马菡婧 田宝华 何 源

（1.西安工程大学，陕西西安，710048；2.西安交通大学，陕西西安，710049）

纺织服装在智能电子和信息化科技发展的时代背景下，正经历着一场技术革命，逐渐成为时代的新兴产业；可穿戴智能电子服装将人们与微电子设备“无缝结合”，在人们的日常工作、生活中扮演着越来越重要的角色[1-4]。随着微电子元件和微电机系统（Micro-electronics Components&Micro-electromechanical Systems，以下简称MEMS）的快速发展，MEMS尺寸突破毫米级，其精度和可靠性的大幅度提升使其能够应用于可穿戴设备，在电子纺织品中提供集成潜力[5-6]。在人们与电子设备无处不在的交互中（例如智能手机、汽车仪表板、平板电脑），将柔性电路或电子设备与服装有机结合是一个十分有吸引力的互动方法。根据电容传感可以检测和区分不同的交互类型，如触摸、运动存在、敲击、温度变化等[7-13]，可适应人体运动产生的拉伸或弯曲，使其适配在纺织品上的集成，提供长期且隐匿性的动态监控和分析。

尽管刚性可穿戴设备如智能手表、智能眼镜等已经可以为人们提供持续的连接和数据的收集检测，然而与此类刚性电子设备不同的是，可穿戴智能电子服装能够形成超灵活、可拉伸、可弯曲、能够皮肤接触，甚至植入体内且同时最大程度保留纺织品自身的独特特性，如质量轻、灵活性、耐磨性及其固有的温暖和舒适性等特点。为了使电子元器件能够以隐匿式集成到纺织品或服装中，柔性电子电路的设计与传感技术必须根据纺织品集成约束和特定几何形状的要求，完成与电路灵敏度优化的相关工作。

本文回顾了近年来国际上可穿戴智能电子服装的最新研究成果，概述了纺织电子技术的发展和相关的挑战，重点介绍了基于纺织服装的柔性电子设备及其在可穿戴电子系统中的应用，包括基于传感器的智能电子服装、基于纤维的柔性显示、能量存储纺织品等，最后展望了未来可穿戴智能电子服装的发展前景。

1 基于传感器的智能电子服装

在可穿戴智能电子服装中，传感器设备是最重要的核心环节。由于纺织服装具有柔性可变形特点，传统大尺寸刚性传感器的应用受到了限制。MEMS是一种体积尺寸在毫米级的传感器，近年来其种类和功能快速发展。MEMS具有体积尺寸小的天然优势，可以很方便地集成在各种柔性底物表面或嵌入其中，并具有质量轻、灵活、成本低等特点。因此，MEMS在智能可穿戴电子服装中具有十分广泛的应用。通过对MEMS的设计和制造，可以实现各式各样的能量转换装置，用于服装佩戴者一系列物理、化学和生物环境的检测，如温度变化、姿势和身体运动的传感、疾病监测、语音传感、面部表情检测等。根据原理和种类的不同，我们列举并介绍电容传感、主动式热管理两大类基于传感器的可穿戴智能电子服装。

1.1 电容传感

电容应变传感器是柔性电子元件中最常见的传感器类型，自身电容可对外界施加的应变刺激做出响应变化。典型的电容式传感器由夹在两个电极之间的电介质组成，其厚度和拉伸方向变化决定其介电性能。平行板配置为目前最流行的架构，可适应主流电容传感器的设计，因为这种设计和构造最为简单和直接。为了实现与纺织品或柔性底物的附着，电容传感器的电极必须是可拉伸的。因此，基于纳米材料的可拉伸导体经常用作电极。各种具有先进结构的纳米银线（Silver Nanowire，AgNW）的复合材料被大量用于可拉伸电容式传感器[14-15]；AgNW由于具有成本低、长度直径比高、电导率超高、透明度好等特点，完美地与纺织品服装匹配[16-18]。为了获得更高的机械性能、灵敏度和更高的可拉伸和介电性能，AgNW通常与具有较小机械模量弹性体材料例如聚二甲基硅氧烷、聚氨酯等复合。

图1为电容应变传感器在可穿戴智能电子服装中的应用示例。

图1 基于电容传感类智能电子服装应用示例

图1（a）为定制的一种牛仔服上集成可触控柔性键盘[19]。将电路走线、元件连接垫利用缝合模式嵌入织物表面，再以CAD工具设计出电路布局的微型电路板；夹克一侧为织物键盘，另一侧为合成器、扬声器等。图1（b）为一种聚亚酰胺电容式、双功能型的触摸感应电子织物。根据电路对纺织环境进行了优化设计，嵌入织物内部。当触摸者双手触及织物表面时，电容器电容发生变化传递给显示装置。此时信号灯亮起，当触摸者双手离开织物表面时，信号灯熄灭。图1（c）是一种透明电子皮肤示意图，该透明电子皮肤以聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）为底物，通过微刻蚀技术在透明PDMS薄膜上嵌入纳米金属线，PDMS与金属线间组成了超级电容器。该装置可以检测佩戴者体温、脉搏、心跳等变化，用于实时监测。图1（d）为一种微型集成高精度MEMS的电子皮肤贴片示意图[20]。该装置以脉搏振动为能量驱动，不需要电池，可永久性高灵敏检测出脉搏变化（如幅度和频率等），同时还能检测出脉搏变化曲线中的相位差，可用于精密医疗分析。图1（e）为还原氧化石墨烯掺杂的聚苯胺中空纤维构成的网格织物[21]。通过对该网格布的大面积覆盖，同样可以实现上述类似超级电容器的相同功能。

