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柔性可穿戴智能纺织是近年来炙手可热的研究热点,由于纺织集合体具有多维多尺度结构、轻质低模量、高柔性及弹性、低成本及结构多元化、高亲肤性等特点,在智能医疗、健康和养老的柔性智能可穿戴领域具有独特的优势。纺织基柔性智能设备与服装无缝连接,实现一体化设计与应用。例如智能服装借助智能传感器及大数据传输系统,可监测老人的体温、心跳、血压等,对老年人的健康进行实时监测和疾病预防。而力学传感器就是将特定力学信息(压缩、拉伸等)按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。
纺织基力学传感器按照工作原理可分为电阻式传感器和电容式传感器。现重点介绍电阻式传感器,该类传感器分为一维纤维状和二维织物状。电阻式传感器利用导电纤维/纺织品的压阻效应制成敏感元件,从而测量微小的力、力矩、压力、加速度等。
一维纤维状电阻式传感器
纤维状电阻式传感器的导电纤维主要分为基体导电纤维和复合导电纤维两种。基体导电纤维主要以碳纳米管、石墨烯等纳米材料为原料。研究人员以碳纳米管阵列为原料,通过牵伸加捻工艺制备碳纳米实现并组装成一维碳纳米管呼吸传感器,对微弱的气流进行响应,可准确识别人体呼气和吸气的电阻变化差异,具有较高的信噪比。
复合导电纤维是通过共混纺丝、化学接枝等方法制备复合导电材料。目前有研究人员以苯乙烯类热塑性弹性体和银纳米线共混纺丝原液经湿法纺丝制备导电纤维,导电率可达2450S/cm,可缝制在手套中检测手指的弯曲信号,可用于健康监测和可穿戴智能服装。
二维织物状电阻式传感器
二维织物状电阻式传感器可检测二维平面的形变,检测范围和应用更广泛。研究人员将炭黑和聚偏氟乙烯涂覆于针织物表面以制备高重复和低迟滞性的脉搏监测传感器,其压力响应误差低于2%,迟滞回线偏差小于10%。机织、非织造、静电纺纳米膜结构在传感器领域也有研究,为柔性可穿戴传感器的低成本、大规模制备提供了一条实用途径。
纺织基柔性力学传感器因其结构可变化性、组合可设计性等特点在智能可穿戴领域具有很大的应用潜力,传感器具有理想的线性度、迟滞性、重复性、灵敏度和稳定性等特点。高导电性、高弹性和回复性、高灵敏度和耐久性是纺织基柔性力学传感器的重要发展方向。