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柔性纺织结构力敏传感器

齐琨 ,  代云玲 ,  欧康康 ,  王梦婷 ,  苏宇 ,  王鸿博

化学进展 ›› 2024, Vol. 36 ›› Issue (8) :1269-1282

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化学进展 ›› 2024, Vol. 36 ›› Issue (8) :1269-1282 DOI: 10.7536/PC240103
综述
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柔性纺织结构力敏传感器

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Flexible Textile Structure Force Sensor

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摘要

In recent years, the development of material science, micro/nano structure design and processing technology has endowed fibers and textiles with various functions, which make them have a wide range of applications in physiological monitoring, medical diagnosis, tactile perception and human-computer interaction. In order to further promote the application of fibers and textiles in the field of wearable devices, this paper reviews the research, development and application of textile structural force sensors in recent years. Firstly, the textile structure force sensors are classified according to the fiber, yarn and textile levels, and the advantages and disadvantages of different textile structure force sensors are briefly introduced. Secondly, from the point of view of preparation process, the preparation methods of textile structure force sensor are discussed, including spinning technology, coating technology and fabric forming technology, and the advantages and disadvantages of various preparation methods are analyzed. Secondly, the applications of textile structural force sensors in the fields of sports and physical training, health monitoring and human-computer interaction are systematically summarized. Finally, the future development trend of textile structure force sensor in the field of smart wearable is prospected, in order to provide new ideas for the research of a new generation of wearable force sensor.

Abstract

in recent years,the development of material science,micro/nano structure design and processing technology have endowed fibers and textiles with various functions,which promote the wide range of applications in the fields of physiological monitoring,medical diagnosis,tactile perception and human-computer interaction.in order to further promote the application of fiber and textile in the field of wearable devices,this paper reviews the recent research and development status and application of textile structure force sensors recently.Firstly,the textile structure force sensors are classified from fiber,yarn and textile level,and the advantages and disadvantages of different textile structure force sensors are briefly introduced.Secondly,the preparation methods of textile structural force sensors are discussed from preparation techniques,including spinning techniques,coating techniques and textile forming techniques,and the advantages and disadvantages of various preparation methods are discussed.Then,the applications of textile structure force sensors in sports and physical training,health monitoring and human-machine interaction are systematically elaborated.Finally,the future development trend of textile structure force sensors in the field of smart wearables is prospected in the hope of providing a novel way for the research of the next generation of wearable force sensors。

Content

1 Introduction

2 Classification of textile structure force sensor

2.1 Fiber-based force sensor

2.2 Yarn-based force sensor

2.3 Textile-based force sensor

3 Preparation method of textile structure force sensor

3.1 Spinning techniques

3.2 Coating techniques

3.3 Textile forming techniques

4 Application of textile structure force sensor

4.1 Sports and physical training

4.2 Health monitoring

4.3 Human-machine interaction

5 Conclusions and outlook

Graphical abstract

关键词

纺织结构力敏传感器 / 纺丝技术 / 涂层技术 / 织物成型技术

Key words

textile structure force sensor / spinning techniques / coating techniques / textile forming techniques

引用本文

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齐琨, 代云玲, 欧康康, 王梦婷, 苏宇, 王鸿博. 柔性纺织结构力敏传感器[J]. 化学进展, 2024, 36(8): 1269-1282 DOI:10.7536/PC240103
Kun Qi, Yunling Dai, Kangkang Ou, Mengting Wang, Yu Su, Hongbo Wang. Flexible Textile Structure Force Sensor[J]. Progress in Chemistry, 2024, 36(8): 1269-1282 DOI:10.7536/PC240103

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1 引言

柔性可穿戴电子器件的出现开创了以用户为导向的舒适设备新纪元。与传统刚性器件相比，柔性可穿戴电子器件具有多种优势，包括与生物组织相媲美的柔软性、可与任意表面顺应性接触、持久的生物相容性、舒适的可穿戴性和承受各种变形的能力等[1⇓⇓⇓⇓⇓~7]。过去几十年，材料科学、器件设计和加工技术的持续创新推动了柔性可穿戴电子器件的迅速发展，特别是柔性可穿戴力敏传感器的发展。它可以适形附着在人体皮肤上，并将外部力学刺激转化为电信号（电阻、电容、电压和电流），在运动数据采集、健康状况监测、人机交互和虚拟现实（VR）等方面有极大的应用潜力[8]。目前，柔性可穿戴力敏传感器的传感机制主要包括5种模式：（1）电阻式，即在力学刺激下导电材料的结构和导电路径变化引起电阻变化，实现力-电信号的转换；（2）电容式，是将外部力学刺激转化为平行板电容的变化，实现传感器的力学响应；（3）压电式，其工作原理是压电晶体在机械刺激下变形而产生电偶极矩分离，进而产生电信号的变化；（4）摩擦电式，即在不同力学刺激下通过摩擦电和静电感应产生不同的电流或电压信号变化[9]；（5）离电式，是一种新兴的模拟环境刺激下依赖离子迁移的压力和触觉传感方式，其利用发生在电解质电子纳米级界面上产生的界面双电层的超电容特性实现了超高压力灵敏度、高抗干扰性、高分辨率以及对静态和动态压力的响应，在监测人体活动和医疗保健中具有广泛的应用前景。

