柔性織物傳感器在智能襪中的應(yīng)用研究進展

摘 要：為促進柔性織物傳感器在智能襪中的應(yīng)用與發(fā)展，借助CiteSpace軟件對柔性織物傳感器的研究現(xiàn)狀進行梳理和總結(jié)；闡述了信息功能材料與柔性基底兩大核心組成材料，介紹了柔性織物傳感器的兩種集成制備方法，著重介紹了壓力傳感器、溫度傳感器和多功能傳感器在智能襪中的監(jiān)測應(yīng)用現(xiàn)狀；最后討論了智能襪存在的局限性及改進方法，并提出柔性織物傳感器在智能襪領(lǐng)域的未來發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：織物傳感器；CiteSpace；智能襪；監(jiān)測應(yīng)用；柔性化

中圖分類號： TS186.3

文獻標志碼： A

文章編號：1009-265X（2024）11-0001-14

近年來，智能可穿戴設(shè)備逐漸走進人們的日常生活。為了滿足實時監(jiān)測人體生理信號和運動防護的需求，可穿戴設(shè)備通常需要與皮膚緊密接觸以精準采集數(shù)據(jù)。然而，高性能的剛性電子器件由于體積較大且不易形變，難以與皮膚實現(xiàn)緊密貼合，從而限制了其在實時監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用。理想的智能可穿戴設(shè)備應(yīng)具有柔韌性、輕便性和易與皮膚相結(jié)合的特性。因此，智能可穿戴設(shè)備逐漸向柔性化和小型化發(fā)展，以滿足人們對舒適性和便捷性的需求［1］。體量小、柔軟性好、透氣貼膚的紡織品逐漸成為智能可穿戴設(shè)備的理想載體。

目前，針對足部監(jiān)測的智能可穿戴設(shè)備已成為研究熱點，且智能鞋、智能鞋墊和智能襪等產(chǎn)品也已成功研發(fā)［2］。相較智能鞋和智能鞋墊，智能襪穿著更加便利，可以廣泛應(yīng)用于室內(nèi)外場景。智能襪早期主要用于運動監(jiān)測，現(xiàn)已應(yīng)用于步態(tài)識別、健康監(jiān)測、多功能監(jiān)測和人機交互等新興領(lǐng)域［3］?？椢飩鞲衅髯鳛橹悄芤m的核心組件，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，它能夠提供實時、準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，為用戶的健康管理和運動分析提供有力支持。而柔性織物傳感器的出現(xiàn)，更是為智能襪的發(fā)展注入了新的活力。這種傳感器不僅輕薄透氣、柔軟可任意變形，還能與其他材料高度集成，顯示了巨大的發(fā)展?jié)摿?，與智能襪適配性高［4］。為進一步提升智能襪的性能和舒適度，研究者們采取了以下兩種針對方法：一方面通過改變?nèi)嵝钥椢飩鞲衅鞯慕M成材料或集成方式來提高監(jiān)測的穩(wěn)定性和靈敏性；另一方面通過改變電子元件與襪子的結(jié)合方式或放置部位來提高舒適度［5］。

柔性織物傳感器不僅為智能襪帶來了技術(shù)上的革新，更為其長遠發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。因此，本文將從柔性織物傳感器的研究現(xiàn)狀、組成材料、集成方法以及在智能襪中的應(yīng)用現(xiàn)狀4個方面進行綜述，并對智能襪的未來發(fā)展方向進行展望，以期為相關(guān)領(lǐng)域研究提供參考。

1 柔性織物傳感器研究現(xiàn)狀

柔性織物傳感器作為智能襪的關(guān)鍵部分，決定了智能襪信號監(jiān)測的穩(wěn)定性和靈敏性［6］。近年來，科研人員對柔性織物傳感器展開了廣泛的技術(shù)和應(yīng)用研究，推動了智能可穿戴領(lǐng)域的進步。為進一步了解柔性織物傳感器目前的研究熱點和現(xiàn)狀，借助CiteSpace可視化分析軟件，對柔性織物傳感器近年來相關(guān)文獻的年發(fā)文量、國家分布、關(guān)鍵詞共現(xiàn)、關(guān)鍵詞聚類、突現(xiàn)詞進行可視化呈現(xiàn)，梳理和總結(jié)柔性織物傳感器研究的整體情況、發(fā)展現(xiàn)狀和研究熱點，同時綜合考慮柔性織物傳感器與智能襪的整體關(guān)聯(lián)性，在此基礎(chǔ)上，深入分析柔性織物傳感器研究的未來趨勢與發(fā)展方向，以期為該領(lǐng)域的進一步研究提供參考。

1.1 數(shù)據(jù)來源

為保證數(shù)據(jù)的準確性和可靠性，本次分析以Web of Science（WoS）核心數(shù)據(jù)庫作為檢索源，針對“flexible fabric sensor”主題進行檢索，時間跨度為2007年1月1日至2024年2月1日，然后對文獻進行篩選，剔除不符合標準的非學(xué)術(shù)性文獻資料，共保留1334條文獻作為此次可視化分析的樣本。

