衣服做成的可穿戴设备？——大面积全织物压力传感器阵列

《左传》中说：中国有礼仪之大，故称夏；有服章之美，谓之华。服章即服饰、衣冠，古人以服饰华采之美为华。千年来，包括棉、蚕丝等织物纤维一直是人们衣服的不二选择。纤维柔软透气、亲肤舒适，人们每天都离不开它。那么，有无可能直接在衣服的纤维上实现可穿戴智能设备和虚拟现实技术呢？近日，中国科学院北京纳米能源与系统研究所蒲雄研究员（点击查看介绍）、胡卫国研究员（点击查看介绍）和王中林院士（点击查看介绍）（共同通讯）的团队，通过Ni涂层聚酯纤维导电图案和碳纳米管（CNT）棉布织物的融合，在普通的织物基底上实现了大面积织物基压力传感器阵列的制备。

随着集成到衣服上的各种电子元器件，如电子皮肤、柔性晶体管、能量收集和存储装置的大量涌现，智能织物（电子织品）和可穿戴设备引起了人们的广泛兴趣。在这些电子元器件中，可以感受或响应外界刺激的压力、应力传感器是电子织品的重要组成部分。智能服装的飞速发展对这些传感器提出了更高的要求，希望其具有和柔性纤维可比的轻质量、舒适、柔性，然而，大多数压力传感器是由传统光刻等方法制备的硅基压力传感器，它们的高硬度、低灵敏性和有限的传感范围很难满足智能服装未来发展需求。

基于以上缺憾，中科院纳米能源所团队研制了大面积全织物压力传感器阵列，可应用于智能服装和可穿戴电子设备中来探测应力分布信号，以对身体的生理活动健康进行实时的检测和响应。这种压力传感器的特点是上下电极均由普通的织物构成（图1a），纤维是由微米级的纤维束编织而成，表面粗糙提供了大量的比表面积，当应力施加在其表面时，上层粗糙纤维束和下层叉指电极的金属颗粒接触和分离，引起输出变化。这种结构使得这种织物传感单元具有高的灵敏度（14.4 kPa^-1 图1b），可以探测手指、不同手势（图1c/d）、声音振动信号。在普通的织物基底上的附着在人造手的不同手指上的压力传感器阵列，输出信号可以实时地随着应力大小的变化而变化，从而使纤维带有“触觉”。

该织物压力传感器可直接穿戴在人体表面，进行一些微小振动如脉搏的探测，如图1e和f所示，脉搏信号的①②③代表的P、T、D峰很清晰，P₁/P₂的值是有价值的医疗信号。由于该传感器全是由纤维构成，所以可以直接集成到衣服上，而不损失衣服原本的舒适和透气性。如图1g，4*4的压力传感器阵列也可以直接在纤维上实现，用于来实时、动态地描绘压力分布。这样，一部分压力和生理健康信号的探测和响应可以直接由嵌入衣服中的纤维传感器完成，不需要外置的器件。

图1. （a）大面积全织物压力传感器阵列制备流程、结构示意图和工作原理；（b）压力传感器的灵敏度；（c）、（d）织物压力传感器附着在人造手的不同手指上实现不同手势的实时电流信号；（e）、（f）器件贴附在手腕皮肤上进行实时脉搏信号的探测；（g）大面积阵列集成到衣服上。

这一成果近期发表在Advanced Materials 上，文章的第一作者是中国科学院北京纳米能源与系统研究所博士研究生刘萌萌。

该论文作者为：Mengmeng Liu, Xiong Pu, Chunyan Jiang, Ting Liu, Xin Huang, Libo Chen, Chunhua Du, Jiangman Sun, Weiguo Hu, Zhong Lin Wang

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Large-Area All-Textile Pressure Sensors for Monitoring Human Motion and Physiological Signals

Adv. Mater., 2017, 29, 1703700, DOI: 10.1002/adma.201703700

导师介绍

蒲雄

http://www.x-mol.com/university/faculty/48477

胡卫国

http://www.x-mol.com/university/faculty/48478

王中林

http://www.x-mol.com/university/faculty/48479