刺繡技術(shù)在智能紡織品中的應(yīng)用進(jìn)展

馮 源，周金利,，楊紅英，王 政，熊 帆，杜立新

(1.中原工學(xué)院紡織學(xué)院，鄭州 450007； 2.魯泰紡織股份有限公司，山東淄博 255100)

隨著智能紡織品(Smart textiles)的發(fā)展越來(lái)越多樣化，相對(duì)應(yīng)的功能也逐漸趨于穩(wěn)定，用戶對(duì)此類產(chǎn)品設(shè)計(jì)的實(shí)用性與外觀提出了更高的要求[1-2]。刺繡技術(shù)作為智能紡織品領(lǐng)域最常用的開(kāi)發(fā)技術(shù)之一，為上述問(wèn)題提供了解決方案。首先，相比與其他織物加工技術(shù)(如針織、機(jī)織)，刺繡技術(shù)最顯著的特點(diǎn)是可定制纖維鋪設(shè)(Tailored fiber placement，TFP)[3]，即可根據(jù)需求在基底上靈活設(shè)計(jì)紗線排列。因此刺繡可以通過(guò)與人工智能、大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等結(jié)合，根據(jù)個(gè)人需求定制個(gè)性化智能紡織品，為用戶提供更全面的個(gè)性化服務(wù)[4]，使刺繡產(chǎn)品在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能的同時(shí)也可以提供更自由的織物表面美化裝飾功能；其次，刺繡技術(shù)的制造工藝具有良好的再現(xiàn)性，其所開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)具有尺寸穩(wěn)定性[5]；此外，使用電腦刺繡機(jī)的配套CAD打版軟件設(shè)計(jì)圖樣，可確保產(chǎn)品快速成型[6]，在設(shè)計(jì)過(guò)程中幾乎僅需點(diǎn)擊鼠標(biāo)即可完成。

本文主要闡述刺繡設(shè)備的發(fā)展及常見(jiàn)問(wèn)題，系統(tǒng)性地介紹近幾年刺繡技術(shù)在信號(hào)識(shí)別與傳輸、生物傳感、物理傳感以及其他方面的研究及應(yīng)用，并對(duì)其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望，對(duì)刺繡技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義。

1 刺繡設(shè)備的發(fā)展與常見(jiàn)問(wèn)題

刺繡是指用針線在織物表面上繡制各種裝飾圖案，是一種織物成品表面的裝飾方法，涉及不同形式的針跡，具有一定的審美價(jià)值[7]。自第一次工業(yè)革命以來(lái)，機(jī)械刺繡的不斷發(fā)展逐漸代替了手工刺繡，刺繡設(shè)備的不斷升級(jí)是刺繡技術(shù)的發(fā)展關(guān)鍵。1828年，法國(guó)人Josue Heilmann發(fā)明了手搖刺繡機(jī)，在1834年的巴黎博覽會(huì)上展出并獲得了Legin of Honor金獎(jiǎng)，這項(xiàng)發(fā)明促成了現(xiàn)代刺繡機(jī)的發(fā)展。1864年，瑞士人Isaac Groebli發(fā)明了一種通過(guò)機(jī)器沖壓繡制花紋的飛梭刺繡機(jī)，這臺(tái)刺繡機(jī)采用了連續(xù)螺紋針和包含線軸的梭子的組合，大大提高了機(jī)器的刺繡效率，產(chǎn)品效果非常接近手工刺繡。在1865～1945年間，隨著飛梭繡花機(jī)的不斷迭代更新，機(jī)器操作越來(lái)越自動(dòng)化，生產(chǎn)能力也大幅度提高，其技術(shù)范圍隨著科技進(jìn)步而顯著擴(kuò)大。1945年，日本幸福工業(yè)株式會(huì)社開(kāi)始推出電腦刺繡機(jī)，刺繡產(chǎn)品開(kāi)始進(jìn)入數(shù)字化設(shè)計(jì)時(shí)代。相較于傳統(tǒng)手工刺繡工藝，電腦刺繡機(jī)具有成本低、生產(chǎn)效率高、可大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)。20世紀(jì)40年代中期至21世紀(jì)初，在日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)中，電腦刺繡機(jī)的硬件與軟件不斷優(yōu)化升級(jí)，相輔相成，憑借數(shù)字化的便捷設(shè)計(jì)、自動(dòng)編針和矢量美工效果等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，受到市場(chǎng)的熱烈追捧。進(jìn)入21世紀(jì)后，刺繡設(shè)備的發(fā)展重點(diǎn)在于刺繡設(shè)備的配套打版軟件程序，著名軟件有田島(TAJIMA)、百靈達(dá)(BARUDAN)、威爾克姆(Wilcom)、波斯田島等，富怡在國(guó)產(chǎn)軟件中比較著名。圖1展示了市場(chǎng)常見(jiàn)的3種不同規(guī)格的電腦刺繡設(shè)備，可按機(jī)頭(2～24頭)與每個(gè)機(jī)頭的針數(shù)(3～12針)將其主要分類為：?jiǎn)吾槅晤^電腦刺繡機(jī)、多針單頭電腦刺繡機(jī)、多頭多針電腦刺繡機(jī)。電腦刺繡設(shè)備還可按照送料繃架形式分類為板式和筒式，或按繡花所用線跡形式分為鎖式線跡(301線跡)和鏈?zhǔn)骄€跡(101線跡)[8-10]。