1.2 年發(fā)文量

研究領(lǐng)域的文獻量可以反映研究的熱度和提升狀況［7］。2007—2014年柔性織物傳感器領(lǐng)域的年發(fā)文量發(fā)展趨勢如圖1所示，2013年以前年發(fā)文量發(fā)展緩慢且均未超過20篇，這表明該研究尚處于探索階段；2014—2023年發(fā)文量開始逐年增長，表明學(xué)術(shù)界逐漸開始重視該領(lǐng)域的研究；2023年發(fā)文量高達239篇，這一顯著增長主要得益于科技進步和智能化發(fā)展的雙重推動，使得該領(lǐng)域有了更深入的研究；因2024年文獻檢索于2月1日截止，所以2024年發(fā)文量相對較少，但預(yù)計隨著研究的深入和領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，2024年的發(fā)文量仍將保持增長態(tài)勢。從整體趨勢來看，柔性織物傳感器前景廣闊，未來有望開啟一個嶄新的階段。

1.3 國家分布

研究領(lǐng)域的發(fā)文量在一定程度上可以評估一個國家在該領(lǐng)域的研究能力。2007—2024年WoS收錄文獻發(fā)文量前10位的國家分布情況如圖2所示，發(fā)文量排在前3名的分別為中國、美國和韓國，其中中國的發(fā)文量遠高于其他國家，達到732篇，充分展現(xiàn)了中國在該領(lǐng)域的研究熱情和深入探索的精神，其他國家雖然也有相關(guān)研究，但研究力量相對薄弱，仍有很大的發(fā)展空間。

1.4 關(guān)鍵詞共現(xiàn)

關(guān)鍵詞作為文獻的重要組成部分，能夠有效揭示該領(lǐng)域的研究熱點和趨勢［8］。與柔性織物傳感器研究相關(guān)的關(guān)鍵詞共現(xiàn)圖譜如圖3所示，共得到628個節(jié)點和1124條連線，密度為0.0057。根據(jù)圖4篩選出24個高頻關(guān)鍵詞，如表1所示，被引頻次排在前3的關(guān)鍵詞分別為“flexible sensor”（柔性傳感器）、“flexible pressure sensor”（柔性壓力傳感器）和“strain sensor”（應(yīng)變傳感器），表明柔性織物傳感器的應(yīng)用類型是該階段的研究熱點。其次，“smart fabric”（智能紡織品）的中心性最高為0.28，說明智能紡織品是該領(lǐng)域的研究熱點。

1.5 關(guān)鍵詞聚類分析

關(guān)鍵詞聚類分析是采用聚類統(tǒng)計的方法，將關(guān)聯(lián)緊密的關(guān)鍵詞歸并到同一類別中，形成不同的研究群組［9］。從圖4中觀察到，柔性織物傳感器研究的關(guān)鍵詞共形成10個聚類。圖譜參數(shù)模塊值Q為0.816，大于0.3，表明聚類成員間相似度高、結(jié)構(gòu)顯著，平均輪廓值S為0.934，大于0.7，表明該聚類結(jié)果可信度高。綜合考慮聚類結(jié)果，將柔性織物傳感器的研究劃分為能量與供電、組成材料、應(yīng)用設(shè)備以及監(jiān)測應(yīng)用4個主題：

a）主題1為能量與供電，包括#0 energy harve-sting（能量收集）。對于柔性織物傳感器來說，電能是其工作的基石。現(xiàn)有的供電方式主要包括電池供電、無線充電和環(huán)境能量收集。然而，每種方式都有其局限性，電池供電雖然簡便，但長期使用或頻繁更換電池易降低用戶體驗。無線充電，如電磁感應(yīng)和射頻傳輸，雖然具有便捷性和靈活性，但易受效率和傳輸距離的限制而影響傳感性能。此外，從環(huán)境中收集能量的效率通常較低，且不夠穩(wěn)定，因此，研究人員正致力于探索和開發(fā)新的供電技術(shù)。同時，優(yōu)化能量管理電路和提高供電系統(tǒng)安全性也是研究的重點。隨著技術(shù)的不斷進步和創(chuàng)新，相信未來會出現(xiàn)更加高效、便捷的供電方式，以推動柔性織物傳感器在更多領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展。

b）主題2為組成材料，包括#1 conductive yarn（導(dǎo)電紗）、#3 functional fiber（功能纖維）、#5 polymer（聚合物）和#6 cotton fabrics（棉織物），它們各自具有獨特的性能和優(yōu)勢。#1和#3通常作為傳感材料，用于傳遞和檢測信號。#5和#6作為柔性基底，具有良好的彈性和柔韌性，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的形變和彎曲。傳感材料和柔性基底通過相互結(jié)合和協(xié)同作用，可以實現(xiàn)柔性織物傳感器的高靈敏度、高穩(wěn)定性、可穿戴性和舒適性。

c）主題3為應(yīng)用設(shè)備，包括#2 electronic textiles（電子紡織品）和#4 smart textiles（智能紡織品）。電子紡織品和智能紡織品都是紡織技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，電子紡織品強調(diào)的是電子技術(shù)與紡織品的結(jié)合，更注重數(shù)據(jù)傳輸和環(huán)境監(jiān)測功能；而智能紡織品則更側(cè)重于紡織品對外界刺激的響應(yīng)能力和智能化功能。它們的出現(xiàn)不僅拓寬了紡織品的應(yīng)用領(lǐng)域，也為人們的生活帶來了更多的便利和智能化體驗。