柔性可穿戴力敏传感器由柔性基材和导电功能材料构成。其中柔性基体需要具有足够的应变能力和与人体皮肤的适应性以保证柔性可穿戴力敏传感器收集和监测信号的准确性以及舒适的用户体验[10⇓~12]。纤维材料具有质轻、柔软、透气、舒适以及易于与其他材料集成等优势[12,13]。因此，在各类柔性可穿戴力敏传感器中，结合纺织纤维材料和电子元器件的纺织结构力敏传感器备受关注。目前，用于纺织结构力敏传感器的纺织基材大致可分为三类，包括纤维膜/块基材、一维纤维/纱线基材、二维/三维织物基材[14,15]。另外，导电功能材料为纺织结构力敏传感器提供电学性能，是传感器的关键材料[16]。如何在保持纺织结构力敏传感器的优良电学性能前提下，使其兼具纤维材料的特征（如柔韧性、透气性和可穿戴性）、较好的力学性能与人体舒适性，并实现导电功能材料在纤维材料中的集成和传感功能一直是研究的热点问题之一。通过对制备技术进行创新和优化改进，研究人员已开发出多种新型柔性纺织结构力敏传感器，这些传感器不仅具有纤维材料的人体舒适性和突出的力学性能，还兼具优良的电学特性。目前制备纺织结构力敏传感器的主要技术可归纳为三大类，分别为涂层技术、纺丝技术和织物成型技术。随着制备技术的持续创新，纺织结构力敏传感器在运动监测和训练、医疗检测和人机交互等领域的应用前景也得到了极大的扩展[17⇓~19]。

本文从纺织结构力敏传感器的分类出发，综述了纺织结构力敏传感器的制备方法及其基本原理和优缺点。最后，介绍了纺织结构力敏传感器在运动和体育训练、健康监测和人机交互中的应用和进展。

2 纺织结构力敏传感器的分类

纺织品结构层次包括纤维、纱线和织物，不同纺织结构的传感器在性能上存在差异。纤维是制备纺织品最基本的成分，主要包括长纤维和短纤维。单丝或纤维集合体可以通过共混、加捻和缠绕等一系列工艺制成连续的纱线。通过机织、针织、缝合或编织等方法可以将纱线整合起来制备出二维和三维的纺织品[20]。下面将从不同的结构层次来介绍纺织结构力敏传感器。

2.1 纤维力敏传感器

纤维力敏传感器有单纤维、纤维膜、纤维基气凝胶等形态。单纤维具有纤细、柔软和比表面积大等特点，可适应各种变形，且易于嵌入织物，是制备柔性力敏传感器的理想基体之一[21]。目前，研究人员主要通过干/湿法纺丝、熔融纺丝、模板法/毛细管法或涂层技术等构建含有导电功能材料的复合纤维，并将其组装形成单纤维状力敏传感器。纤维膜内无数根纤维相互交错进一步形成丰富的多孔分级结构，这些结构不仅使力敏传感器在机械刺激下更易产生变形而具有更宽的传感范围和更高的灵敏度，而且能够满足人体对热湿舒适性的要求。纤维基气凝胶是通过将纤维分散到溶剂中制成纤维分散液，经冷冻干燥后制得。纤维基气凝胶内部存在溶剂升华形成的大孔以及由纤维堆积形成的孔壁。因此，与传统气凝胶相比，纤维基气凝胶可以赋予传感器低密度、易于改性、高孔隙率、良好的生物相容性和柔性以及优异的压缩回弹性等优良特性，其独特且可控的多级多孔结构为导电通路提供更多的接触面积，有利于提高检测力学刺激的灵敏度[22,23]。

2.2 纱线力敏传感器

与纤维力敏传感器相比，纱线力敏传感器不仅可以更好地通过机织、针织、拼接或编织等方式进一步融入纺织面料，而且具有更高的力学性能、耐磨性能和稳定性能，利于制造出适于人体穿戴的智能纺织品。此外，纱线力敏传感器包含更多相互交错的纤维，并具有多孔分级结构，能够在力学刺激下实现纱线中不同纤维之间的接触分离，从而能够有效拓宽传感器的传感范围，提高传感灵敏度[24]。纱线力敏传感器主要是通过加捻缠绕的方法制备。包芯纱一般以强力和弹力较好的纤维长丝为芯纱，通过包覆功能纤维加捻纺制而成，兼有芯纱和功能纤维的优良性能。通过选择合适的皮芯结构，可获得具有高强度的多功能传感纱线。纱线的不同加捻结构也会影响力敏传感性能[25]。通过纱线中纤维的加捻、缠绕方式的变化或不同纤维间共混方式的不同，也可以进一步提高纱线力敏传感器的灵敏度和工作范围。

