(shù)成熟到一定程度后，成本便會(huì)降低。針對(duì)柔性傳感器舒適度方面的不足，應(yīng)集中于新面料的試驗(yàn)，復(fù)合新型面料才是柔性傳感器的發(fā)展方向；針對(duì)柔性傳感器靈敏度方面的不足，應(yīng)對(duì)感應(yīng)器件在柔性基底上的分布密度進(jìn)行加大，其達(dá)到一定密度要求、并具有一定的緊身性時(shí)，便能限制外在因素的干擾，使智能服裝具備靈敏性。

3 柔性傳感器在智能服裝應(yīng)用中的發(fā)展前景

在特殊職業(yè)中，智能服裝的發(fā)展前景良好，多種柔性傳感器在智能服裝中的應(yīng)用將發(fā)揮巨大的實(shí)用效益。針對(duì)沙漠環(huán)境工作人員穿著的智能服裝，溫度傳感器及濕度傳感器不僅能夠檢測(cè)工作人員的生命特征，也能對(duì)外部惡劣環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利于工作人員隨時(shí)掌握自身的健康狀況及環(huán)境情況。在這個(gè)過(guò)程中，人員信息與網(wǎng)絡(luò)同步，當(dāng)人員發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，利于搜救，有效降低傷亡率。針對(duì)極地工作人員穿著的智能服裝，溫度傳感器及壓力傳感器可以分別檢測(cè)人體溫度狀況和人體生命特征，當(dāng)極地工作人員或探險(xiǎn)人員出現(xiàn)身體異常時(shí)，感應(yīng)器會(huì)及時(shí)感知，并將身體健康信息及坐標(biāo)位置傳輸給救援隊(duì)，使其能在第一時(shí)間得到救援。

針對(duì)消防員穿著的智能服裝，柔性傳感器應(yīng)是內(nèi)外雙向感應(yīng)，在檢測(cè)人體溫度、汗?jié)竦耐瑫r(shí)，檢測(cè)外部氣候溫度及空氣濕度，如圖1 所示。

圖1 智能消防服柔性傳感系統(tǒng)

紅外輻射熱傳感器和空氣濕度傳感器能對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行客觀分析，幫助消防員科學(xué)合理地判斷救援現(xiàn)場(chǎng)情況，在提高救援效率的同時(shí)，保障自身安全。體溫傳感器與汗?jié)駛鞲衅髂茈S時(shí)監(jiān)控消防員的身體情況，在消防員昏迷或無(wú)法自述身體狀況時(shí)，傳感器可準(zhǔn)確地將人體數(shù)據(jù)傳輸給施救人員，使施救人員準(zhǔn)確及時(shí)地了解被救者信息，有效減少火災(zāi)救援現(xiàn)場(chǎng)消防員的犧牲。

4 結(jié)語(yǔ)

柔性傳感器在智能服裝中的應(yīng)用讓穿著者隨時(shí)隨地了解自己的身體狀況，可做日常生活服裝穿著，其發(fā)展趨勢(shì)適應(yīng)于社會(huì)發(fā)展態(tài)勢(shì)。一項(xiàng)技術(shù)從萌發(fā)到成熟，其速度的周期是越來(lái)越短的，并呈指數(shù)式縮短?？茖W(xué)技術(shù)引領(lǐng)傳統(tǒng)行業(yè)的發(fā)展，智能服裝技術(shù)引領(lǐng)傳統(tǒng)服裝產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，而柔性傳感器決定了智能服裝的發(fā)展。高新科技發(fā)展的時(shí)代孕育了大量的智能產(chǎn)品，除智能服裝外，還有智能頭箍、智能眼鏡和智能手表等，但這些產(chǎn)品功能都是由傳感器實(shí)現(xiàn)的。傳感器在更柔軟、更環(huán)保的同時(shí)，采集人體及環(huán)境信息數(shù)據(jù)也更加準(zhǔn)確，且與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)無(wú)縫對(duì)接，可幫助穿著者及使用者提高生活質(zhì)量及工作效率。