针织传感器在运动健康服装领域的研究进展

马丕波， 刘 青， 牛 丽， 李煜天

(江南大学 教育部针织技术工程研究中心，江苏 无锡 214122)

随着科学技术的发展和国民健康意识的增强[1-2]，人们对可实现日常无感、实时监测人体运动数据的可穿戴产品需求愈加迫切，由此催生了智能手环、运动腕带等智能可穿戴设备[3]。目前，这些智能可穿戴设备[4]多利用重力传感器、多轴加速度传感器及图像传感技术进行人体运动信息采集，在日常感测中虽能较好地反映人体运动状态，但仍存在硬度高、弹性差等穿着舒适性欠佳及运动细节信号缺失等技术性问题[5-6]。因此，开发集成度高、舒适可穿戴的柔性应变传感器，实现人体信号传感或运动识别是当前亟待解决的重要问题。

针织应变传感器是将导电纱线通过不同的工艺制得导电针织物或对针织物进行导电性处理，形成具有传感性能的智能可穿戴器件。针织物基体轻质且柔软，可有效提高传统智能纺织品的穿着舒适性；针织结构的大应变及较好的拉伸回复性，符合智能运动健康传感监测的要求[7-8]。文中主要概述了针织传感器的制备方式，综合比较针织传感器材料种类、组织结构、拉伸方向对其传感性能的影响，分析了针织传感器在运动健康领域的最新应用，在此基础上对其未来的发展进行展望，以期为针织传感器在运动健康服装领域的研究提供参考。

1 针织传感器的制备

针织传感器主要分为电阻式应变传感器、电容式应变传感器和压电式应变传感器3大类，其中电阻式应变传感器在运动健康服装领域中最为常见[9]。电阻式应变传感器主要利用电阻值的变化表征人体的生理信号，实现传感。目前，常用的制备方法有两种：①利用导电纱线在针织设备上直接进行编织；②对针织物表面进行处理[10-11]。

1.1 采用针织技术制备传感器

部分导电纱线在针织设备上可直接进行针织传感器的编织，所用针织技术主要包括经编成型技术和纬编成型技术2大类，不同编织技术制备的针织传感器在传感性能、穿着舒适性以及产品外观等方面存在一定的差异。

1.1.1经编成型技术经编成型技术是指由一组或几组平行排列的纱线沿着纵向垫入一排织针，并同步成圈的一种编织方式。经编成型技术不仅可以制备拉伸型传感器，还可用于制备压力传感器。由于利用经编成型技术制备针织传感器的线圈是沿着针织物的经向配置，因此，产品外观平整、组织结构紧密、嵌花区域背面没有浮线，织物的稳定性和防脱散性优于纬编织物。经编间隔织物因回缩性较好，在压力传感器的制备方面存在优势。朱芳琴[12]研究了织物结构参数对经编间隔织物压缩性能的影响，结果表明，密度大、厚度大且间隔纱为单纤维的间隔织物有更好的抗弯性能，可用于制备回复性良好的针织压力应变传感器。在局部定位编织方面，经编机更适合整片导电织物或条状导电织物的生产，但在小面积定位传感器的制备上不具备优势。

1.1.2纬编成型技术纬编成型技术主要包括横机成型编织技术和圆机成型编织技术。

横机成型编织技术是指一根或若干根纱线从纱筒上引出，沿着纬向顺序垫放在横机的相应织针上形成线圈的一种编织方式。横机成型编织技术包括两针床横机全成型与四针床横机全成型。其中：两针床横机成型技术应用比较广泛，通用性强，但在原料方面要求较高，必须选用与针型匹配的纱线原料；而四针床横机全成型技术可用于一体成型的服装制备，更适合复杂织物的编织。利用电脑横机的嵌花功能可以实现传感器的精确定位[13]。横机便于小件针织产品的编织，通过配套电脑软件设计，可自动生成袜子、手套、护膝等产品，并可根据需要更改尺寸与产品形状。图1[14]为双针床岛精电脑横机上编织的可监测手指运动的全成型运动手套。采用电脑横机制备的针织物在纬向成圈、织物稳定性方面不及经编，尤其是纬平织物极易产生卷边现象；由于一般横机针号较粗，横机编织的产品结构较为稀疏，手感较差。