1.2 主动式热管理

温度调节和热响应是可穿戴智能电子服装研究中最为关注的热点问题。通常，可穿戴热响应元件在智能电子服装中主要有热舒适和热动力治疗两个领域的研究和应用。具有保暖和快干凉爽的服装已在消费市场中广泛流行，然而传统被动防护的服装因人体与环境接触表面积大、能量利用率较低，无法精准满足个性化的热舒适要求。为了进一步弥补被动防护服装的缺点，将热传导材料或电子元器件集成在服装中，可形成具有主动防护功能的可穿戴热管理智能电子服装。图2为主动式热管理智能电子服装应用示例。

图2 主动式热管理智能电子服装应用示例

图2（a）展示了一种集成MEMS于服装表面的“S”形涂层贴[22]。该涂层是经过纳米金属线修饰的棉织物，该涂层内部内嵌一个MEMS传感系统，由低压电源驱动。试验测试结果表明：涂层贴敷皮肤能够为佩戴者在炎热环境中提供显著的凉爽感体验，与周围传统棉织物有5℃的温度差。图2（b）是一种金属纳米银颗粒整理的多功能疏水织物，具有主动加热功能，可以直接以人体体温为温度驱动，使织物能够主动生热并且同时具备透气防水的功能[23]。图 2（c）为一种主动式低压驱动的热管理手套[24]。该手套手指部分由导电聚合物涂层整理，利用3 V低压电源为驱动，可以迅速加热手指部分，为冬季严寒者提供舒适手部操作环境。可穿戴智能电子纺织品同样能够在热动力治疗中扮演重要角色。在医疗领域，热疗或皮肤局部加热可以扩大血管系统，增加该区域的血流量。此方法可以缓解局部疼痛。图2（d）为一种电源驱动的可拉伸网状结构[25]。用于腕部热动力治疗。该结构由金属纳米银线构成，可以提供关节点的热疗，同时网状结构保证关节灵活的活动不受影响。若将热管理元器件与其他传感器结合，可以形成物联网系统，系统检测到温度异常时，可及时将用户数据分析并上报。图2（e）是将可穿戴设备集成于物联网中，用于及时通信[26]。

2 基于纤维的柔性显示

关于开发基于纤维显示设备的可穿戴电子产品研究较多。早期大多数研究专注于将传统发光二极管（Light Emitting Diode，LED）集成到织物上。然而，传统的LED相对体积较大、厚度较厚，集成后破坏了织物独特的柔顺性。随着有机发光二极管（Organic Light Emitting Diode，OLED）工艺和技术的进步，光纤OLED器件的实现已成为可能。KWON S等演示了浸渍同心涂覆工艺基于纤维的OLED[27]。其中以直径为300 μm的聚乙烯对苯二甲酸酯纤维作为基材，聚3，4-乙烯二氧噻吩聚苯乙烯磺酸盐和聚苯乙烯作为透明电极和发射层的材料。

3 能量存储纺织品

在电子服装中，电路驱动需要能量来源，传统锂离子电池存在质量重、不可变形等缺点，且在受冲击时存在重大的安全隐患。此外，由于电子服装无法集成大容量电池，智能电子服装频繁充放电操作也为使用者带来诸多不便。若能将具有自发电功能的设备集成在柔性服装内，则可解决上述存在的问题。在适合服装上的能量收集装置类型中，基于纤维的染料敏化太阳能电池（Fiber-shaped Dye-sensitized Solar Cell，F-DSSC）和摩擦纳米发电机（Fiber-shaped Triboelectric Nanogenerators，F-TENG）是最为常见的两种储能模式，可以方便嵌入纺织品中。其中，F-DSSC可以在白天户外阳光下将太阳能转化为电能存储，而F-TENG可将佩戴者运动中产生的动能存储并转化。

YANG Z等设计了一种纤维型可拉伸FDSSC系统，其中外层缠绕导电钛金属丝为电极，染料化改性的弹性橡胶纤维为介电质，所形成的线缆型F-DSSC能量转换效率可达7.13%，并在20个周期的循环拉伸后性能表现依旧稳定[28]。在F-TENG模式中，ZENG W等研究了一种完全基于纤维素的纳米发电机，可用于收集纺织品运动中所产生的动能[29]。具体原理是：将铌酸钠掺杂的聚氯乙烯熔融态通过静电纺丝技术制备出PVDF-NaNbO3纤维，以PVDF-NaNbO3纤维构成的非织造材料作为压电元件，该器件可在0.2 MPa脉冲强度下（模拟人体运动中所能产生的脉冲）产生3.2 V开路电压和4.2 mA电流。在循环测试模拟中，耐久性可超过1×106次周期。将该FTENG系统集成在智能服装中的肩袖等高频运动部位，利用人体运动中的自然摆动，可以产生低频低压交流电[30]。F-TENG系统可以在无太阳的情况下储能供电，但必须依赖佩戴者的运动，而F-DSSC则可以在佩戴者静止状态下依靠光照进行储能供电。因此，F-TENG与F-DSSC结合可以弥补彼此的局限。

4 结语

在智能可穿戴电子服装中，MEMS系统设备及功能的发展使得柔性显示器、能量发生器、传感器及其他微电子电气系统在电子纺织品中的集成与应用成为现实。为了实现完整的电子纺织系统，通过现代化的生产技术，如3D打印、三维织物、高精度纺丝、精密成形等，可有效应用上述电子设备，并成功集成在服装甚至人体皮肤。MEMS系统很大程度上缩小了电子设备的尺寸和体积，与织物集成性大幅度提升，在未来电子纺织系统中，可以设想完全基于纤维的电子纺织品设备将成为主流，同时提供最小的功耗和自我维持甚至自修复功能。此外，开发人体内生物安全和低刺激材料同样不应忽视，为电子服装长久、稳定并安全的工作奠定基础。