研究人員發(fā)明自供電織物觸摸傳感器，將其用于智能人機(jī)交互界面。制造出了可用作人類活動(dòng)檢測(cè)器的形狀適應(yīng)性電子紡織品（簡(jiǎn)稱“SET”），將聚四氟乙烯（PTFE）和銀（Ag）紗線通過繞線機(jī)依次纏繞在軸向金屬化銀紗線上。

當(dāng)提到可穿戴設(shè)備時(shí)，大多數(shù)人會(huì)想到戴在手腕上的智能手表、健身監(jiān)視器和心率監(jiān)測(cè)器等。然而，可穿戴設(shè)備市場(chǎng)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了這些標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，在多個(gè)不同領(lǐng)域的新興市場(chǎng)已經(jīng)暫露頭腳。能夠提供醫(yī)療保健功能的智能服裝便是眾多新型市場(chǎng)中的一個(gè)，它是將電子產(chǎn)品編織到襯衫、毛毯、繃帶、針織帽或褲子中，以此來(lái)執(zhí)行特定的護(hù)理功能。

智能服裝也可以被稱作電子紡織品，目前正處于發(fā)展的初級(jí)階段，在醫(yī)院和其他護(hù)理機(jī)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用非常少。然而，這項(xiàng)技術(shù)的潛力是巨大的，許多醫(yī)療機(jī)構(gòu)和醫(yī)療設(shè)備制造商都在積極尋找智能服裝的試點(diǎn)項(xiàng)目，并研究最新的電子紡織技術(shù)。實(shí)際上，智能服裝在醫(yī)療保健領(lǐng)域有著這樣的期望——在未來(lái)5年里，它將顛覆整個(gè)行業(yè)。

迄今為止，在日常生活中，已經(jīng)出現(xiàn)了許多可穿戴電子設(shè)備，例如衣服，眼鏡，手表，甚至是智能傳感器。但是上述設(shè)備通常需要電池作為電源，缺少靈活性和輕便性。此外，可穿戴電子設(shè)備在透氣性，柔韌性和輕量化方面仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。另一方面，智能觸摸感應(yīng)系統(tǒng)對(duì)于人機(jī)交互界面至關(guān)重要，盡管人造皮膚傳感器具有高靈敏度和形狀適應(yīng)性的優(yōu)點(diǎn)，但它們?cè)谄つw友好性、透氣性和舒適性方面仍需要很大的改進(jìn)。

考慮到制備過程的特點(diǎn)，SET可以簡(jiǎn)單地大規(guī)模集成到織物/布料中。首先，制成的SET具有空氣超透氣性，高靈敏度，快速響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定的輸出性能。其次，制作出的SET還可以靈敏地主動(dòng)監(jiān)視人體的運(yùn)動(dòng)，這為用作自供電主動(dòng)運(yùn)動(dòng)傳感器提供了潛在的應(yīng)用。

為了滿足可穿戴電子設(shè)備的柔韌性，透氣性和柔軟性的要求，SET采用同軸紡織材料制成，具有芯-殼和正交結(jié)構(gòu)，如圖1a所示，共三層。外層和內(nèi)層均為銀（Ag）絲，充當(dāng)電極。中間層是作為摩擦層的PTFE紗線。編織機(jī)用于將單線編織在一起并形成核殼結(jié)構(gòu)。PTFE紗線和外部Ag細(xì)絲之間的PVA用于增加接觸分離距離并確保輸出性能。最后，通過針將制成的SET進(jìn)一步編織成可穿戴的多功能紡織品，以從人體運(yùn)動(dòng)中獲取機(jī)械能。SET的橫截面形態(tài)如圖1b-（i）所示。可以清楚地看到，在外銀絲和PTFE層之間有一些孔，這有助于增加接觸面積。此外，編織SET（尺寸為9×6 cm2）的外觀如圖1b- （ii）所示。

圖1. SET的結(jié)構(gòu)示意圖和工作機(jī)制。 a）具有同軸結(jié)構(gòu)的SET的示意圖。 b）橫截面的光學(xué)顯微鏡照片和SET紡織品的光學(xué)照片。 c）SET的示意性工作原理。

SET的工作機(jī)制是基于摩擦電器件的四種工作模式的垂直接觸分離模式。由于介電PTFE材料和導(dǎo)電Ag電極之間的摩擦極性差異很大，因此可以輕松地進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移。圖1c顯示了接觸分離過程中發(fā)電進(jìn)度的電荷分布。一旦PTFE紗線接觸/分離銀絲，由于電勢(shì)差，電荷將在摩擦層和電極之間轉(zhuǎn)移。通常，在幾個(gè)摩擦循環(huán)后，PTFE和Ag織物會(huì)彼此獲得相同數(shù)量的正電荷和負(fù)電荷。在正常狀態(tài)下，當(dāng)沒有在同軸設(shè)備上施加壓力時(shí)，外部銀不會(huì)與PTFE接觸，因此在兩個(gè)電極之間既不會(huì)產(chǎn)生電荷也不會(huì)產(chǎn)生電荷的轉(zhuǎn)移（圖1c-（i））。一旦外部Ag到達(dá)PTFE，電子將從內(nèi)部Ag電極流到外部Ag電極，以平衡PTFE層與外部Ag電極之間的電勢(shì)差（圖1c-（ii））。但是，當(dāng)外部Ag電極與PTFE完全接觸時(shí)，電路中將沒有電流，因?yàn)榻Y(jié)合的電荷在兩層表面上保持中和，如圖1c-（iii）所示。此外，當(dāng)外部Ag電極遠(yuǎn)離PTFE層時(shí)，電子將流回內(nèi)部Ag電極（圖1c-（iv））。如上所述，說(shuō)明了SET垂直接觸-分離模式整個(gè)周期的信號(hào)產(chǎn)生過程。圖2表明了對(duì)SET性能的研究。