2.3 织物力敏传感器

织物是通过纱线交织或线圈相互串套形成的柔性可穿戴材料[26]。与纤维/纱线力敏传感器相比，织物/纺织品的力敏传感器具有大传感区域、高空间监测精度和稳定的传感结构。目前，将导电功能材料集成到织物中构建力敏传感器主要有两种方法：（1）在现有织物/纺织品上直接负载导电功能材料构建织物力敏传感器。主要利用浸渍和涂覆技术，通过调控织物的纤维结构、多孔结构、表面能以及紧密度等结构和性能，将导电功能材料均匀牢固地负载到织物上制备织物力敏传感器[27,28]。（2）将具有良好的可缝纫和可编织性的传感功能纤维/纱线缝制或编织为织物力敏传感器[29,30]。相较于直接在织物上构建织物力敏传感器，将具有不同功能的纤维/纱线大规模集成到纺织系统中，更有利于实现多功能传感。

近年来，三维织物由于结构稳定性高，更容易与工业生产相结合，成为智能纺织品的新兴平台。它是纱线在厚度方向产生交织的一种新型织物。与传统的二维织物相比，三维织物具有结构完整、尺寸稳定、高防护和高保温等优点。三维织物的空间框架结构赋予其更大的运动空间，纤维之间有足够的接触分离，结合传感机理设计和制备多层织物结构力敏传感器具有较高的压缩弹性，可有效提高力敏传感器的灵敏度[31] 。

3 纺织结构力敏传感器的制备技术

研究人员通过优化改进工艺已开发出多种纺织结构力敏传感器，制备主要包括纺丝技术、涂层技术和织物成型技术。

3.1 纺丝技术

纺丝技术在制备导电复合纤维方面具有独特的优势。目前用于导电传感纤维制备的纺丝技术主要有熔融纺丝、预制件-热拉伸纺丝、湿法纺丝、微流控纺丝和静电纺丝等[32]。“预制件-热拉伸”纺丝是从光纤制造领域迁移到纺织领域的新方法，适用于多组分纤维的制备。Zhang等[33]将热塑性弹性体和炭黑颗粒的混合物通过热拉伸技术制造出一种电阻式纤维传感器。该传感器具有超高的拉伸性（400%）、高应变灵敏度（≈1960）以及优异耐久性。然而，该技术需要较高的工作温度，且仅适用加工热稳定的热塑性材料的纤维，适用范围较窄。熔融纺丝是熔融聚合物通过喷丝板挤出，并在冷却过程中固化形成长丝的一种纺丝技术。Lim等[34]基于熔融纺丝技术，将银颗粒和CNTs作为导电材料嵌入聚丙烯纤维中制备了导电纤维。然而，熔融纺丝技术制备的导电纤维电导率较低，仅为4.1×10−2~7.2×10−2 S/cm，这是由于导电功能填料含量阈值较低，只允许有限的导电填料掺入。溶液纺丝技术适应性更广，通过不同的纺丝方法可以获得多种组分和结构不同的纤维，在开发导电传感纤维方面具有广泛的应用。本节重点介绍三种最常用的纺丝技术：湿法纺丝、微流控纺丝和静电纺丝。

3.1.1 湿法纺丝

湿法纺丝是将聚合物溶解在溶剂中制备纺丝液，并将纺丝液通过喷丝板挤入凝固浴形成纤维的纺丝方法[35]。由于导电填料在溶液体中的聚集体比在熔体中的聚集体少，其在聚合物相中高度分散，有利于生产均匀的高导电纤维，这对实现高灵敏的力学传感至关重要。此外，湿法纺丝成本低，可加工热塑性和热固性聚合物材料，并能够同时引入其他功能材料。这使得湿法纺丝适用于制造功能纤维，并应用于柔性传感领域[36]。图1a展示了Wei等[37]基于湿法纺丝和浸渍技术构建出的聚多巴胺修饰的可伸缩导电MXene/TPU纤维，该纤维可以与铝箔复合材料构建纤维基TENG，并可集成织物通过同时实时响应电信号用于能量收集和人体运动传感，为先进的可穿戴能源设备、智能织物和人机交互的发展提供了新方法。Pei等[38]采用连续湿法纺丝成功构建出具有分级多孔结构的高导电性银纳米线-细菌纤维素（Ag NWs-BC）纤维（1.3×104 S/cm），不同孔径的分级多孔结构赋予Ag NWs-BC纤维良好的可压缩性，实现了接触和非接触模式下的双模式电容响应。

同轴湿法纺丝技术是研究人员对湿法纺丝技术改进后的一种新方法，可实现除均质纤维外多组分纤维结构的构筑。同时，利用该技术制备的核壳结构纤维可有效改善传感材料暴露在空气中的问题。如图1b所示，Zhang等[39]通过同轴湿法纺丝技术制备出具有皮芯结构的高导电MXene@芳纶纳米纤维（ANF）复合纤维。ANF作为皮层不仅具有骨架的支撑作用和保护芯层的功能，还将MXene与外界环境隔离避免氧化，并能够避免MXene间直接接触，防止短路事故的发生。MXene@ANF复合纤维具有高导电性（高达2515 S/m）和高强度（130 MPa），可用作电阻式可穿戴传感器监测人体动作。