d）類別4為監(jiān)測應(yīng)用，包括#7 pressure sensor（壓力傳感器）、#8 human motion detection（人體運動監(jiān)測）和#9 biomedical monitoring（生物醫(yī)學(xué)監(jiān)測）。目前，在人體運動監(jiān)測和醫(yī)學(xué)監(jiān)測領(lǐng)域的研究已成為研究者們關(guān)注的焦點。人體運動監(jiān)測主要是通過各類傳感器來實時捕捉人體的運動狀態(tài)和運動參數(shù)，并通過算法對這些數(shù)據(jù)進行處理和分析，以實現(xiàn)精準監(jiān)測和記錄。智能監(jiān)測襪作為人體運動監(jiān)測領(lǐng)域中的一種創(chuàng)新產(chǎn)品，通常集成了多種傳感器，如加速度計、陀螺儀和壓力傳感器等，能夠?qū)崟r監(jiān)測腳部的運動參數(shù)，如步態(tài)、步數(shù)、姿勢等，這種創(chuàng)新設(shè)計使得人體運動監(jiān)測更加便捷、舒適和準確。同時，智能監(jiān)測襪在醫(yī)學(xué)監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用場景也非常廣泛，可以用于糖尿病足潰瘍、下肢靜脈曲張、帕金森病等疾病的監(jiān)測和治療，實時輸出患者的生理參數(shù)，如溫度、壓力、心率等，為醫(yī)學(xué)監(jiān)測領(lǐng)域提供新的技術(shù)手段和解決方案。隨著科技的不斷進步，柔性織物傳感器的應(yīng)用前景將更加廣闊。

1.6 突現(xiàn)詞分析

突現(xiàn)詞是指關(guān)鍵詞在某段時間內(nèi)使用頻次突然變化的現(xiàn)象，突現(xiàn)詞分析可反映某領(lǐng)域的研究前沿和發(fā)展趨勢［10］。在關(guān)鍵詞共現(xiàn)的基礎(chǔ)上進行突現(xiàn)詞分析，共得到25個突現(xiàn)詞，如圖5所示。從突現(xiàn)強度看，排名前3的關(guān)鍵詞依次為“wearable electronics”（可穿戴電子設(shè)備）、“flexible strain sensor”（柔性應(yīng)變傳感器）和“design”（設(shè)計），說明設(shè)計是實現(xiàn)可穿戴電子和柔性應(yīng)變傳感器功能和應(yīng)用的關(guān)鍵，同時也是推動它們不斷發(fā)展和創(chuàng)新的重要因素。從時間軸看，“wearable technology”（可穿戴技術(shù)）出現(xiàn)的時間最早，始于2007年且持續(xù)時間最長，展現(xiàn)了可穿戴技術(shù)在該領(lǐng)域的重要性和持久性。柔性織物傳感器是實現(xiàn)可穿戴技術(shù)功能的關(guān)鍵，而可穿戴技術(shù)的發(fā)展也為柔性織物傳感器的優(yōu)化和創(chuàng)新提供了動力。2022—2024年，出現(xiàn)突現(xiàn)詞“MXene”。MXene是一種二維納米材料，將它應(yīng)用于柔性織物傳感器中，可以提高傳感器的導(dǎo)電性和靈敏度，同時增強其穩(wěn)定性和耐久性，MXene的出現(xiàn)為柔性織物傳感器的發(fā)展提供了新的機遇和挑戰(zhàn)。未來，研究者們應(yīng)致力于尋找新材料來提高傳感器的性能、推動技術(shù)創(chuàng)新、拓展應(yīng)用領(lǐng)域以及降低成本，這對于推動柔性織物傳感器在健康監(jiān)測、運動訓(xùn)練、人機交互等領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展具有重要意義。

2 柔性織物傳感器的組成材料

柔性織物傳感器通常以織物為基底，與信息功能材料相結(jié)合構(gòu)成，其靈敏度和穩(wěn)定性與傳感器的組成材料密切相關(guān)。

2.1 信息功能材料

柔性織物傳感器的智能化需要依托具有傳感性能的材料來實現(xiàn)。信息功能材料可作為襪子的傳感材料來獲取、傳輸、存儲、顯示及處理信息。為了提高信號傳感的靈敏度和準確度，要選用合適的信息功能材料，目前主要包括光導(dǎo)纖維和導(dǎo)電纖維兩種，信息功能材料的分類與特點如表2所示。

光導(dǎo)纖維是一種由透明光學(xué)材料制成的可傳導(dǎo)光功率的纖維，可用于多種參數(shù)的監(jiān)測［11］。與石英光纖相比，聚合物光纖具有良好的柔韌性和彎曲性，更適合織造成發(fā)光織物，在傳感及通信等領(lǐng)域也受到重視［12］。自1999年首個聚合物光纖布拉格光柵（Polymer optical fiber Bragg grating，POFBG）問世以來［13］，聚合體光纖的關(guān)注度逐漸提高。Cheng等［14］將聚合物光纖光柵（Zeonex）嵌入硅膠中，制作出條形和片狀的器件，可置于手腕和腹部，分別測量人體的脈搏和呼吸。相比于石英光纖，該傳感器測量的脈搏信號強度提高了4倍，呼吸強度更是超過了400 pm。

