四川大學王竹卿/吳曉東Adv.?Sci.：基于新型壓力-溫度雙功能傳感纖維構建智能電子織物

一、研究背景：

電子織物繼承了織物基底的透氣輕便、柔軟舒適和易于集成到衣物中的優點，順應了穿戴式電子設備柔性化、小型化和集成化的整體發展趨勢，在健康監測、人機交互等領域扮演著關鍵角色。然而，當前的電子織物大多是通過直接在織物襯底表面沉積或涂覆功能材料得到的，這使得導電功能層與織物表面之間的界面附著力不夠強，導致電子織物在復雜惡劣的環境下長期使用時會產生性能下降甚至失效的風險，并伴隨著潛在的生物毒性危害。此外，在織物基底上沉積或涂覆功能材料還會不可避免地削弱原始織物的固有可穿戴特性（柔軟度、透氣性、生物相容性等）。因此，如何在不犧牲織物原有的穿著舒適性前提下，構建出一種兼具理想傳感性能的電子織物，當前仍然是一個巨大的挑戰。此外，如何在擴展電子織物傳感功能的同時，最大程度地減少不同傳感模式之間的相互干擾，也是當前多功能電子織物所面臨的共性難題。

二、文章簡介：

近日，四川大學機械工程學院的王竹卿教授和吳曉東研究員團隊通過合理的功能材料復合設計和傳感器構型調控，通過將定制的螺旋分層狀的纖維式（SLIF）傳感器集成到織物中，成功構建了一種兼具優秀的壓力-溫度傳感性能和雙模態解耦性能的雙功能傳感電子織物。通過將SLIF傳感器集成到各類商業織物中，開發了一系列的智能衣物用于精確監測各種人體生理信號。此外還通過集成SLIF傳感器得到的智能手套，在人工智能算法輔助下完成了高精度地識別物體的應用示范，在智能電子織物和可穿戴設備中表現出良好的應用前景。相關成果以?“Innervate Commercial Fabrics with Spirally-Layered?Iontronic Fibrous Sensors Toward Dual-Functional Smart?Garments”?為題，發表在《Advanced Science》期刊上（影響因子：14.3，中科院1區Top期刊），王竹卿教授為通訊作者，吳曉東研究員和碩士生劉奇同學為共同第一作者。

三、研究內容：

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圖1.?將SLIF傳感器集成到商用織物中構建智能電子織物的設計理念。（a）基于SLIF傳感器構建的各類智能衣物的示意圖。（b）在織物襯底中集成SLIF傳感器的示意圖。（c）基于SLIF傳感器得到的壓力傳感單元和溫度傳感單元的構型設計。（d） SLIF傳感器內部螺旋分層結構示意圖。（e）有限元仿真結果顯示了兩個垂直排布的SLIF傳感器在外力作用下的相交接觸面積變化。（f） SLIF傳感器的溫度傳感機理示意圖。（g）基于SLIF傳感器構建的智能衣物可應用于生理信號監測與物體識別。

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圖2. SLIF傳感器的制備和表征。（a） SLIF傳感器組分材料的化學性質。（b-d） SLIF傳感器橫截面在不同放大倍數下的SEM圖像。（e）將SLIF傳感器引入織物基底中開發電子織物的示意圖。（f）兩個相互垂直的SLIF傳感器的接觸面積在施加力前后的模擬變化結果。（g）壓力傳感單元在不同壓力和溫度下的相對電容變化（ΔC/C₀）的實驗結果。（h）溫度傳感單元在不同壓力和溫度下的離子阻抗（Z）的實驗結果。（i）壓力傳感單元在不同壓力和溫度下的相對電容變化的理論分析結果。（j） 溫度傳感單元在不同壓力和溫度下的離子阻抗的理論分析結果。

圖3. SLIF傳感器的壓力和溫度傳感性能表征。（a）壓力傳感單元的壓力實驗測試裝置。（b）壓力傳感單元在不同壓力下的相對電容變化曲線，插圖顯示了壓力靈敏度的變化。（c）壓力傳感單元在不同頻率力下的響應行為。（d）壓力傳感單元的信號響應和恢復時間。（e）壓力傳感單元在加載和移除76 mg物體時的響應行為。（f）壓力傳感單元在2 N力下10000次重復性試驗。（g）溫度傳感單元的溫度實驗測試裝置。（h）溫度從0 ℃上升到90 ℃（間隔10 ℃）時溫度傳感單元的阻抗變化。（i）不同溫度下溫度傳感單元阻抗的對數圖，插圖顯示了溫度靈敏度的變化。（j） SLIF傳感器最小溫度檢測極限為0.1 ℃。（k，l)在20 ℃室溫下，將溫度傳感單元分別浸入到（k）38 ℃的溫水和（l）2 ℃的冷水中，待阻抗信號穩定后再取出。（m）水浴溫度在20 ~ 40 ℃交替變化時，溫度傳感單元的循環響應曲線。

圖4. 基于SLIF傳感器開發的智能衣物用于人體生理信號監測的監測。（a）基于SLIF傳感器驅動的智能口罩和智能腕帶被用于監測人體生理信號的示意圖。（b）將SLIF傳感器集成到口罩中來構建智能口罩。（c）人體吸氣和呼氣過程的示意圖。（d，e）分別采用智能口罩的壓力傳感模式和溫度傳感模式連續記錄受試者的呼吸信號 。（f，g） 采用智能口罩的壓力傳感模式和溫度傳感模式連續記錄受試者運動后的呼吸信號。（h）受試者在運動前和運動后呼吸頻率的變化情況對比。（i） 將SLIF傳感器集成到護腕中來構建智能護腕。（j， k)用智能護腕連續記錄受試者運動前（j）和運動后（k）的脈搏信號。（l）受試者在運動前和運動后脈搏的變化情況對比。

圖5. 基于SLIF傳感器開發的智能手套用于物體識別。（a） 通過集成SLIF傳感器開發的智能手套的示意圖。（b） 由SLIF傳感器驅動的智能手套的實物圖，每個手指上都分布兩個互相垂直的SLIF傳感器用于感知壓力刺激，一個額外的SLIF傳感器集成在食指上用于感知溫度刺激。（c） 受試者佩戴智能手套以臨界力抓取不同重量和溫度的紙杯，在此過程中記錄下的五個壓力響應信號和一個溫度響應信號。（d）?用于物體識別測試的由不同形狀、重量和溫度參數組合而成的27種不同物體的示意圖。（e） 受試者以臨界力抓取27個不同物體時通過智能手套記錄下的所有響應信號。（f）?用于物體識別的人工神經網絡的框架圖。（g）?27個不同物體的可視化聚類結果。（h） 27個被測物體的混淆矩陣，識別準確率高達97.8%。

四、研究總結：

總之，本工作通過合理的功能材料復合設計以及電子織物構型調控，通過將SLIF傳感器引入到商業織物中，在不犧牲織物固有特性的前提下，構建得到的電子織物不僅具有優秀的壓力和溫度傳感性能，而且具備理想的選擇性傳感性能，壓力和溫度傳感過程之間存在的干擾不會影響到各自的正常功能。通過將SLIF傳感器輕松集成到各類商業織物中，開發了一系列具有良好舒適性、透氣性和多功能性的智能服裝，并成功實現了對人體生理信號的連續準確監測。此外還通過集成SLIF傳感器得到的智能手套，在人工智能算法的輔助下完成了高精度物體識別的應用探索。這項工作顯示出在保留織物原有特性的前提下增強和擴展電子織物功能的巨大潛力，在智能可穿戴設備中具有廣闊的應用前景。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1002/advs.202402767