圖1 3種不同規(guī)格的電腦刺繡機(jī)

利用電腦刺繡時(shí)，需要選擇厚度與張力合適的刺繡基底織物；而在選擇刺繡用線時(shí)，需要考察線的表面光滑度、均勻度和強(qiáng)度。電腦刺繡機(jī)的一般操作流程是先用電腦刺繡制版軟件設(shè)計(jì)圖案紋樣，再采用電腦刺繡機(jī)按照所設(shè)計(jì)的圖案紋樣在基底上刺繡成型。然而機(jī)械化刺繡過(guò)程中也會(huì)存在一些阻礙，例如在機(jī)器高速刺繡過(guò)程中，繡線隨繡針來(lái)回穿過(guò)繡料要經(jīng)受多次摩擦，繡線會(huì)受到很高的應(yīng)力，以至于某些繡線由于強(qiáng)度較低或表面粗糙度較高等原因，會(huì)在刺繡過(guò)程中發(fā)生斷線、斷針以及刺繡機(jī)卡線等問(wèn)題。斷線一直是電腦繡花機(jī)在刺繡過(guò)程中最普遍且最難解決的問(wèn)題，也是大多數(shù)導(dǎo)電材料無(wú)法作為繡線的技術(shù)難點(diǎn)，繡線的強(qiáng)度不僅與繡線的粗細(xì)和紗線質(zhì)量有關(guān)，也會(huì)受到溫度與濕度的影響[11-13]。因此為了避免刺繡設(shè)備的一些常見(jiàn)問(wèn)題，在操作刺繡機(jī)時(shí)應(yīng)注意規(guī)范操作，注意刺繡機(jī)定期養(yǎng)護(hù)、操作臺(tái)灰塵與紗線清理、預(yù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)線驗(yàn)機(jī)和合規(guī)使用實(shí)驗(yàn)材料等問(wèn)題，以免造成機(jī)器損壞和實(shí)驗(yàn)材料浪費(fèi)。

2 刺繡技術(shù)在智能紡織品中的應(yīng)用

Viktorija Mecnika將刺繡技術(shù)的應(yīng)用分為3個(gè)主要領(lǐng)域：工業(yè)工程、醫(yī)藥業(yè)和智能紡織品[5]，圖2展示了每個(gè)領(lǐng)域的一種代表性刺繡產(chǎn)品[5,14-15]。智能紡織品是屬于多學(xué)科交叉研究領(lǐng)域的一種新興產(chǎn)品，美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)發(fā)布的ASTM D8248-19《智能紡織品標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語(yǔ)》中，智能紡織品被定義為：具有一種或多種因刺激(如機(jī)械、熱、化學(xué)、電氣、磁性或其他來(lái)源的刺激)而變化特性的纖維、紗線、織物或最終產(chǎn)品[2]。除了傳輸與傳感功能外，智能紡織品具有多元、多維和多尺度的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，還展現(xiàn)出輕質(zhì)、低模和親膚等特點(diǎn)[16]，其應(yīng)用已發(fā)展到生物醫(yī)學(xué)、康復(fù)診療、智能制造、航空航天等領(lǐng)域。