表2 信息功能材料的分類與特點

導(dǎo)電纖維通過涂覆或印刷等方法可制備成導(dǎo)電紗線或?qū)щ娍椢?，與襪子一體化集成，制成的智能襪兼具舒適性和功能性。常見的鍍銀紗線，就是將銀納米線或納米顆粒沉積在彈性纖維（如尼龍、PU纖維）上，然后織入織物中，一般用作電阻式應(yīng)變傳感器。在空心彈性纖維中加入碳納米管（Carbon nanotubes，CNTs）作為導(dǎo)電填料，可制備導(dǎo)電碳纖維［15］，用于制作電阻應(yīng)變傳感器、電阻壓力傳感器和濕度傳感器等。如圖6所示，Tseghai等［16］通過絲網(wǎng)印刷聚（3，4-乙烯二氧噻吩）（Poly（3，4-ethylenedioxythiophene），PEDOT）-聚苯乙烯磺酸鹽（Polystyrene sulfonate，PSS）和聚（二甲基硅氧烷-b-環(huán)氧乙烷）（Poly（dimethylsilo xane-b-ethylene oxide），PDMS-b-PEO）導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料生產(chǎn)導(dǎo)電棉織物，可構(gòu)建基于紡織品的應(yīng)變、濕度和生物電位傳感器。

2.2 基底材料

傳感器的柔性化需要依托柔性基底來實現(xiàn)［17］?？椢镆蚓哂腥彳?、可變形、親膚舒適等特點，是柔性傳感器基底的合適選擇［18］。織物基底材料的3種

基本分類及各自特點如表3所示，其中，具有特殊線圈結(jié)構(gòu)、良好延展性以及貼體性等特征的針織物基底，應(yīng)用在傳感器上能更有效地接收到人體活動信息，受到許多研究者的關(guān)注［19］。針織基傳感器在滿足傳感器物理機械性能的同時，也保持了織物的觸感以及柔韌性，部分甚至可以洗滌，使其在智能服裝及可穿戴設(shè)備上的應(yīng)用前景更為廣泛［20］。

3 集成制備方法

以織物為基底的柔性傳感器實現(xiàn)了智能監(jiān)測襪的柔性化。柔性織物傳感器的集成制備方法影響著智能襪的美觀性、舒適性與傳感性能。目前，制備柔性織物傳感器的方法主要有涂覆法和直織法。

3.1 涂覆法

涂覆法是通過物理或化學(xué)方式，將金屬納米材料、碳基材料或?qū)щ姼叻肿泳酆衔锿扛灿诨?，從而形成?dǎo)電涂層，常用浸涂、化學(xué)沉積和絲網(wǎng)印刷等方法對基底進行改性。將織物直接浸漬在含有導(dǎo)電材料的分散液中，干燥后即可獲得導(dǎo)電織物［21］。Lian等［22］采用水熱法合成了銀納米線（Ag nanowires，Ag NWs）溶液，通過在雙層Ag NWs涂層棉之間插入棉網(wǎng)間隔片，充分利用纖維/紗/織物多層次接觸的協(xié)同效應(yīng)，制備出靈敏度高、穩(wěn)定性好的全紡織壓力傳感器，該傳感器的制造工藝如圖7所示。雖然浸涂工藝簡單，但織物表面潤濕性差，在獲得均勻性和附著力方面存在局限性，涂層的導(dǎo)電性能會受到一定影響。在此，為了在各種日?？椢锷蠈崿F(xiàn)均勻涂層，Clevenger等［23］利用氧化化學(xué)氣相沉積（Oxidative chemical vapor deposition，OCVD）技術(shù)將PEDOT氣相成功注入到多種織物（尼龍，聚酯和棉）上，并保持了織物原有的柔韌性和透氣性。但PEDOT直接沉積在口罩上作為低成本的一次性傳感器，耐洗性、耐用性和重復(fù)率較差，故Ma等［24］以炭黑和再生絲膠為原料，絲印在棉織物上，制備了一種基于紡織品的汗液監(jiān)測儀，研究發(fā)現(xiàn)，該汗液監(jiān)測儀具有高靈敏度、柔韌性和可洗滌性（洗滌30次后保留99.1%）。

3.2 直織法

直織法是將信息功能材料通過機織、針織、縫合、刺繡等方法，直接織造成具有傳感性能的織物［25］。其中，以導(dǎo)電紗線/織物為基底制作的柔性織物傳感器充分滿足了對柔韌性、舒適性的高要求，適合人體穿戴。與涂覆法相比，直織法具有更好的柔韌性、耐用性、服用性和較大的測量范圍，現(xiàn)階段主要用于應(yīng)變傳感器以及壓阻式壓力傳感器的制備。Li等［26］制備了一種高應(yīng)變、循環(huán)穩(wěn)定性好的紡織應(yīng)變傳感器，將浸漬MXene的聚酯纖維通過包繞成型的方法編織成具有高導(dǎo)電性、柔韌性和靈敏度的緯羅紋織物。該織物可以感知人體關(guān)節(jié)運動，但存在制備工藝繁瑣，時間成本較高的問題；同時，織造過程中紗線易發(fā)生斷裂或損傷，影響傳感性能；另外，織物產(chǎn)生形變時造成紗線間的相對滑移也會影響織物傳感器的準確性。因此，簡化生產(chǎn)工藝，對信息功能材料進行改性處理提高其可紡性能，或通過改善織物的組織結(jié)構(gòu)來提高其穩(wěn)定性和準確性是直織法制備柔性織物傳感器的發(fā)展趨勢［20］。

