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  纖維具有加工靈活性、穿著舒適性、出色的使用壽命及低成本和大規(guī)模生產(chǎn)的高可行性等諸多優(yōu)勢(shì)，因此基于纖維的可穿戴應(yīng)變傳感器在近年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注，并逐漸在運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、醫(yī)療保健、人機(jī)交互、人工智能等方面展露出優(yōu)秀的研究?jī)r(jià)值及應(yīng)用前景。英國(guó)曼徹斯特大學(xué)李翼教授、李加深博士團(tuán)隊(duì)和福州大學(xué)賴(lài)越坤教授團(tuán)隊(duì)結(jié)合近年來(lái)的典型案例，對(duì)纖維基的可穿戴應(yīng)變傳感器研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)性的評(píng)述。該工作重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了器件的穿著舒適性，在穿著微氣候以及復(fù)雜力學(xué)輸入中的傳感穩(wěn)定性和抗干擾等性能，并指出了相關(guān)研究的未來(lái)發(fā)展方向。

圖1. 圖文摘要

  使用導(dǎo)電纖維制造應(yīng)變傳感器是生產(chǎn)相應(yīng)的高性能纖維基可穿戴傳感器的重要手段。現(xiàn)階段主要制造手段可分為紡絲、表面涂層和誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?nèi)N，并在文章中展示了其在高性能及低成本等方面取得的可觀研究成果。本工作同樣通過(guò)對(duì)于彈性體封裝和無(wú)封裝傳感器的分類(lèi)討論，系統(tǒng)分析了主流的應(yīng)變傳感機(jī)理。在使用彈性體支撐的相應(yīng)設(shè)備中，導(dǎo)電纖維和彈性體分別充當(dāng)傳感元件和機(jī)電保障組件。由于兩者的機(jī)械性能存在明顯差別，因此拉伸過(guò)程中導(dǎo)電纖維所產(chǎn)生的裂縫或斷裂等會(huì)導(dǎo)致電阻的顯著增加，而大量的相關(guān)成果反映了其出色的靈敏度及拉伸性。相比于被封裝的傳感器形態(tài)，無(wú)封裝的纖維基應(yīng)變傳感器可提供更優(yōu)秀的穿戴舒適度，且能夠更方便地通過(guò)表面處理或纖維混合等方式與紗線(xiàn)乃至織物集成（圖2）。相較于多數(shù)彈性體封裝的制造方法，無(wú)封裝的纖維基導(dǎo)電纖維可與紡織品靈活結(jié)合，通過(guò)調(diào)整紡織品及導(dǎo)電纖維的材料，結(jié)構(gòu)，圖案準(zhǔn)確控制該織物的性能。例如編織、刺繡、針織、編織等等多種傳統(tǒng)紡織工藝則可進(jìn)一步給予無(wú)封裝傳感器大規(guī)模生產(chǎn)及提高舒適度的可能。

圖2. 各類(lèi)無(wú)封裝的纖維基應(yīng)變傳感器. （a-b）通過(guò)縫紉方式將導(dǎo)電紗線(xiàn)引入紡織品的示意圖及導(dǎo)線(xiàn)在0和50%應(yīng)變下表面形態(tài)的變化.（c-f）通過(guò)刺繡方式將銅沉積紗線(xiàn)刺繡到織物中的示意圖及圖像.（g）該刺繡傳感器在不同狀態(tài)下的電阻模型變化. （h-j）使用圓形針織機(jī)制備多種結(jié)構(gòu)應(yīng)變傳感器紡織品的示意圖及照片. （k-l）上述傳感器中導(dǎo)電纖維表面產(chǎn)生的拉伸裂紋. （m-n）使用導(dǎo)電紗線(xiàn)制備針織應(yīng)變傳感器的工藝及結(jié)構(gòu)示意圖. 

  通過(guò)身體監(jiān)測(cè)，人機(jī)交互/娛樂(lè)及功能集成三個(gè)方面（圖3），文章詳細(xì)論述了纖維基的可穿戴應(yīng)變傳感器近年來(lái)開(kāi)拓的應(yīng)用場(chǎng)景與可行優(yōu)化。靈敏度的提升給予了相關(guān)設(shè)備實(shí)時(shí)偵測(cè)例如聲帶震動(dòng)，咀嚼，面部表情變化，脈搏甚至心跳等微小形變的能力，展現(xiàn)了面部傳感與健康指標(biāo)監(jiān)控等方面的潛力，而高拉伸性同樣提供了監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的可能。在衣物中添加多個(gè)傳感器構(gòu)成身體傳感網(wǎng)絡(luò)，以此全方位檢測(cè)身體狀況的想法同樣于近年獲得了關(guān)注與研究。將多個(gè)高性能可穿戴應(yīng)變傳感器組成陣列，并集成于手套，袖套等傳統(tǒng)紡織品上則可以提供手部等部位的高性能運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)，展現(xiàn)了人機(jī)交互等復(fù)雜情況下的應(yīng)用場(chǎng)景。文章同樣關(guān)注了對(duì)于纖維基傳感器可靠性的提升以及多功能化的研究進(jìn)展，例如減少濕度，溫度或是其他形變對(duì)傳感器穩(wěn)定性的影響，以及對(duì)于其他環(huán)境刺激的同時(shí)傳感。

圖3. (a-c) 可穿戴應(yīng)變傳感器測(cè)量微小形變.(d) 可穿戴應(yīng)變傳感器測(cè)量不同步態(tài)下的膝蓋運(yùn)動(dòng)情況.（e）身體傳感網(wǎng)絡(luò)測(cè)量全方位數(shù)據(jù).（f）通過(guò)手部傳感器陣列實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)手部運(yùn)動(dòng).

  現(xiàn)如今，基于纖維的可穿戴應(yīng)變傳感器擁有了優(yōu)異的性能，成熟多樣的制備方法以及廣泛多樣的應(yīng)用場(chǎng)景。未來(lái)的發(fā)展發(fā)向主要集中在4個(gè)方面：1）傳感性能的提高，尤其是線(xiàn)性響應(yīng)性能和低的滯后性；2）可穿性和穿著舒適性的優(yōu)化；3）在復(fù)雜穿著界面和環(huán)境中的傳感穩(wěn)定性；4）傳感和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的構(gòu)建的未來(lái)通訊和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

  相關(guān)內(nèi)容于近期以Functionalized fiber-based strain sensors: pathway to next-generation wearable electronics為題發(fā)布于Nano-Micro Letters 期刊上。該論文的通訊作者為曼徹斯特大學(xué)李翼教授、李加深博士，福州大學(xué)賴(lài)躍坤教授；曼徹斯特大學(xué)材料系博士生劉澤堃以及福州大學(xué)化工學(xué)院博士后研究員朱天雪為共同第一作者。

  論文地址：https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-022-00806-8