圖2 刺繡技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

刺繡技術(shù)憑借其獨(dú)特的加工優(yōu)點(diǎn)為可穿戴設(shè)備、柔性電子織物等產(chǎn)品提供了更廣泛的研發(fā)思路，因此被應(yīng)用在各種領(lǐng)域的智能紡織品研究中[5,17-18]。本文將按照如圖3所示的4個(gè)方面，分別介紹刺繡技術(shù)在信號(hào)識(shí)別與傳輸、生物傳感、物理傳感和其他智能紡織品中的應(yīng)用研究。

圖3 刺繡智能紡織品的應(yīng)用示例

2.1 信息識(shí)別與信號(hào)傳輸

隨著智能可穿戴領(lǐng)域在市場(chǎng)上逐漸擴(kuò)大，柔性織物已經(jīng)具備了信號(hào)識(shí)別與信號(hào)傳輸?shù)墓δ?，與大多數(shù)織物加工技術(shù)相比，刺繡技術(shù)顯著的TFP功能，使其在制備柔性電子標(biāo)簽和信號(hào)傳輸線方面占據(jù)優(yōu)勢(shì)。

2.1.1 刺繡電子標(biāo)簽

在紡織服裝行業(yè)中，現(xiàn)有的貼標(biāo)、吊牌、水洗嘜、防盜扣等類型的射頻識(shí)別(Radio frequency identifi-cation，RFID)電子標(biāo)簽，普遍為硬質(zhì)材料，通常直接粘貼或懸掛在服裝上，存在穿戴不舒適、標(biāo)簽易缺失損壞導(dǎo)致數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)產(chǎn)生誤差等問(wèn)題[18]，無(wú)法滿足現(xiàn)代紡織行業(yè)對(duì)RFID標(biāo)簽穿戴舒適性和精準(zhǔn)管控的要求。為此，RFID標(biāo)簽的穿戴舒適性、共形性，以及與織物的一體化無(wú)縫結(jié)合等方面的應(yīng)用研究逐漸受到關(guān)注。刺繡、電子紗和絲網(wǎng)印刷是制備織物基RFID標(biāo)簽的常用方法，由于織物基標(biāo)簽面臨的應(yīng)用環(huán)境比較復(fù)雜(如反復(fù)洗滌)，因此相對(duì)于其他加工方式，刺繡技術(shù)制備的織物RFID標(biāo)簽具有較好的共形性、與織物的一體化無(wú)縫結(jié)合、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和耐洗滌性，下面將介紹關(guān)于刺繡RFID標(biāo)簽應(yīng)用進(jìn)展。

Chen等[19]采用刺繡技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種帶有織物RFID標(biāo)簽的工作手套，用于可穿戴RFID應(yīng)用，刺繡手套標(biāo)簽在電波暗室和辦公室中靠近人體無(wú)線測(cè)量時(shí)的讀取范圍約為1 m，雖然讀取距離較近，但可繼續(xù)通過(guò)優(yōu)化刺繡圖案和工藝參數(shù)來(lái)提高此種標(biāo)簽的讀取范圍，這種刺繡RFID標(biāo)簽具有較低的成本效益和易集成性。尹雙瑤等[18]對(duì)刺繡RFID標(biāo)簽進(jìn)行了改良和工藝探究，以鍍銀導(dǎo)電紗和純棉機(jī)織布為主要原材料，制得一種超高頻刺繡RFID標(biāo)簽，經(jīng)過(guò)研究針跡類型、針跡間距、針跡長(zhǎng)度這3種刺繡工藝參數(shù)對(duì)超高頻織物RFID標(biāo)簽性能的影響，得出標(biāo)簽天線的適宜刺繡工藝參數(shù)區(qū)間：針跡類型為直線針，針跡長(zhǎng)度為2.0～4.0 mm，針跡間距為0.25～0.40 mm，尤其當(dāng)采用針跡長(zhǎng)度為2.0 mm、針跡間距為0.35 mm的直線針時(shí)，織物電子標(biāo)簽讀取距離最遠(yuǎn)可達(dá)7.6 m。