4 柔性織物傳感器在智能襪中的應(yīng)用現(xiàn)狀

柔性織物傳感器常見的應(yīng)用類型有壓力傳感器［27］、溫度傳感器［28］和多功能傳感器［29］等，不同類型的傳感器可以監(jiān)測不同的生理信號。將柔性織物傳感器嵌入襪子的測量部位，通過信號處理技術(shù)，可將足部信號無線傳輸至智能設(shè)備進行可視化圖像或數(shù)據(jù)顯示，以此分析和評價人體的生理狀況和足部受力特點，最終達到實時采集和反饋人體足部信息的目的［5］，在步態(tài)識別、疾病預(yù)防、運動監(jiān)測、人機交互等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

4.1 壓力傳感器在智能襪中的監(jiān)測應(yīng)用

柔性織物壓力傳感器可將物體的受力情況轉(zhuǎn)換為電信號［30］。在智能襪中，最常用的傳感器類型是壓阻式柔性壓力傳感器。該傳感器可以無縫集成到襪子的織物中，從而提供連續(xù)且實時的壓力監(jiān)測數(shù)據(jù)。壓阻式柔性壓力傳感器基于壓阻效應(yīng)原理，通過測量電阻變化來間接感知足部的壓力大小和分布，由于其具有靈敏度高、反應(yīng)速度快、制作簡單等優(yōu)點，在智能襪的多個領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。在步態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域，這種壓阻式柔性壓力傳感器可用于步態(tài)輔助、運動防護和運動性能優(yōu)化；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，可用于診斷足部疾病、評估疾病的嚴重程度以及監(jiān)測治療效果；此外，還可用于智能假肢和人體體態(tài)矯正等領(lǐng)域。

4.1.1 步態(tài)監(jiān)測襪

步態(tài)是人類特有的行為習(xí)慣，具有高區(qū)分度的生物特征，主要通過足底壓力分布特征來反饋足底的受力特點和個性化特點［31］。Tirosh等［32］開發(fā)了一款用于測量足底壓力和步態(tài)特征的智能襪子早期原型，可為步態(tài)障礙的人提供步態(tài)輔助。Eizentals等［33］設(shè)計了帶有嵌入式針織壓力傳感器的DAid壓力襪，通過測試無癥狀和扁平足的不同運動模式，驗證系統(tǒng)可控制相對壓力分布，具有臨時閘門功能，有助于避免因腳壓過載而可能造成的傷害，可用于醫(yī)療和體育領(lǐng)域。Sensoria公司開發(fā)的健身智能襪可實時監(jiān)測腳底壓力，纖維織料的壓力傳感器能更好地捕捉到用戶的跑步信號和數(shù)據(jù)［34］。該智能襪通過腳環(huán)磁吸連接襪子，將信號無線傳輸?shù)揭苿釉O(shè)備上進行數(shù)據(jù)分析，與傳統(tǒng)運動手環(huán)相比，可以減少因手腕運動而錯記的數(shù)據(jù)，提高準確性。但在跑步過程脫落后易丟失，且穿戴感較差。因此，除了提高襪子的舒適度，還需優(yōu)化配件設(shè)計，包括配件與襪子的結(jié)合方式以及增加APP防丟失功能等，且由于每個人的足部結(jié)構(gòu)和運動習(xí)慣不同，因此，未來壓力監(jiān)測襪在該領(lǐng)域的研究重點應(yīng)根據(jù)用戶的個性化需求進行定制與適配。

4.1.2 疾病監(jiān)測襪

2011年，法國ANR TecSan項目提出了一種能夠預(yù)防足潰瘍的TexiSense智能襪子的未來設(shè)計［35］。3年后，Perrier等［36］制作出這款智能襪，采用壓阻纖維作為傳感材料，鍍銀纖維用于信號傳輸，這款襪子完全無線，可定制、清洗。其中織入了8個壓力傳感器，并通過藍牙傳輸?shù)街悄苁謾C。但由于測量點位較多，穿戴時不易對準點位。為了克服這個問題，Lin等［37］在襪子上縫了兩條痕跡線來引導(dǎo)用戶，如圖8（a）所示，一條用來校準中線位置，另一條用來校準高度。這款智能襪采用無電池設(shè)計，可感知足底相對壓力的異常變化。該智能襪的監(jiān)測方式如圖8（b）—（c）所示，利用射頻識別（Radio frequency identification，RFID）技術(shù)讀取壓力值，通過RFID閱讀器輻射的射頻能量供電。由于天線與讀寫器的距離L控制在42 cm以內(nèi)，故信號接收距離十分受限。因此，智能襪應(yīng)探索更智能的能量收集方式來擴大信號接收距離，并配有相應(yīng)的可視化設(shè)備，以支持更廣泛的應(yīng)用。

4.1.3 智能假肢感覺監(jiān)測襪

Leong等［38］提出了一種新型假肢傳感可穿戴設(shè)備的概念，采用無創(chuàng)、自我適用和可定制的設(shè)計，用于中低端價格的下肢假肢的感覺增強。智能襪包括192個電阻傳感器交互（16行12列）和6個10 mm振動電機（Pico VibeTM）以創(chuàng)建觸覺反饋系統(tǒng)。這些電機通過魔術(shù)貼安裝在彈性帶上，可佩戴在身體的不同部位（例如手臂、腿、軀干等）。根據(jù)試點研究證明，參與者在穿著傳感襪后能夠區(qū)分在不同位置和不同施加壓力水平下的觸摸。對于未來假肢的研究方向，可以集中在穿戴便利性、無線運行、觸覺反饋等方面，以適應(yīng)更大的運動范圍。