图1 岛精电脑横机上编织的全成型运动手套

圆机成型编织技术是指纱线沿着纬向按照顺序垫放在圆机的相应织针上形成线圈的一种编织方式。圆机成型编织技术不仅可以实现针织产品的一体成型，还能实现多个传感器的定位编织。由于该技术具备转速高、产量高、花形变化快、织物品质好、工序少、产品适应性强等优点，因此在制备大面积针织产品及全成型的无缝运动套装时具有优势，全成型技术一次性编织出整件产品，可减少生产流程、缩短生产周期。圆机上也可以纺织比较细的纱线[15-16]，所得织物稳定性较好；但导电区域背面多有浮线，为避免导电纱线之间的相互干扰，一般需要对浮线进行清除处理。

1.2 针织物表面处理

针织物表面处理是在聚吡咯、石墨烯、纳米银等导电物质中添加一定比例的还原剂、分散剂及黏合剂等物质，通过浸渍、涂层、丝网印刷等方式，对织物表面进行处理，从而形成稳定连续的导电网络层[17]。这种处理方式可以提高传感器的灵敏度，但传感器整体稳定性较差。因此，针织物表面处理的关键在于使织物和导电物质之间形成结合力良好的界面，确保导电物质附着性良好且不易脱落。为改善导电物质的附着效果，林佳濛等[18]采用等离子体预处理方法增加聚吡咯在涤纶上的附着量；为防止导电物质的脱落，保证导电物质拉伸时的连续性与均匀性，AMJADI M等[19]在纳米银涂覆后的织物表面覆盖了一层PDMS，制备了一种可用于手指姿态监测的可拉伸传感器。

2 针织传感器传感性能的影响因素

针织传感器的主要性能包括灵敏度、线性度以及稳定性、重复性、滞后性等，其影响因素有纱线的种类、织物组织结构、拉伸传感方向、线圈之间的相互作用力等。

2.1 纱线的种类

在实际生产中，导电纱线的种类是影响针织传感器性能的关键因素。根据材料的不同，导电纱线实现的方式可以分为两种：①利用具有导电性能的纤维直接纺成纱线；②将普通纱线进行处理使其具备导电性能。根据实际应用情况，具体可以分为金属导电纱线、碳系导电纱线及复合导电纱线[20-21]。

1)导电纱线的差异影响针织传感器传感性能。金属、纯碳系等具有导电性能的纱线有着高灵敏度等特点，但由于其存在刚性大等问题，易在织造或使用过程中造成不可逆的机械损伤以及永久性的结构变形，稳定性较差，特别是大应变下急弹回复性较差，严重影响了针织传感器传感性能的稳定性与线性度，难以制作拉伸传感器。在导电纱线中加入氨纶弹性纱、涤纶纱等普通纱线共同编织后，不仅可以增加织物的保形性，而且能够改善传感器的性能。张钰晶等[22]利用导电纱线与普通纱线编织了一种嵌花组织针织传感器(见图2)，导电纱线与普通纱线以嵌花的方式进行连接，提高了针织传感器的灵敏度及稳定性。

图2 嵌花组织

采用金属等导电物质处理普通纱线或与普通纱线混纺制备复合导电纱线，可以改善上机困难的问题，但在编织过程中，导电涂覆类纱线易出现导电物质脱落及纱线表面被氧化等问题，严重影响传感性能，混纺纱及导电包芯纱电阻较大，在灵敏度方面也存在问题。许多研究者致力于使用电化学等方式开发新型导电纱线，用于改善现有导电纱线表面导电层易脱落、易氧化及传感性能不佳等问题，但目前相关技术还不成熟，在纺织品领域应用还较少。

传统出版社、技术生产商、民营文化公司都在AR图书出版方面有所尝试，进行了有益的探索。反响较大的有中信出版集团《科学跑出来》系列，北京联合出版公司《艾布克的立体笔记：探索系列》等。

2)不同种类导电纱线的电力学特征决定了针织传感器的有效应变范围。金属纳米银线的阻值仅为几到几十欧姆，可用于拉伸型应变传感器。刘婵婵等[23]采用44 dtex 的锦纶镀银纱线,利用圆机成型编织技术制备了一种人体手臂姿势监测的拉伸应变传感器，经过多次重复使用，仍具有较好的传感性能。石墨烯[24]、聚吡咯、导电纳米材料等处理的导电纱线阻值在几千甚至上万欧姆，灵敏度较高，可用于压电式应变传感器。刘翠等[25]研究了导电纳米纤维膜厚度、材料配比等参数对传感器灵敏度的影响。结果表明，当Py单体与纳米纤维质量比为1∶1、导电纳米纤维膜厚度为48 μm时，传感器的灵敏度最佳。