2.1.2 射頻通信與信號(hào)傳輸

傳統(tǒng)信號(hào)傳輸線大多采用導(dǎo)電性良好、純度高的金屬材料，但其質(zhì)地較硬，不便集成到服裝中，而基于導(dǎo)電織物的傳輸線兼顧了其本身的功能性和織物的柔軟性，更便于集成到織物中，且可通過(guò)合理的工藝設(shè)計(jì)使其具備較好地傳輸電能和信號(hào)的能力。與機(jī)織和針織方式相比，采用刺繡技術(shù)制作信號(hào)傳輸線具有更大的優(yōu)勢(shì)，可在宏觀形貌上呈現(xiàn)很好的美觀性，且無(wú)需膠水黏合或刻蝕等方法即可集成到織物和服裝的表面；并且這種制造技術(shù)生產(chǎn)速度快、產(chǎn)品精度高，對(duì)于單個(gè)定制和批量的生產(chǎn)都是適用的，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)的成本[20-22]。目前的研究表明，通過(guò)刺繡工藝可達(dá)到的天線和傳輸線幾何結(jié)構(gòu)精度為0.1 mm，具有較高結(jié)構(gòu)精度的刺繡天線往往會(huì)表現(xiàn)出優(yōu)異的反射性能和增益，同時(shí)擁有良好的柔軟性、機(jī)械強(qiáng)度以及耐疲勞性[23-24]。

Shah等[25]采用電腦刺繡機(jī)將鍍銀導(dǎo)電紗線刺繡到紡織基板材料上，制備了一種用于離體通信的三角形電子紡織線，如圖4所示，該天線在彎曲條件下保持了穩(wěn)定性，同時(shí)在安全水平下限制了特殊射頻吸收率(Specific absorption rate，SAR)值，表明該天線適合于可穿戴應(yīng)用。Wang等[26]開(kāi)發(fā)了一種新型全身穿戴式天線。實(shí)驗(yàn)通過(guò)在穿戴這種紡織天線的全身模型身上進(jìn)行模擬、測(cè)量，測(cè)試了身體對(duì)頻率失諧和模式陰影等天線性能的影響，所測(cè)得的穿著天線輻射模式與3個(gè)波段在身體上不同位置的模擬吻合良好。徐姍姍[22]通過(guò)研究刺繡傳輸線的信號(hào)傳輸能力與導(dǎo)電紗排列的關(guān)系和刺繡工藝參數(shù)如何影響刺繡傳輸線的傳輸信號(hào)能力發(fā)現(xiàn)，相比于榻榻米針和直線針，周線針更適用于刺繡傳輸線的制作；針跡間距較小、針跡長(zhǎng)度相對(duì)較大的刺繡傳輸線傳輸信號(hào)的能力更好，但波動(dòng)較大，同時(shí)刺繡張力較小的傳輸線傳輸信號(hào)能力較好。王蕊等[27]的研究表明針跡類型、針跡間距、針跡長(zhǎng)度及刺繡張力對(duì)刺繡傳輸線的直流電阻均有顯著影響，其中針跡間距對(duì)刺繡傳輸線直流電阻的影響最為顯著。

圖4 三角形刺繡天線

2.2 生物傳感

生物傳感是采用敏感元件獲取目標(biāo)生物體信號(hào)，再轉(zhuǎn)換成為可視化數(shù)據(jù)的一種信號(hào)采集方法。生物電信號(hào)是生物體極易獲取的信號(hào)之一，利用柔性電極采集生物電信號(hào)的技術(shù)已經(jīng)較為成熟。目前采用刺繡法制備的電極在心電信號(hào)和肌電信號(hào)監(jiān)測(cè)方面有較多研究，由于導(dǎo)電介質(zhì)被放置在織物表面，因此刺繡法電極可以更好地接觸皮膚[28-29]，刺繡電極/皮膚的結(jié)構(gòu)模型及其等效電路如圖5所示[30]。對(duì)于織物電極在服裝上的定點(diǎn)放置，可以認(rèn)為刺繡是一個(gè)理想的技術(shù)選擇。刺繡電極具有很強(qiáng)的個(gè)性化定制功能，在用于健康監(jiān)控時(shí)不僅能夠極其便捷地集成到日常服裝中，也能夠通過(guò)刺繡圖案設(shè)計(jì)美化服裝外觀，在智能可穿戴領(lǐng)域中用于監(jiān)測(cè)人體生物電信號(hào)方面有極高的應(yīng)用潛力。

圖5 刺繡電極/皮膚的結(jié)構(gòu)模型(左)和等效電路(右)