4.2 溫度傳感器在智能襪中的監(jiān)測應(yīng)用

柔性織物溫度傳感器一般在織物基底上集成熱敏材料，感知外界溫度變化并轉(zhuǎn)換成電信號輸出。溫度傳感器在智能襪中的應(yīng)用主要是通過監(jiān)測腿部或足底的溫度變化來評估用戶的健康狀況，特別是針對糖尿病患者的足部并發(fā)癥進行早期預(yù)警。常見的溫度監(jiān)測設(shè)計有溫度傳感器集成技術(shù)［39］和感溫紗線技術(shù)［40］，溫度傳感器集成技術(shù)精度高、穩(wěn)定性好、體積小，但易受環(huán)境影響且成本較高；感溫紗線技術(shù)具有舒適性、美觀性和實用性，但測量范圍有限且穩(wěn)定性較差。與溫度傳感器集成技術(shù)相比，感溫紗線技術(shù)具有更好的柔韌性和可穿戴性，可以輕松集成到智能襪中。

4.2.1 腿部監(jiān)測襪

Wilk［41］發(fā)明了一種醫(yī)療長襪，通過監(jiān)測腿部的局部溫升來預(yù)防或減少靜脈瘀血。溫度傳感器陣列以薄膜形式附著在襪身，監(jiān)測的自然腿溫度通過比較器自動與一個或多個溫度閾值進行比較，當溫度超過閾值時，通過指示器自動生成警報信號。

4.2.2 足底監(jiān)測襪

Mamdouh等［42］開發(fā)的智能襪具有監(jiān)測足底溫度，預(yù)測足底壓力分布的能力。該襪的導(dǎo)線連接方式如圖9（a）所示，由外接導(dǎo)線直接連接7個熱傳感器，并集中連接到中央單元，但連接熱傳感器的導(dǎo)線分布雜亂且舒適性較差，不適合日常穿戴。Eizentals將具有導(dǎo)電效果的銀纖維直接嵌入襪子紗線中［33］，如圖9（b）所示，顯著改善了智能襪的穿著舒適性。

魏道培［43］報道了一款監(jiān)控糖尿病患者腳部潰瘍病變的溫度監(jiān)測襪。溫度傳感器由水洗樹脂包裹微型紗線熱敏電阻構(gòu)成，并鑲嵌于襪子紗線中，穿著舒適。Kent等［44］也提出了一款可以監(jiān)測足底潰瘍變化的感溫襪，通過感溫紗線感知體溫信息。其中納米傳感器被聚酯銅線包裹集成到感溫紗線中，并編織到襪子中，傳感器獲取的體溫信息被傳輸?shù)街悄苁謾C中進行存儲和分析。Reyzelman等［45］介紹了一款日常可穿戴的無線傳感器嵌入式襪子，該襪由神經(jīng)纖維織物制成，并內(nèi)嵌6個微傳感器，能夠精準可靠地檢測雙腳溫度差異。該研究表明，雙腳之間的溫度差異與臨床觀察結(jié)果一致，因此，這款襪子可作為足潰瘍等疾病的早期預(yù)警系統(tǒng)。未來的溫度監(jiān)測襪應(yīng)具備更先進的數(shù)據(jù)處理與分析功能，能夠智能識別異常狀況并及時發(fā)出預(yù)警。同時，還需不斷提升測量的精準度和穩(wěn)定性，以確保能夠更精確地捕捉腳部溫度的動態(tài)變化，從而為用戶提供更加可靠的數(shù)據(jù)支持。

4.3 多功能傳感器在智能襪中的監(jiān)測應(yīng)用

柔性織物多功能傳感器同時集成了兩種或以上的傳感功能，能對多種參數(shù)進行集中測量、處理及輸出，提高了監(jiān)測效率和實用性。多功能監(jiān)測襪具有便攜性、實時性、個性化、預(yù)警性和互動性等多重優(yōu)勢，能夠為用戶提供更加全面、準確和便捷的健康監(jiān)測服務(wù)，現(xiàn)已在運動防護、疾病預(yù)防和人機交互等領(lǐng)域進行廣泛應(yīng)用［46］。表4回顧了多功能監(jiān)測襪系統(tǒng)的設(shè)計及其應(yīng)用。

4.3.1 運動監(jiān)測襪

Zhu等［47］開發(fā)了一種智能襪（S2-sock），該智能襪可以實現(xiàn)行走模式識別和運動跟蹤功能。S2-sock的結(jié)構(gòu)及傳感器的工作原理如圖10所示，利用PEDOT：PSS涂層織物摩擦電納米發(fā)電機（Triboelectric nanogenerator，TENG）與鋯鈦酸鉛（Lead zirconate titanate，PZT）壓電芯片的混合集成，實現(xiàn)能量收集和多種生理信號（如步態(tài)、接觸力、汗液水平等）的傳感功能。對于單個的TENG傳感器，輸出電壓以節(jié)段形式隨著汗液量的增加而降低。而PZT傳感器在1 Hz正常行走時輸出維持在3.3 V左右。因此，將封裝的PZT芯片作為壓電材料加入，可作為不受濕度影響的參考傳感器。TENG與PZT傳感器的結(jié)合可以提供出汗狀態(tài)的定性數(shù)據(jù)，實現(xiàn)功能互補，展示了多功能監(jiān)測技術(shù)與襪子結(jié)合的可行性。