2.2 织物组织的结构

织物的组织结构对传感器的线性度与灵敏度影响较大。韩晓雪等[26]对3种纬编结构传感器的传感性能进行研究，具体结果如图3所示。由图3可以看出，在相同的条件下，纬平针组织传感器的灵敏度及导电性能最好，1+1假罗纹组织传感器的次之，2+1假罗纹组织传感器的最差，电阻整体呈现先增大后减小的趋势。因此，针织应力传感器的组织结构不应过于复杂，宜用基本组织。韩晓雪等[26]还研究了氨纶纬编导电针织物纵向电力学性能，通过与张舒等[27]研究结果对比发现，氨纶纬编导电织物纵向的电力学性能与经编织物的相似。由此说明经编织物与纬编织物的传感性能存在一定的相似性，二者都有较好的灵敏度与线性度。RAJI R K等[28]研究发现，矩形传感器的灵敏度高于锯齿形传感器。可以推断针织传感器的形状对其传感性能影响较大，形状简单的针织传感器灵敏度更高。LI L等[29]研究结果表明：随着导电线圈纵行数的增加，传感器的电阻变化呈现增长趋势；而随着导电线圈横列数的增加，传感器的电阻增长趋势减弱，传感器的电阻变化符合针织物线圈纵向为并联、横向为串联的规律。故线圈的横、纵向线圈数与传感器的灵敏度密切相关：横列数一定时，纵行数越少，灵敏度越好；横列数与纵行数相同时，纵横方向上的导电性能类似，但纵向灵敏度一般大于横向。

图3 3种组织的接触点分布示意

2.3 传感器的拉伸传感方向

运动服装在实际穿着过程中所受的力多为平面中的两向或多向的拉伸力、剪切力以及三维方向上的曲面拉伸力，因此需要考虑针织传感器不同拉伸方向下的传感性能。目前对传感器拉伸方向的研究多以横、纵向拉伸、双向拉伸及人体实际运动中的三维拉伸为主，以标准实验测试多个方向下电学信号变化的研究实例还比较少。

横、纵向的拉伸存在以下差异：①在拉伸形态方面，横向拉伸下的纱线由圈柱向圈弧转移，且转移程度比较明显；纵向拉伸下的线圈纱线由圈弧向圈柱转移。②传感器的拉伸方向是影响传感器灵敏度与滞后性的关键因素。横向拉伸时，应变拉伸与回复之间的电阻变化滞后性较小；纵向拉伸时，应变拉伸与回复之间的电阻变化滞后性较明显。多数情况下，纵向拉伸时的电阻变化率大于横向拉伸时的。谢娟[30]研究了纬平针传感器在横、纵向拉伸情况下的电阻变化，具体如图4所示。由图4可以看出，导电针织物在横向拉伸中的电阻随着应变的增加呈现近似线性的增长趋势，而在纵向拉伸下电阻变化与应变的关系呈非线性增加。③在拉伸速度方面，随着拉伸速度的增加，传感器的电阻相应增加，但趋势减缓，在较小拉伸速度下，应变拉伸与回复之间存在电阻变化滞后现象[31]。

图4 针织传感器在双向拉伸下的电阻与应变的关系

三维拉伸方向更接近佩戴针织传感器时人体的实际感知情况，兼具横、纵向拉伸的共同特点。 LI Y T等[32]以小球包裹织物模拟人体膝关节的运动情况，具体如图5所示。利用三维曲面评价针织应变传感器的传感性能，与二维测试方法相比，三维曲面的应变传感范围为120%，是二维拉伸的两倍。

2.4 线圈之间的相互作用力

线圈之间的相互作用力主要影响传感器的接触电阻，等效电阻模型的构建阐明了导电织物的传感机理，用于简化线圈电路，而接触电阻直接影响等效电阻模型预测的准确性。①接触电阻与线圈之间的接触力相关。由于线圈之间存在相互作用力，使线圈转移[33]及线圈长度发生变化，从而导致接触电阻变化。王金凤等[34]以两根镀银纱线相互穿套的方式模拟接触力与接触电阻之间的关系，由理论分析和实验研究得知，接触电阻随接触力的增加而呈幂函数减小。②在小应变情况下，线圈之间的接触电阻变化很小，对织物传感性能的影响可以忽略；而在大应变情况下，接触电阻对传感器的伸长-应变线性度产生影响。③线圈之间由于相互紧密接触使得传感器整体阻值较小；采用普通纱线包覆处理的导电纱线制得针织传感器，其线圈之间不存在接触电阻，或裸露的导电纱线产生较小的接触电阻，整体阻值会大幅度增加。

