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可穿戴智能织物传感器现状研究
  传统的电子产品通常由刚性的金属和固体复合材料组成,无法满足轻便和耐用的要求,且应用范围窄,限制了其在人体运动监测中的应用。近年来,纤维/纱线(1D)和织物(2D)形式的纺织品因其独特的结构和可织造性,展现出柔软、重量轻、透气性好的特点,在医疗检测、多模态信号监测、视觉交互等领域展现巨大的应用潜力。
  近期,东华大学研究团队以空间维度为切入点,将智能纺织品划分为1D纤维/纱线和2D织物,总结了选材原料和新颖的制备技术,重点对应变传感器的传感机制以及电阻预测模型进行了详细分类和评价,最后就应变传感的多功能化集成进行了展望。
 
 
  首先,研究人员介绍了1D纤维/纱线的制造技术,包括浸涂、喷涂、辊涂、气相沉积和原位化学生长在内的涂层技术,熔融纺丝(直接纺丝和挤出纺丝)和溶液纺丝(静电纺丝、干法纺丝和湿法纺丝)在内的纺丝技术,以及热拉伸和热挤出成型技术。
 
  
  1D 纤维/纱线制造技术
 
  其次,介绍了2D织物传感器集成技术,主要分为三类:(1)将智能纤维通过织造、针织、编织等方法直接制成二维织物,或将导电纤维/纱线拼接到商用织物制备可穿戴服装;(2)以商用织物为基底涂覆功能材料获得传感器件,可通过喷墨打印、丝网打印和3D打印等技术实现;(3)利用天然织物(棉、亚麻和丝绸等)通过高温碳化工艺获得完整的导电网络,进而实现传感功能。
 
  
  2D织物制造技术
   
  传感器的固有传感机制影响传感器的灵敏度,控制传感信号的变化。应变传感器的传感机制繁杂多样,目前缺乏系统的分类。合理的预测模型可以准确再现传感器的信号变化趋势,通过调整优化后有望提升传感器的性能。
  在此,研究人员对1D纤维/纱线和2D织物电阻式应变传感器所涉及到的传感机理,包括纤维形变、隧道效应、裂纹扩展、织物结构形变、电接触和桥接理论,进行了详细分类和评述,归纳了用于解释电阻变化的预测模型,并匹配了对应的传感机制,对模型的优缺点、适用范围、以及未来的改进方向进行了系统性的阐述。同时展示了用于解释碳化织物内部电阻变化的电接触理论,通过建立结构形变与导电通路间的构效关系,精准预测了电阻随应变的变化趋势。
 
  
  用于解释碳化织物内部电阻变化的电接触理论
  
  最后,研究人员就应变传感的多功能化集成进行了归纳总结。展示了基于织物应变传感器开发的新功能及场景应用,如多模式信号监测、可视化交互、能量收集、热管理和医学治疗。
 
  
  纺织传感器的多功能性
 
  据悉,该研究以“Fabrication Techniques and Sensing Mechanisms of Textile?Based Strain Sensors: From Spatial 1D and 2D Perspectives”为题发表在Advanced Fiber Materials上。
  文章来源:Advanced Fiber Materials
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