3.1.2 微流控纺丝

微流控纺丝技术（MST）融合了微流控技术和湿法纺丝技术的优势特点，采用微流控芯片代替了传统的喷丝头，可设计制备常规纺丝技术难以实现的复杂结构微纤维[40,41]。它可以理解为纺丝成型过程被微缩集成到微流体芯片微通道中的湿法纺丝技术。与传统纺丝方法相比，该技术不仅存在物理牵伸的过程，还可能涉及化学反应过程。MST将整个纺丝过程集成在一个几平方厘米的微流控芯片中，加工工艺简单，通过调节微流体的流速来调整纤维的核壳结构，实现不同形态纤维的制备。如 图2所示，Qu等[40]提出在多相同轴流中结合流体动力定向和MST制备不同直径微纤维的工艺。该工艺可以利用流体力学对微纳米结构进行排列和组装，实现大分子链可控取向排列，制备出海藻酸钙微纤维的最大强度可达185.1 MPa，微纤维尺寸均匀一致。在此研究基础上，该团队进一步利用MST提出了基于非溶剂诱导相分离原理构建具有多尺度无序多孔弹性聚氨酯（MPPU）纤维方法，并结合浸渍技术将GO附着在MPPU纤维上，制备了GO@MPPU导电传感功能纤维。该纤维可以通过电阻变化测量体温，监测人体运动和细微的人体生理信号[41]。

3.1.3 静电纺丝

静电纺丝是一种制备纳米纤维的高效通用技术，它利用电场作用拉动聚合物溶液来制造纳米纤维[42]。静电纺丝纳米纤维膜以其多孔结构、易于与其他功能材料结合以及独特的形态等优势，在可穿戴设备中展现出良好的应用价值。如图3a所示，Liu等[43]通过静电纺丝技术制备出聚乙烯醇（PVA）纳米纤维间隔层，并将其与锌箔、聚偏氟乙烯-共六氟丙烯-氧化石墨烯薄膜（PVDF-HPF-GO）和负载VO2（B）的不锈钢铜网组装成压力传感器（ZIB-P）。该传感器能够实时监测人体生命体征信号（脉搏、肢体运动等）。Sun等[44]基于静电纺丝技术设计一种新型的聚离子液体微孔纳米纤维膜（PILNM）作为压力传感器的传感元件，如图3b所示。具有丰富离子和微孔结构的PILNM膜可视为一种新型聚合物介电材料，可用于微弱刺激下的电容变化信号放大，表现出极高的传感稳定性，适用于监测不同人体运动和脉冲振动。Lin等[45]通过静电纺丝技术开发了一种全纳米纤维离子压力传感器，该传感器在电极/电解质接触界面处形成双电层，使其在0~5 kPa压力下具有217.5 kPa-1的高灵敏度，响应/恢复速度快（30和60 ms），能够监测关节弯曲引起的大压力信号和咳嗽、呼吸、脉搏等微弱振动信号，显示了其在健康监测领域的应用前景。

传统静电纺丝技术制备的纳米纤维大多呈现随机排列的纳米纤维膜结构，这种膜结构力学强度较弱，在受到机械刺激（拉伸和弯曲等）时由于较高的局部应力极易受到磨损，且不具备编织性，无法与传统纺织品复合从而限制了其在更广泛领域的应用。

为了改善纳米纤维膜的力学性能并赋予其可编织性能，通过对纳米纤维进一步加工制备出了纳米纤维纱线。制备纳米纤维纱线最常用的方法是共轭静电纺丝法。它通过加捻使纤维间的缝隙缩小、摩擦增加、抱合力提高，有效减少单根纤维的滑移和变形，显著提高纱线的强力和韧性。同时，加捻纱线结构的高孔隙率和大变形空间使其对外界机械刺激（拉伸应变、压力和弯曲）更加敏感，是制备高灵敏、宽传感范围多功能传感器的理想结构。Dai等[46]采用一步共轭静电纺丝工艺制备一种基于包芯Cu/P（VDF-TrFE）纳米纤维纱线的平纹结构压电传感织物。该传感织物具有良好的柔韧性和传感性能，可以通过收集布料产生的电流来监测人体的运动。Wang等[47]基于共轭静电纺丝技术将P（VDF-TrFE）纳米纤维在可拉伸导电纱线表面连续加捻成费马螺旋结构，构建出具有结构动态稳定性的摩擦电式电子纱线。该纱线的P（VDFTrFE）纳米纤维层和电极在动态拉伸过程中由于循环接触/分离会产生界面电荷转移，从而产生摩擦电信号，可满足各种复杂的能量收集和运动感知，如手势识别和液滴发电等，促进了纺织结构电子器件的发展。Ling等[48]将共轭静电纺丝和芯纺丝两种工艺进行结合提出了电辅助包芯纺纱技术并设计构建了一种鞘芯摩擦电纳米纤维发电机（SC-TENG）纱线，如图3c所示。经过结构优化制备的SC-TENG具有高灵敏度，快速响应时间为5 ms，最小检测限为0.41 mN。