图5 针织传感器的三维检测实验

3 在运动健康服装领域的应用

3.1 日常运动防护

随着全民健康意识的不断增强，越来越多的人通过日常运动的监测进行自身防护。当针织传感器在人体运动过程中监测到异常情况时，就会发出警示信号，提醒运动者休息或就医。GARCA PATIO A等[35]开发了一种无线、舒适的可穿戴式背部运动监测系统，将一根直径为0.14 mm的铜线缝到一块呈“T”字形的弹性织物中制备成感应式纺织传感器，并集成到紧身衣的背部，以便监测背部姿势。除人体日常运动的防护外，在日常运动中人体的生理信号监测是目前运动健康领域研究的热点。刘咏梅等[36]利用石墨烯织带作为基材覆合于弹性针织面料上，以制备柔性石墨烯传感弹力带，该柔性石墨烯传感弹力带在服装用人体数据采集等方面具有一定的实用性。

3.2 专业运动指导

专业运动指导可以帮助运动者进行运动评估，改善运动不足，规范运动方式，控制运动强度，优化训练效果并降低身体损伤。谢娟[30]用纬编针织技术将镀银尼龙导电纱线织成柔性针织物传感器，并集成在智能 T恤和智能护膝中，分别用于监测肘关节、肩部、腹部以及膝关节的生理信号，分析不同姿势下的电阻变化情况，但针织传感器采集数据的具体传输方式并不明确。为此，LI Y T等[37]基于镀银导电纱线柔性传感器制备了一种可用于监测人体膝关节运动的紧身裤，对人体平地行走、上下楼梯、跑步状态下的膝关节角度与电阻之间的关系进行分析，并开发了一种可随身携带的数据模块用于传感器电阻信号的采集与输出。单次运动产生的应变电阻信号对于专业运动指导意义不大，但多次运动信号分析对运动指导至关重要。基于此，CHOW J H等[38]制备了一种纺织压力传感监测袜，使用导电纱线连接踝关节处的通信模块，根据应变图像观测穿着者的足部运动情况。

3.3 运动康复指导

运动康复指导可帮助患者更快速地恢复健康，监护范围包括家庭和医院，目前主流的方式是在自我监护的基础上，实现医院等医疗机构的辅助性康复指导。LORUSSI F等[39]设计了一种基于惯性传感器、织物压阻传感器和纺织肌电传感器融合的智能可穿戴系统，该系统以模块化形式设计，由单独的衬衫、裤子、手套和鞋子组成，在日常生活中对中风后康复过程中的人体活动进行监控，可以帮助医生优化和调整患者的培训计划，用于评估中风患者的日常生活与康复情况。HAN X X等[14]利用横机成型编织技术制备了一种在指部嵌入传感器的无缝手套，用于手指姿态判别；HEO J S等[40]设计了一种用AgNW，PDMS涂覆的传感手套，并研究不同手指在不同弯曲情况下的电学信号变化情况，为手部的运动健康恢复提供指导。

4 结语

针织传感器在运动健康服装领域的研究已经取得一定的成果，但仍然存在许多不足，故难以得到大范围推广。未来研究重点及发展前景可总结为以下几点：

1)智能运动健康服装应具备趋近于纺织品的服用性能。目前针织传感器的研究成果虽然较多，但大多数注重功能性的实施，在服装压力、透气性、洗涤性等服用性方面的研究还有所欠缺。

2)应构建规范的行业标准。由于针织传感器的种类及制备方法差异较大，使用范围及数据判别标准难以统一。因此，应统一导电材料的参数规格，在实现功能的同时，确保传感器使用的安全性，建立相关的性能、制备、生产标准。另外，在数据传输标准方面，可靠、安全的智能产品才能建立公众信任，目前在蓝牙的传输模式上有相关标准协议，但是数据的传输需要多个传输网络的相辅相成，因此必须保证个人信息的安全性。

3)针织传感器与其他智能元件的无痕联接。受限于科学技术的发展，目前针织传感器尚不能单独使用，仍需借助电路、数据处理系统将采集到的信号转化后再输出；利用针织的方式将各智能元件一体成型，可以有效解决线路的问题。

总之，随着时代的发展和科技的进步，针织传感器在运动健康服装领域的研究与应用正朝着健康舒适化、功能多样化、新能源及能量储存方式多元化、信息智能化精准化、价格低廉化等方向发展。