2.2.1 刺繡心電電極

心電信號(hào)是人類最早研究并應(yīng)用到臨床的生物電信號(hào)之一。通過(guò)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)心臟電學(xué)活動(dòng)，分析心臟活動(dòng)時(shí)心肌激動(dòng)產(chǎn)生的心電圖信號(hào)，可以預(yù)防心腦血管和心臟相關(guān)疾病的發(fā)生。若將織物心電電極與服裝集合為一體，可以提高穿戴者在心電監(jiān)測(cè)過(guò)程中的舒適性，能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)期無(wú)意識(shí)的心電連續(xù)監(jiān)測(cè)[31-33]。刺繡技術(shù)已經(jīng)是國(guó)內(nèi)外研究者制備織物心電電極的主要方法之一。

Puurtinen等[34]采用刺繡法制備了5種不同尺寸的織物心電電極，如圖6所示，電極直徑分別為7、10、15、20 mm和30 mm，刺繡所用紗線為鍍銀滌綸紗線，通過(guò)研究電極尺寸對(duì)測(cè)量噪聲的影響，發(fā)現(xiàn)噪聲水平隨著電極尺寸的減小而增加。劉振等[35]研究了不同尺寸、不同形狀的刺繡型織物電極心電信號(hào)采集能力，發(fā)現(xiàn)織物電極的形狀對(duì)采集信號(hào)過(guò)程中電流分布的均勻度影響并不大，但織物電極的尺寸對(duì)采集生物電信號(hào)強(qiáng)度有顯著影響。董科等[17]以碳纖維/滌綸復(fù)合長(zhǎng)絲為電極導(dǎo)電材料，開(kāi)發(fā)了一種新型刺繡電極。通過(guò)與鍍銀錦綸/滌綸刺繡電極的電學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，鍍銀電極雖然電學(xué)性能較優(yōu)，但在長(zhǎng)期心電信號(hào)監(jiān)測(cè)中，碳基電極的阻抗變化與鍍銀電極相近。對(duì)比一次性銀/氯化銀(Ag/AgCl)醫(yī)用凝膠電極，兩種刺繡電極采集到的心電信號(hào)質(zhì)量都很良好，均能滿足醫(yī)療診斷需求。Xu等[36]在線密度為140 dtex的商用2股鍍銀復(fù)絲纖維上先電解沉積一層AgCl，目的是提高導(dǎo)電紗線的抗氧化性能，形成一種Ag/AgCl核殼結(jié)構(gòu)，然后將這種預(yù)處理過(guò)的纖維刺繡到平紋織物上，制得圓形心電電極，經(jīng)過(guò)心電測(cè)試實(shí)驗(yàn)證實(shí)該電極可以獲得高質(zhì)量的心電信號(hào)。胡瑤[37]以鍍銀紗線刺繡的方法制備了一種新的紡織結(jié)構(gòu)心電電極，并在制作刺繡電極的過(guò)程中改變電極基底，對(duì)比了不同刺繡基底對(duì)電極性能的影響，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，以聚丙烯酸無(wú)紡布為基底制備的刺繡電極由于具有良好的吸水性能和保濕性能，能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定地采集心電信號(hào)。Kannaian等[38]通過(guò)在聚酯織物上采用刺繡導(dǎo)電紗線來(lái)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)紡織電極，以測(cè)量患者的心電圖生物信號(hào)。該研究在100%滌綸面料上繡鍍銀尼龍線，采用緞紋針?lè)?，形成三個(gè)心形矢量，結(jié)果表明：電極阻抗的可接受值為1.45 MΩ/cm2，心電信號(hào)與一次性Ag/AgCl電極相似,老化測(cè)試表明電極性能的偏差可以忽略不計(jì)，洗滌后的結(jié)果表明電極的性能不受洗滌過(guò)程的影響，綜合評(píng)價(jià)來(lái)看此種電極適合用于人體心電信號(hào)的連續(xù)測(cè)量。

圖6 5種不同尺寸的織物心電電極

2.2.2 刺繡肌電電極

肌電信號(hào)(Electromyography，EMG)是眾多肌纖維中運(yùn)動(dòng)單元?jiǎng)幼麟娢辉跁r(shí)間和空間上的疊加，頻率范圍約為2～500 Hz，信號(hào)幅度在50 μV～5 mV，具有微弱性、低頻性和高阻抗性[39- 40]。表面肌電信號(hào)(Surface electromyography，SEMG)是淺層肌肉EMG和神經(jīng)干上電活動(dòng)在皮膚表面的綜合效應(yīng)，能在一定程度上反映神經(jīng)肌肉的活動(dòng)。與針電極EMG相比，SEMG在測(cè)量上具有非侵入性、無(wú)皮膚創(chuàng)傷、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[41]。因此，SEMG在臨床醫(yī)學(xué)、人機(jī)功效學(xué)、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及體育科學(xué)等方面均有重要的實(shí)用價(jià)值。