静电纺丝具有技术成熟、设备简单、纺丝成本低、可纺丝材料种类多、工艺可控等优点，是功能纤维制备中不可替代的方法，已被广泛用于可穿戴传感器的制备。

3.2 涂层技术

涂层技术主要是通过浸渍、原位聚合/原位生长、喷涂/静电喷涂和印刷等方法在纤维、纱线或织物表面形成导电传感层，并构建出具有高灵敏度和高拉伸性的纺织结构力敏传感器。

3.2.1 浸渍技术

浸渍技术通过将纤维基材浸入含有导电功能材料的溶液中进行涂层。浸入导电功能材料溶液后的纤维基材表面会覆盖一层溶液，溶剂蒸发后溶液中的导电功能材料会以一定的厚度沉积在纤维表面，形成导电传感涂层[49⇓~51]。如图4a所示，Zhao等[52]以微流控技术制备的海藻酸钠微纤维为基材，通过水凝胶纤维流入和流出硅油和GO的混合浴在纤维表面形成GO纳米片涂层外壳，该纤维在运动传感和手势指示方面显示出巨大的应用价值。Zheng等[53]采用浸渍技术制备了导电MXene/棉织物，并将其组装成电阻式压力传感器。利用棉织物优异的柔韧性和三维多孔结构，传感器具有高灵敏度、宽传感范围和快速响应，并实现了人体健康信号的监测，在下一代可穿戴电子产品中显示出巨大潜力。

浸渍技术具有操作简单、涂料利用率高等优势且不需要特殊的设备，因此适合大规模生产。虽然浸渍技术可以生产具有高灵敏度和较高传感范围的纺织结构力敏传感器，但存在涂层的厚度不匀，涂层与纤维基体之间的界面黏附较弱以及在重复变形过程中易脱落等问题。

3.2.2 原位聚合/原位生长技术

原位聚合技术也是制备纺织结构力敏传感器的常用方法，其主要是将纤维基体浸泡在含有单体、氧化剂和掺杂剂等混合溶液中，在纤维表面发生聚合反应而形成连续化涂层[54]。Xing等[55]将改性蚕丝纤维和EDOT单体溶液充分接触，然后EDOT在纤维表面被CeO2氧化而发生原位聚合反应，最终大量PEDOT在纤维表面生长并形成导电传感涂层，如图4b所示。该方法制备的导电纤维具有优异和稳定的应力和应变传感性能，可通过电阻信号变化实时监测人体各部位的活动。Rehman等[56]也通过原位聚合反应将苯胺聚合到羊毛织物表面与纳米金刚石形成聚苯胺-纳米金刚石电阻式复合传感织物，该复合织物显示出高拉伸应变灵敏度。

原位生长法是利用预处理的载体表面作为化学反应区，将其置于反应环境中，通过水热或溶剂热合成法在基底表面同步成核、生长、成膜的方法。该方法操作简便，易于放大，是最常用的有机框架膜制备方法，适用于MOFs、COFs、CMPs和HOFs等多种材料。如图4c所示，Cao等[54]采用原位生长技术将沸石咪唑盐框架（ZIF-8，MOF）修饰在电纺聚偏氟乙烯（PVDF）纳米纤维表面，并将其与纯PVDF纳米纤维膜和导电布组装成电容式传感器。该传感器能够实现人体运动和生命体征的监测。与使用混合的ZIF-8/PVDF纳米纤维膜制备的传感器相比，灵敏度（5.94 kPa-1）显著提高了300%，且有效防止了ZIF-8团聚。Fan等[57]利用原位生长技术在碳布上生长导电镍MOF纳米线阵列（Ni-CAT@CC），将Ni-CAT@CC组装成电阻式传感器，该传感器能够监测人体运动，如肘部弯曲、膝盖弯曲和手腕弯曲。

相较于浸渍技术，原位聚合/原位生长技术使导电材料与纤维材料间的结合力更强，能够提高纺织结构力敏传感器的耐久性，且原位聚合/原位生长技术制备的导电涂层更加均匀，有利于提高传感器的灵敏度和稳定性。

3.2.3 印刷技术

印刷技术可在纺织结构基体材料的特定位置实现非全覆盖图案化功能涂层。目前在印刷电子产品制作工艺中，常用的印刷工艺有丝网印刷和喷墨打印[58⇓⇓⇓~62]。丝网印刷技术是将印花浆料经丝网镂孔版刮印在纺织品上赋予其图形的方法。相比其他印刷技术，丝网印刷通过选用具有特定图案的网版，可快速完成大规模的生产和图形化定制，具有印刷速度快、适应基材范围广、质量稳定等优势。图4d展示了Cao等[59]采用丝网印刷技术将由银和透明黏合剂制成的水性导电油墨沉积在纺织品表面制备的电阻式传感纺织品。该电子纺织品具有高应变灵敏度和宽传感范围，并可以实现人体运动监测。