圖2. SET的電氣輸出性能。 a – c）示出了在10N，7N和5N的不同編織張力下的單一復(fù)合纖維表面的SEM圖像，隨著張力的降低，外層銀紗線將變得致密。 d）SET在不同電阻下的輸出性能，電流和功率取決于各種負(fù)載電阻，在電阻達(dá)到10MΩ之前，SET的Isc幾乎穩(wěn)定。 e）Voc和f）Isc在不同張力下的輸出性能。 g）Voc和h）Isc的信號(hào)具有不同的PVA層，制造了不同層的PVA紗線以比較它們的能量收集能力。

得益于針織物優(yōu)異的柔軟性，柔韌性和透氣性，SET可應(yīng)用于各種彎曲的情況。圖3a，b所示，分別顯示了在各種曲率下的SET的圖片以及其在曲率范圍為4-7 cm 時(shí)，Voc和Isc信號(hào)。可以看出，輸出的Voc和Isc符號(hào)將隨著曲率的增加而減小，這是因?yàn)檩^高的彎曲度確保了Ag和PTFE之間足夠的接觸面積。此外，SET已經(jīng)在不同變形條件下的可穿戴電子設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。圖3c顯示了SET如照片當(dāng)中揉搓時(shí)的Voc大小，其峰值約為4V。同樣，圖3d – f是肌肉，肘部和手腕扭曲時(shí)SET相應(yīng)的照片及其Voc大小。值得注意的是，肌肉和腕部過程的實(shí)時(shí)Voc信號(hào)不像另外兩個(gè)過程那樣規(guī)則，因?yàn)榻佑|-分離這兩個(gè)過程并不完整且不明顯。此外，肘部扭轉(zhuǎn)時(shí)，Voc信號(hào)達(dá)到約5.8 V的最大值，因?yàn)楦邚?qiáng)度確保了完全的接觸-分離和進(jìn)一步足夠的接觸面積。還可以在不同的手動(dòng)條件下測(cè)量輸出性能，證明了其在可穿戴電子設(shè)備中的廣泛應(yīng)用。

圖3. SET的輸出性能。 SET具有不同曲率的輸出：a）Voc； b）Isc的曲率范圍為4至7 cm。 c）揉搓時(shí)輸出SET的Voc。 d – f）SET在身體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用：d）肌肉，e）肘部，f）手腕。

學(xué)術(shù)研究機(jī)構(gòu)正在努力的發(fā)展智能服裝，并正在致力于商業(yè)化，高科技面料以及微電子技術(shù)的進(jìn)步，正在為與健康相關(guān)的電子紡織品提供更多的發(fā)展機(jī)會(huì)。

目前，很多想法已經(jīng)著手進(jìn)行試點(diǎn)，比如用于緩解慢性背痛的T恤、用來(lái)監(jiān)測(cè)慢性肺部疾病患者呼吸速率的襯衫、用于監(jiān)測(cè)孕婦子宮收縮和胎兒心率的腹帶、供糖尿病患者使用的壓力監(jiān)測(cè)襪子以及為嚴(yán)重心臟病患者提供的帶有電擊功能的襯衫。

一些專家認(rèn)為，在醫(yī)院里，智能衣服將有望完全取代用于追蹤心率、血壓和氧氣含量的床邊監(jiān)測(cè)設(shè)備。最近，在智能服裝中整合手勢(shì)識(shí)別的想法已經(jīng)引起了Google – Levi項(xiàng)目組的興趣，他們?yōu)樽孕熊囼T行者提供了具有手勢(shì)識(shí)別功能的夾克。許多專家認(rèn)為手勢(shì)識(shí)別能夠在智能服裝領(lǐng)域找到它的一席之地，這項(xiàng)技術(shù)可以供截癱患者使用，也可以為患有中風(fēng)或心臟病的老人或者躺在病床上的老年人使用。在未來(lái)的五年里，這些價(jià)格低廉、技術(shù)成熟的產(chǎn)品將很難被超越。

觸覺反饋或在用戶界面中使用觸摸感知，這在電子紡織品中有將很大的前景，因?yàn)樗梢院苋菀仔⌒突恍枰苿?dòng)機(jī)械部件。觸覺反饋將被用于電動(dòng)肌肉刺激（EMS），它可以感知病人肌肉所產(chǎn)生的從小到大的力量。有觸覺反饋技術(shù)的智能衣服可以在任何時(shí)候，用在身體的任何部位，用來(lái)刺激肌肉運(yùn)動(dòng)或康復(fù)。

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