若將表面肌電信號(hào)傳感器集成到紡織品中，用戶只需正常穿著紡織品，傳感器就會(huì)位于相應(yīng)的監(jiān)測(cè)位置。使用刺繡法而不是機(jī)織或針織方式，可以使電極的設(shè)計(jì)和形狀更具有個(gè)性化，從而可以適應(yīng)不同的應(yīng)用和監(jiān)測(cè)場(chǎng)景。Althoefer等[42]開(kāi)發(fā)了一種集成了刺繡肌電電極的慢跑緊身褲，如圖7所示，并成功地測(cè)試了在不同跑步狀態(tài)人體肌肉的疲勞程度，與一次性Ag/AgCl醫(yī)用凝膠電極相比，使用刺繡電極測(cè)量表面肌電信號(hào)會(huì)遇到更高的噪聲水平，與預(yù)期的線性行為的相關(guān)性約為90%，然而力的變化仍然可以區(qū)分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明使用刺繡肌電電極進(jìn)行體力和步態(tài)分析等應(yīng)用是可行的，其不僅可以為被監(jiān)測(cè)者提供更高水平的舒適性和易用性，也能保證肌電信號(hào)的準(zhǔn)確收集。

圖7 慢跑緊身褲

2.3 物理傳感

紡織品傳感器可以提供壓力、應(yīng)力、溫度和濕度等通用參數(shù)的評(píng)估，在結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)和醫(yī)療保健方面有很大應(yīng)用價(jià)值。目前國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者已經(jīng)通過(guò)刺繡技術(shù)制備出效果良好的物理傳感器。大多數(shù)物理傳感器是基于對(duì)電阻和電容變化的測(cè)量，這些測(cè)量數(shù)據(jù)可以用于評(píng)估各種物理、生理過(guò)程和環(huán)境現(xiàn)象等[43]。下面將分別介紹刺繡技術(shù)在應(yīng)變傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器3個(gè)方面的應(yīng)用。

2.3.1 應(yīng)變傳感器

織物應(yīng)變傳感器的工作原理通常是根據(jù)結(jié)構(gòu)變形中刺繡復(fù)合材料的電阻率變化來(lái)估計(jì)的。電阻式柔性應(yīng)變傳感織物在拉伸形變過(guò)程中，導(dǎo)電紗線之間的接觸電阻或紗線自身會(huì)發(fā)生電阻變化，因此可將織物所受到拉力或應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電阻變化信號(hào)，輸出到信號(hào)處理裝置，從而進(jìn)行目標(biāo)監(jiān)測(cè)。

刺繡技術(shù)可以為織物應(yīng)變傳感器在結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方面提供相對(duì)針織和機(jī)織法更高效和低成本的解決方案，可以根據(jù)具體的結(jié)構(gòu)和技術(shù)要求靈活調(diào)整設(shè)計(jì)和加工參數(shù)，并確保監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)內(nèi)部和物體表面的應(yīng)力變化效果?？椢飸?yīng)變傳感器與智能服裝的集合是一項(xiàng)具有發(fā)展前景的研究方向。Vena等[44]通過(guò)采用刺繡技術(shù)將共振散射體與導(dǎo)電線縫制在可伸縮織物上，開(kāi)發(fā)了一種用于結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測(cè)的無(wú)線無(wú)芯片傳感器，如圖8所示，兩個(gè)散射體的組合可以在2D平面中檢測(cè)應(yīng)變，利用頻率步進(jìn)連續(xù)波雷達(dá)技術(shù)，能夠檢測(cè)出后向散射響應(yīng)隨頻率的變化，雷達(dá)也可通過(guò)掃描兩個(gè)正交偏振實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能。

圖8 無(wú)線無(wú)芯片刺繡應(yīng)變傳感器(左)及散射體放大圖(右)

2.3.2 溫度傳感器

溫度傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)體溫實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，在人體健康監(jiān)護(hù)、疾病診斷及治療等方面有著重要的作用[45]，在智能可穿戴領(lǐng)域有線溫度傳感器占有較大比例，關(guān)于智能溫度傳感器的研究近年來(lái)也逐漸增多。