虽然丝网印刷技术在智能服装和智能纺织品的制备上展现出巨大的应用潜力，但其仍存在一些缺点，如丝网印刷技术只能在平面结构基材上印刷、制备的传感器分辨率有限等。

3.2.4 喷涂/静电喷雾技术

喷涂技术利用高速气流、静电斥力等，将溶液/液体分散成均匀的微/纳米液滴，溶剂蒸发后导电功能材料均匀沉积在纺织基材表面形成传感涂层[63,64]。Zhao等[64]采用静电纺丝技术制备了TPU纤维，同时加压的喷嘴将Ag NWs分散液喷出，溶剂蒸发后Ag NWs沉积在TPU纤维表面组装成非织造导电纺织品。该导电纺织品具有5114 S/cm的高电导率和优异的拉伸传感性能。

静电喷雾技术是溶液在高压电场作用下细化成微小液滴，并通过电场作用沉积在纤维表面的方法。如图4e所示，Liu等[65]通过静电纺丝和静电喷雾同时进行的方法制备了纳米纤维电极（NEE）。NEE可与人体表皮形成无缝接触，能够通过电阻变化监测手指弯曲和心电信号。Li等[66]采用静电纺丝和静电喷雾技术设计了一种由Ag NWs、石墨烯和聚酰胺纳米纤维组成的嵌入式多级纳米结构电阻式压力传感器，其分级结构可实现高灵敏度（134 kPa-1）、宽范围（3.7 Pa~75 kPa）的压力监测。喷涂/静电喷雾技术比其他涂层方法有更高的生产速度，材料选择范围广，且通过共组装可以使导电材料均匀地嵌入到纤维基体内部，较少的导电材料也可以获得高效稳定的导电传感网络，但可能产生大量不必要的小液滴，造成材料的浪费。

3.3 织物成型技术

纺织结构力敏传感器有多种结构，其中纤维/纱线力敏传感器主要依靠拉伸过程中纤维/纱线表面和内部的导电网络发生变形从而引起电学信号的变化，因此传感范围和灵敏度受到限制。与纤维/纱线力敏传感器不同，织物结构力敏传感器的电阻变化主要由纱线表面导电层电阻的变化以及纱线间的接触电阻变化组成，不同织物结构会引起不同的接触电阻变化，从而使其传感性能发生变化。目前制备织物力敏传感器常用的织物成型技术有针织技术、机织技术和三维编织技术等。

纺织结构力敏传感器最常用的基材是机织物，其由纱线在正交方向上相互交织而成，具有紧密而稳定的结构，有利于传感器实现优异的耐久性。如图5a所示，Xiao等[67]通过机织技术制备出具有立体效果的单层蜂窝组织电容式织物传感器。得益于蜂窝织物的多维多尺度结构、高柔韧性和弹性、低成本和高亲肤性等独特优势，其作为柔性压力传感器可用于监测人体运动。织物基传感器具有更大的传感区域和理想的传感阵列等优势。因此，织物基传感器已经广泛用于空间映射和定位。

针织结构具有良好的拉伸特性和较高的拉伸回复率，是设计电阻式柔性应变传感器的理想选择。针织结构电阻式应变传感器主要是利用针织环结构中导电纱线与导电纱线间的接触与分离来实现其传感功能。当被拉伸时，交错回路的导电部分接触并开始相对滑动，这导致传感器的电阻变化。即当织物被拉伸时，纱线内的接触点被拉开，导致传感器电阻增加，当织物回到初始状态后，纱线间的接触点重新建立，导致传感器电阻减少，从而实现高灵敏的传感功能。如图5b所示，Cong等[68]以尼龙/氨纶复合纱和镀银尼龙纱为原料，采用平针针织工艺制备了电阻式针织结构织物应变传感器。同样的，Bozali等[69]也基于纬编针织工艺制备了1×1罗纹结构的电阻式应变传感器。并通过改变编织密度，获得工作范围高达40%，灵敏度高达1.19的低迟滞性的传感器。针织传感器的主要优点是可用现有的纺织设备和纱线低成本批量生产，同时具有与传统纺织品完全相同的外观。

基于一维长丝/纱线或二维织物的纺织结构力敏传感器已经进行了大量的研究，获得了优异的柔韧性和兼容性。然而，具有高灵敏度、耐用性能、理想舒适性和工业化制造的纺织结构力敏传感器仍有待探索。三维织物可以提高结构的稳定性，丰富结构设计，制备方法易与实际生产结合，成为智能纺织品的新兴平台。如图5c所示，Dong等[70]基于三维编织技术（3DB）设计了一种具有高柔韧性、形状适应性、结构完整性、可循环洗涤性和优异机械稳定性的纳米摩擦发电机（3DB-TENG）。由于外层编织纱和内部轴向纱之间形成空间柱结构，3DB- TENG具有高压缩回弹性，显著提高了压力灵敏度和振动能量的收集能力。并且基于3DB-TENG开发了智能鞋和身份识别地毯，展现了其在未来身份认证、门禁系统、步态分析等方面的广阔应用前景。三维间隔织物是由两个外层组成，并通过细单丝连接和支撑内外两层形成间隔结构。该结构可创造出三维空间且不会明显增加织物的重量，同时具有良好的透气性和穿着舒适性是可穿戴力敏传感器的理想材料。Yu等[71]设计了一种基于间隔结构的五层纬编针织物电容式传感器。最外层的两层棉织物作为绝缘层隔绝皮肤与传感器。两个内层使用可压缩间隔层（介电层）分开形成平行极板（电极），通过改变间隔层中的间隔纱制备出不同传感性能的电容式传感器。该传感器可以在传统的双床纬编机上实现连续生产，为纺织结构力敏传感器的连续制备提供了一种新的策略。