同樣，Guignier等［48］將聚合光纖（Polymer optical fiber，POF）嵌入到襪子的監(jiān)測部位，結(jié)合加速度傳感器，采集人體的運動和步態(tài)信息，并研究了POF嵌入針織物后對壓力和摩擦力的靈敏度。結(jié)果表明，針織物內(nèi)部的POF對壓力和摩擦均敏感，故可應(yīng)用于摔倒監(jiān)測系統(tǒng)。雖然實驗測試驗證了光纖傳感器的準確性和靈敏性，但是光纖具有脆性，在實際應(yīng)用中的耐用性有限。D′Addio等［49］設(shè)計和開發(fā)了一款電子紡織襪（SWEET-Sock），傳感器系統(tǒng)由3個壓力傳感器和1個加速計組成，并通過不銹鋼導(dǎo)線連接，可以分析人體步態(tài)和姿態(tài)。但該設(shè)計的微控制器和加速計集成工藝較為簡單，使得整體體積大于襪口橫截面且不夠柔軟。由于傳感器和電子元件的集成需要考慮到舒適性、耐用性和成本等因素，因此，在保證性能的同時提高產(chǎn)品的舒適性是當前需要解決的問題。

4.3.2 疾病監(jiān)測襪

Najafi等［50］將帶有5個嵌入式FBG的高度柔性薄光纖傳感器（小于0.3 mm）編織在襪子中，可同時測量糖尿病周圍神經(jīng)病患者的足底溫度、壓力和關(guān)節(jié)角度。Puiatti等［51］開發(fā)了1個預(yù)防躁狂/抑郁發(fā)作的智能襪系統(tǒng)，系統(tǒng)包括1個檢測用戶運動的腕戴式手表和1雙提供脈沖信號（指示壓力水平）和皮膚電流響應(yīng)（Galvanic skin response，GSR）的智能襪，共同獲取患者的行為狀態(tài)及精神狀態(tài)，并通過藍牙傳輸至手機評估。

Abtahi等［52］開發(fā)了一種名為“MagicSox”的智能襪，用于收集下肢各種運動屬性的數(shù)據(jù)，監(jiān)測神經(jīng)系統(tǒng)疾病患者康復(fù)期間的情況。智能襪加載了4種不同類型的傳感器，包括2個Flex傳感器、1個壓阻式壓力傳感器、加速計和陀螺儀，用來測量力、阻力、方向和角速度。在此基礎(chǔ)上優(yōu)化后，傳感器和微控制器的連接方式更替為傳感器套管，舍棄了原先的直接縫合。結(jié)果表明，MagicSox在監(jiān)測量化步態(tài)異常（如腳下垂）方面確是一個有價值且可靠的工具。該設(shè)計雖然優(yōu)化了導(dǎo)線嵌入方式，但電子器件仍置于腳背，不便于日常行走，舒適性較差。因此，智能襪的傳感設(shè)備不僅要求柔性化還需放置在合適部位，以改善穿著感受。

4.3.3 深度學(xué)習(xí)襪

人工智能（Artificial intelligence，AI）技術(shù)將高度放大可穿戴產(chǎn)品的智能性，近年來，作為機器學(xué)習(xí)的一個子領(lǐng)域，深度學(xué)習(xí)在圖像處理、語音識別、人類活動識別等方面顯示出了巨大的潛力，它為從各種傳感信號中學(xué)習(xí)原始輸入的高級特征提供了一種有效的方法［53］。因此，深度學(xué)習(xí)方法為實現(xiàn)可穿戴產(chǎn)品的高精度和低計算成本提供了一個有前途和可行的解決方案。Zhang等［54］開發(fā)了一款基于摩擦電的深度學(xué)習(xí)襪，通過摩擦電壓力傳感器（Textile-based TENG，T-TENG）從低頻身體運動中收集能量，通過步態(tài)分析來傳遞有關(guān)用戶的身份、健康狀況和活動信息，也可應(yīng)用于虛擬現(xiàn)實場景。并提出了一種基于襪子信號端到端結(jié)構(gòu)的優(yōu)化深度學(xué)習(xí)模型以用于步態(tài)分析，該模型識別準確率高達90%以上。該襪子可成功應(yīng)用在虛擬現(xiàn)實（Virtual reality，VR）健身游戲中，如圖11所示，可提供用戶更加真實和沉浸式的交互體驗。通過襪子收集的物理信號可以映射到虛擬空間中，以構(gòu)建一個數(shù)字人體系統(tǒng)，用于醫(yī)療健康、運動防護、身份識別和未來智能家居應(yīng)用，在數(shù)字人類發(fā)展中有著巨大前景。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，未來的智能襪要實現(xiàn)與其他設(shè)備的互聯(lián)互通，為用戶提供更全面的健康和運動信息。同時，智能化的數(shù)據(jù)處理和分析算法也將進一步提高智能襪的穩(wěn)定性和準確性，以滿足用戶不斷變化的需求和市場的發(fā)展趨勢。