Polansky等[46]采用刺繡法將導(dǎo)電線刺繡到載體面料上，研發(fā)了一種新型刺繡溫度傳感器，導(dǎo)電線由含有聚酯纖維的股線和一根電阻不銹鋼微絲組成，刺繡結(jié)構(gòu)呈螺旋形的曲折圖案，如圖9所示，該傳感器主要應(yīng)用于消防員或其他專業(yè)人員使用的智能防護(hù)服中，為他們提供熱風(fēng)險(xiǎn)保護(hù)，如高溫、火災(zāi)或燒傷。電阻溫度系數(shù)和傳感器靈敏度的計(jì)算值以及長(zhǎng)期熱穩(wěn)定性測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該傳感器在目標(biāo)應(yīng)用中的適用性。

圖9 繡花溫度傳感器

2.3.3 壓力傳感器

壓力傳感器目前在運(yùn)動(dòng)、醫(yī)療保健和工程等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。刺繡式壓力傳感器不僅可以測(cè)量施加壓力的大小，而且可以監(jiān)測(cè)被測(cè)物表面上的壓力分布情況。下面將分別介紹基于電容變化和摩擦電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力感知的兩種織物壓力傳感器。

Zhao等[47]采用刺繡技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種基于納米摩擦發(fā)電機(jī)的織物壓力傳感器，該壓力傳感器具有優(yōu)異的透氣性，且刺繡所用的復(fù)合紗線為自主研發(fā)，紗線表面覆蓋層成分為聚對(duì)二甲苯，紗線內(nèi)芯是利用聚合物輔助沉積法得到表面鍍銅的聚丙烯腈紗線，通過(guò)研究織造結(jié)構(gòu)與傳感器主要性能的關(guān)系還發(fā)現(xiàn)，紡織結(jié)構(gòu)類傳感器的靈敏度、工作范圍和可洗性等都高度依賴傳感器的紡織結(jié)構(gòu)，不同紡織結(jié)構(gòu)的紗線間形成的接觸、初始力學(xué)狀態(tài)和整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的表現(xiàn)的特征是不同的，因此可以通過(guò)適當(dāng)?shù)钠骷O(shè)計(jì)提高傳感器性能。Meyer等[48]開(kāi)發(fā)了一種空間分辨率為2 cm×2 cm的刺繡式電容式壓力傳感器，如圖10所示，這種紡織傳感器在0～10 N/cm2的測(cè)量范圍內(nèi)平均誤差小于4%，該傳感器通過(guò)集成到服裝中來(lái)測(cè)量人體壓力，應(yīng)用涵蓋所有需要具有高局部分辨率柔性傳感器領(lǐng)域，如在康復(fù)和肌肉活動(dòng)引起的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)方面，這種壓力傳感器在未來(lái)有望安裝到內(nèi)褲和坐墊上，以期能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)量臀部的壓力分布，研究臀部壓力和壓瘡跡象的關(guān)系。

圖10 紡織壓力傳感器

2.4 其他刺繡類智能紡織品

除了上述三方面的應(yīng)用，刺繡在智能紡織品領(lǐng)域還有其他一些重要應(yīng)用，例如理療紡織品和調(diào)溫紡織品等。

近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的研究者們對(duì)于將理療功能賦予到智能紡織品越來(lái)越感興趣，理療即物理療法，是利用微弱的外在物理因素引起人的生理反應(yīng)，通過(guò)這些反應(yīng)影響人體的功能，實(shí)現(xiàn)克制病因、促進(jìn)傷病的恢復(fù)等功能。智能理療紡織品不僅能確保在醫(yī)院外連續(xù)治療，也能夠幫助改善患者的生理和心理上的舒適度。經(jīng)皮電刺激(Transcutaneous electrical stimulation，TES)便是一種常用于物理治療或神經(jīng)假體的技術(shù)，它的工作原理是將特定類型的電極放置在皮膚表面，然后從皮膚表面激活人體內(nèi)的可興奮組織，如神經(jīng)細(xì)胞、皮膚受體、其他感覺(jué)器官或運(yùn)動(dòng)單位。針對(duì)不同的激活對(duì)象，工作電極的形狀、大小及電極的其他配置都可按需調(diào)整。Keller等[49]開(kāi)發(fā)了一種TES刺繡陣列電極，這種電極由多層織物組合而成，與皮膚接觸的表層是由等離子涂層金屬線刺繡而成的織物電極，第二層設(shè)計(jì)有電極布線，多層電極的結(jié)構(gòu)是為了防止發(fā)生短路，如圖11所示，且這種TES刺繡電極設(shè)計(jì)靈活、加工簡(jiǎn)便，很大程度地簡(jiǎn)化了電極陣列的制作工藝，所使用的等離子涂層金屬線上的銀涂層具有較高的穩(wěn)定性，能夠經(jīng)受住多達(dá)30次的洗滌。