4 纺织结构力敏传感器的应用

4.1 运动和体育训练

运动是人类生活中不可缺少的重要组成部分，准确的动作和良好的习惯可以有效避免运动损伤。在竞技体育训练中，运动员的技术动作准确与否对比赛成绩有着至关重要的影响。因此，运动和体育训练过程的监测与评估对于避免运动损伤和指导运动员的训练具有重要意义。然而，在自由状态下，因无法实时监测运动员的身体信息而不能获得准确的运动参数。因此，迫切需要开发穿戴舒适、灵敏度高、能实时监测运动员状态的纺织结构力敏传感器[72]。Wang等[73]利用镀银尼龙纱线和硅橡胶弹性体，设计了一种高拉伸纱线TENG，实现对各种外部机械刺激的快速响应，如图6a所示。基于TENG的优异传感性能，其在自动计数跳绳、自供电手势识别手套和实时高尔夫计分系统实现了应用。Zhang等[72]制备了一种可穿戴石墨烯涂层纤维传感器，实现了对人体动作的快速响应。将其附着在人体关节处可实现对篮球和足球运动中的关键动作监测，表明其在运动和体育训练方面应用潜力。Wu等[74]通过静电纺丝和喷涂技术制备的PVA/CS/Ag NWs和TPU纳米纤维膜成功组装成基于摩擦电纳米发电机的电子皮肤，实现在6.65~19.21 kPa的宽检测范围内高达0.3086 V·kPa-1的优异压力灵敏度，能够有效响应不同的排球接收速度。进一步设计了一个2 × 3的电子皮肤阵列进行了不同击球姿势的排球接球感应测试，并利用排球接球统计分析系统进行了动作感应、位置监测和分布统计，实现了辅助运动员训练的目的，如图6b所示。

4.2 健康监测

随着人口增长和医疗需求的增加，个性化健康监测因其准确性和及时性逐渐成为人们关注的焦点。人体的生理活动，如呼吸、心跳、脉搏和关节运动等，都会产生不同幅度的压力/应变信号[75,76]。附着在身体不同部位的传感器可以对这些压力/应变信号实现实时和持续监测，这对于人体疾病的早期检测和诊断至关重要。

长时间静坐时，不正确的坐姿是导致颈部、肩部、腰部和肘部肌肉骨骼疾病的常见职业病原因之一。因此，开发一种用于姿态监测和校正的可穿戴柔性电子设备是具有前景的研究方向[77]。Pu等[78]将Ag NW/WPU层和MXene层交替紧密涂覆在亲水性聚氨酯纤维上，构建出纤维应变传感器，并将其嵌入束身衣和手套中，实现了对上身姿势和手势的实时监测，并通过人体姿态监测分析与校正系统将信息及时反馈给个人，提醒用户纠正不良姿势，帮助办公室职员做出调整，从而降低职业性肌肉骨骼疾病的风险。

睡眠是人类生活的重要需求之一。睡眠质量或数量不足会导致抑郁、焦虑、记忆问题和其他健康问题。由于智能纺织品的柔软性，基于智能纺织品的睡眠监测研究备受关注。Adepu等[75]采用浸渍涂层技术将Ti3C2Tx和NiSe2沉积在棉布上，制作出基于Ti3C2Tx/NiSe2/棉布的压力传感器。该传感器可用于持续监测睡眠姿势（右侧、左侧和平躺）。将传感器置于口罩内侧，制备出睡眠跟踪设备可实现对睡眠呼吸障碍（如睡眠呼吸暂停）的持续监测，显示了纺织结构力敏传感器在个人健康诊断中的潜在应用价值。Yang等[79]报道了一种具有高压力灵敏度和舒适性的摩擦电全织物传感器阵列，如图6c所示。它可以缝在衣服的不同部位，以同时监测动脉脉搏波和呼吸信号，并对睡眠呼吸暂停综合征进行长期的无创评估，为一些慢性疾病的定量分析提供指导。

动脉脉搏可以直接反映各种信息，包括人体运动强度和生理健康。例如，人运动时的脉冲频率和振幅会增加；血管硬化会导致脉搏跳动更快，反射波更早返回。Qi等[76]通过共轭静电纺丝技术制备了CNTs掺杂的纳米纤维包芯纱，并将其编织为多模式力学传感器。该传感器贴在腕部可实现脉搏监测，并通过分析脉搏信号判断人体所处的状态（平静状态和剧烈运动状态）。