5 總結(jié)與展望

隨著技術(shù)的不斷進步和創(chuàng)新，柔性織物傳感器在智能襪中的應(yīng)用發(fā)展正在不斷取得新的突破和進展，但仍存在一些不足和挑戰(zhàn)：

a） 傳感器的性能：傳感器性能是智能襪應(yīng)用的核心。盡管柔性織物傳感器在材料創(chuàng)新和集成技術(shù)方面取得了顯著進展，但傳感器的靈敏度、準確性、響應(yīng)速度和穩(wěn)定性仍可能受限，無法滿足實時、連續(xù)監(jiān)測的需求。此外，柔性織物傳感器在長時間使用和洗滌過程中耐久性也可能受到限制。

b） 智能襪的服用性：智能襪需要長時間穿著，因此舒適性至關(guān)重要。柔性織物傳感器與襪子的集成方式，可能會增加襪子的厚度或硬度，從而影響用戶的舒適度。此外，傳感器的布局和尺寸設(shè)計也可能對用戶的穿著體驗產(chǎn)生影響。

c） 智能襪的實際應(yīng)用：目前大多數(shù)智能襪只具備單一信號監(jiān)測功能，而集成多個傳感器可能面臨信號干擾和噪聲問題，影響數(shù)據(jù)準確性，限制其在健康監(jiān)測和運動分析等領(lǐng)域的應(yīng)用。

目前，對于智能襪的研究大多都停留在實驗測試階段，缺乏設(shè)備后期在實際臨床和日常穿戴的推廣應(yīng)用。因此，需要研究者們持續(xù)研發(fā)新材料和新技術(shù)、優(yōu)化集成方式以提高傳感器性能并延長使用壽命；將傳感器朝微型化發(fā)展、優(yōu)化傳感器的布局和集成方式，提高舒適性和美觀性；優(yōu)化多功能集成方式、改善信號采集方法，確保數(shù)據(jù)處理的實時性和準確性，最后，開發(fā)低耗能傳感器并降低成本是智能襪技術(shù)發(fā)展和市場推廣的必然要求。

柔性織物傳感器在智能襪中的應(yīng)用前景廣闊。未來，研究重點應(yīng)轉(zhuǎn)向提升智能襪的傳感性能、提高舒適性、實現(xiàn)多功能集成并降低生產(chǎn)成本，以推動該領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，為人們的健康和生活帶來更多的便利和可能性。

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Research progress on the application of flexible fabric sensors in smart socks

XU" Jiashia，" WU" Qiaoyingb

（a．School of Fashion Design amp; Engineering; b．School of International Education amp; Zhejiang International

Institute of Fashion Technology， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou 310018， China）

Abstract：

With the development of the times and the progress of science and technology， smart wearable devices have received extensive attention from researchers. Among various wearable devices， smart socks are expected to play an important role in the fields of health monitoring， sports protection， disease prevention and interactive learning because of their comfort， softness， high precision， small size and convenience.

In recent years， the application of smart wearable devices is getting increasingly important in people's daily life. Devices with characteristics of softness， comfort， compactness， convenience， and skin-friendliness have become a research hotspot. And in order to meet people's demand for comfort and convenience， smart wearable devices are gradually developing towards flexibility and miniaturization， which gradually makes textiles with small volume， good softness， breathableness and friendliness an ideal carrier for smart wearable devices. The flexible fabric sensor， with the advantages of lightness， thinness， breathableness， softness， deformability， and high integration with other materials， sees great development potential and can be highly adaptable to smart socks. Smart socks for pressure monitoring can identify the wearer's gait information， thus providing gait assistance. They can also be used for disease prevention or treatment; smart socks for temperature monitoring can prevent venous congestion and foot ulcers. Smart socks with multi-functional monitoring are widely used in sports health， disease prevention， human-computer interaction and other fields. As smart socks continue to expand their application range， future research should focus on the development of comfortable and intelligent materials and better integration methods. In such a way， the daily use of smart socks can be realized.

The flexibility and skin-friendliness of flexible fabric sensors are crucial for smart socks. Smart socks can be highly integrated with flexible fabric sensors while meeting the condition of being ideal carriers. At present， smart socks have broad application prospects in gait recognition， disease prevention， motion monitoring， human-computer interaction and other fields. With further optimization and development， smart socks are expected to realize the daily usage and bring us more intelligent life experiences.

As a foot wearable device， smart socks have great potential in the smart wearable field. In the future， these exquisite and multi-functional smart socks are expected to be integrated into people's daily life. They are not only wearable， but also play an important role in sports monitoring， health monitoring， disease prevention， human-computer interaction and other fields. Although smart socks have been developed in a variety of styles and functions， their durability， wearability and scalability remain as problems that researchers need to face and solve. Therefore， it is necessary to improve the materials， integrated processes， and energy supply methods of flexible fabric sensors to expedite the daily usage of smart socks.

Keywords：

fabric sensor; CiteSpace; smart socks; monitoring application; flexible

基金項目：橫向企業(yè)資助項目（22190113-J）

作者簡介：徐佳詩（ 1999—） ，女，浙江衢州人，碩士研究生，主要從事智能可穿戴方面的研究。

通信作者：吳巧英，E-mail：bettywu2000@126.com