圖11 經(jīng)皮電刺激刺繡電極

智能調(diào)溫紡織品也是一種很有市場(chǎng)的特殊紡織品，它能夠?qū)崿F(xiàn)在非正常外界溫度環(huán)境中維持人體表皮適宜溫度的功能，例如戶外工作者或登山運(yùn)動(dòng)員，溫控服裝可以在高溫或嚴(yán)寒天氣中保障其生命安全，避免發(fā)生中暑、失溫等危險(xiǎn)情況。李思明[16]開(kāi)發(fā)了一種智能溫控夾克，能為人體提供適宜的溫度環(huán)境，采用刺繡技術(shù)在腹部、胸部、背部、頸部和耳朵部位制備了用復(fù)合金屬線制作的刺繡電路，用來(lái)加熱戶外夾克，刺繡技術(shù)可以針對(duì)夾克的每個(gè)應(yīng)用部分定制最合適的形式，這種刺繡紡織品可以方便而不顯眼地嵌入到衣服上的任何地方，形成任何所需的形狀。由于該設(shè)計(jì)具有體積小、重量輕、靈活性和透氣性等優(yōu)點(diǎn)，佩戴者也會(huì)感覺(jué)到更加舒適。

3 總結(jié)與展望

綜上，刺繡技術(shù)在智能紡織品上的應(yīng)用十分有發(fā)展?jié)摿Γ粌H具有強(qiáng)大的個(gè)性化定制和便捷的織物表面美化裝飾功能，還具有良好的工藝再現(xiàn)性和結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，可確保設(shè)計(jì)產(chǎn)品的快速成型，推動(dòng)新型智能紡織品的量化生產(chǎn)。但刺繡技術(shù)在智能紡織品的應(yīng)用中仍存在導(dǎo)電繡花線供給種類單一、打版軟件功能對(duì)智能紡織品設(shè)計(jì)適用性不足等問(wèn)題，最重要的是推進(jìn)刺繡與醫(yī)學(xué)、電子、通信、材料、紡織等學(xué)科的領(lǐng)域合作，不斷增強(qiáng)、不斷完善產(chǎn)品的功能性與實(shí)用性。在此進(jìn)行了以下幾點(diǎn)展望：

a)國(guó)內(nèi)外對(duì)刺繡專用導(dǎo)電紗線的研究較少，加強(qiáng)對(duì)刺繡用導(dǎo)電紗線的研究與開(kāi)發(fā)，對(duì)提高刺繡技術(shù)在智能紡織品中的應(yīng)用具有重要意義。刺繡紗線不僅需要優(yōu)良的導(dǎo)電性，還需具備足夠的韌性與光潔度，導(dǎo)電材料的選擇也需要符合生物安全規(guī)范。

b)刺繡打版軟件的功能是針對(duì)普通繡花花樣設(shè)計(jì)便捷性而開(kāi)發(fā)，存在對(duì)智能紡織品設(shè)計(jì)適用性不足的問(wèn)題，鑒于刺繡技術(shù)在智能紡織品的應(yīng)用價(jià)值和廣泛性，可以按照智能紡織品的應(yīng)用領(lǐng)域分類，開(kāi)發(fā)用于設(shè)計(jì)智能紡織品的刺繡打版軟件和刺繡裝置，提高設(shè)計(jì)制備智能紡織品的效率、工藝靈活性和產(chǎn)品質(zhì)量。

c)在生物傳感方面，通過(guò)刺繡技術(shù)的跨領(lǐng)域合作，研究出線路噪聲更低、運(yùn)動(dòng)偽跡對(duì)檢測(cè)結(jié)果影響更小的生物醫(yī)用織物電極，目前大多智能紡織品還存在重復(fù)性低和穩(wěn)定性不高的問(wèn)題，制約了紡織傳感材料的直接應(yīng)用。因此，設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)高性能智能紡織品是需要重點(diǎn)研究的方向。