心电图可以显示心脏的电信号，并为预测心脏病提供信息。Lu等[80]采用静电纺丝工艺制备了柔性、超轻和高导电性的石墨纳米片/聚酰胺66纳米纤维复合材料多功能传感器。该传感器阻抗较小，将其贴服在胸部可以记录人体心电信号，表现出与商用电极类似的心电信号曲线。Zhang等[81]通过静电纺丝和真空抽滤方法制备出具有定向汗液输送的聚丙烯腈/聚氨酯/银纳米线多层复合膜，如图6d所示。研究人员经复合膜应用于测量的身体肌电图（EMG）和心电图（ECG）信号，能够有效防止汗液在皮肤/电极界面积聚，并显示出可靠和稳定的肌电/心电信号监测，为开发适合长期电生理信号监测的透汗表皮电子皮肤提供了方法。

4.3 人机交互

人机交互使人类与数字世界和谐共处，有效协作。纺织结构力敏传感器作为人机交互的重要组成部分，为人机交互提供准确、实时的外部信息[82]。Zhang等[83]报道了由高拉伸纤维应变传感器组成的手套和臂带，并用于监测手指、手腕、肘部和肩部运动。研究人员通过手套和臂带收集了人类手臂/手势数据，并训练了一个神经网络来识别手势。在动态手臂手势实验中，实现了对交警手势的识别。Xu等[84]通过电脑横机，采用纬纱镶嵌针法制作了三维拱形结构的摩擦电织物（AS-TEF）。该织物可实现自供电应变传感功能，与电路集成后制成的智能手套可用到手势-语音翻译系统，如图6e所示。

交互控制是人机交互的另一个重要应用，涉及从用户获取输入信号并将其转换为指令以允许机器执行特定的动作。Choi等[85]通过涂覆和压力辅助印迹技术制备了导电微纤维。该纤维可用作应变传感器以准确区分不同的机械刺激。将两个传感器分别集成在拇指和食指制备出智能手套，可实现对不同动作的识别。该手套可有效地控制VR射击游戏界面，实现了子弹上膛、放大目标和射击目标动作。Zhou等[82]设计了一种新型的全织物电阻式压力传感器，其底部是银浆丝网印刷的交叉指状织物电极，顶部是Ag NWs涂层的棉织物。将传感器阵列集成到一个微控制器单元中实现了计算机和传感器之间的数据交换，完成了弹钢琴和玩电脑游戏的活动。Zhao等[64]采用静电纺丝技术原位制备TPU纳米纤维，同时加压的喷嘴将Ag NWs分散液喷出，溶剂蒸发后Ag NWs沉积在TPU纳米纤维表面形成非织造导电纺织品。如图6f所示，基于非织造导电纺织品创建了一个四通道传感系统，可通过手部运动无线控制四轮汽车运动，展现了其在交互控制智能人机界面的应用价值。

5 结论与展望

本文对纺织结构的力敏传感器进行了综述分析，介绍了纺织结构力敏传感器的分类（纤维力敏传感器、纱线力敏传感器、织物力敏传感器）及其性能特点，介绍了现阶段纺织结构力敏传感器的主要制备方法，包括纺丝技术、涂层技术和织物成型技术，并对各种方法的优缺点进行了详细讨论，总结和评价了纺织结构力敏传感器在运动和体育训练、健康监测和人机交互等方面的应用潜力。

目前，基于纺织结构的传感器是最有前景的可穿戴电子产品之一，它依靠导电纤维或纱线来实现导电、信号传输和信息交换。纺织结构传感器可以通过传统的制备工艺在结构上进行精细设计，利用捻度将纤维转化为具有分级线圈结构的纱线，这些纱线还可以通过机织、针织和编织技术进一步制成织物或集成到服装中，实现真正意义上的可穿戴。虽然纺织结构传感器在制备方法、性能优化和应用方面等取得了显著进步，但仍有许多研究有待深入。

（1）纤维制造技术：本文介绍了常用的纤维制备方法，它们存在各自的缺陷。例如，涂层法制备功能纤维的机械性能较差，界面结合较弱。考虑到这一点，纺丝可以成为一种理想的生产方法。然而导电材料在聚合物中分散性差，难以在纤维中构建精细微结构等，导致传感器的性能难以提升。微流控、热拉伸等新兴纺丝技术可以作为传统工艺的重要补充，丰富了器件结构和功能，特别是在器件小型化和精密制造方面具有广阔前景。

（2）多功能集成：单一工作模式的传感器很难满足复杂环境下多种测试参数的要求。多模传感器可以同时检测多个刺激，可以实现细微刺激的检测和多个监测参数的空间分布。然而，当集成到一个系统中时，如何避免传感器之间的相互干扰仍是挑战。因此，在保证输出信号精度和稳定性的前提下，应加强发展多参数测量。多功能传感器集成了多种参数和功能，在人机交互和可穿戴设备领域具有广阔的应用前景。

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基金资助

国家自然科学基金青年项目(52303119)

中国博士后科学基金项目(2021M701450)

河南省高等学校重点科研项目(23A540001)

河南省重点研发与推广专项(242102220096)

中原工学院青年骨干教师项目(2023XQG02)

中原工学院优势学科实力提升计划项目(SD202221)

中原工学院优势学科实力提升计划项目(SD202222)

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