【蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院:為動(dòng)捕柔性紡織衣服研究螺旋狀膨脹紗線(xiàn)電容傳感器】

智能服裝在學(xué)術(shù)和商業(yè)領(lǐng)域的受歡迎程度一直在穩(wěn)步上升。纖維形式的柔性可拉伸傳感器有吸引力，因?yàn)樗鼈兛梢灾苯蛹蔀闃?gòu)成我們服裝的一部分，并將其轉(zhuǎn)化為多功能設(shè)備。

由于傳感器和紡織品之間的機(jī)械屬性不匹配，而兩者之間的巨大差異可能會(huì)導(dǎo)致織造問(wèn)題，并可能在制造過(guò)程中對(duì)傳感器造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。盡管現(xiàn)在有解決方案可以將傳感器直接集成到紡織品中，但它們通常局限于單一傳感機(jī)制。

柔性纖維傳感器通常有壓阻式、電感式和電容式三種類(lèi)型。電容式感測(cè)機(jī)制具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗鼉H依賴(lài)于幾何形狀；并消除了與在壓阻傳感器采用的剛性電極有關(guān)的任何問(wèn)題，例如信號(hào)不一致、漂移、滯后等。但與壓阻傳感器相比，電容式傳感器的靈敏度的是一個(gè)問(wèn)題。

到目前為止，提高電容式應(yīng)變傳感器的靈敏度十分有限，因?yàn)閭鞲衅鞯碾婍憫?yīng)由電容器的幾何形狀和構(gòu)成電容器的材料的響應(yīng)所決定。

在針對(duì)這個(gè)問(wèn)題的研究中，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員選擇采用螺旋狀膨脹紗線(xiàn)作為電容傳感器，并發(fā)現(xiàn)了來(lái)自不同傳感器配置的意外響應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)它可以達(dá)到同類(lèi)型傳感器中從未報(bào)道過(guò)的靈敏度，“可以非常精確地捕捉身體的運(yùn)動(dòng)"。

這個(gè)研發(fā)的關(guān)鍵是紗線(xiàn)的結(jié)構(gòu)：內(nèi)部纖維由導(dǎo)電的彈性橡膠制成。研究人員將一根覆蓋在一層薄塑料中的剛性金屬絲包裹在內(nèi)部纖維周?chē)⑿纬陕菪隣?。這兩種纖維充當(dāng)電極并產(chǎn)生電場(chǎng)。它們一起形成一個(gè)電容器，可以保持電荷。

其中，研究人員通過(guò)在聚酯纏繞的彈性纖維上采用聚吡咯的氣相聚合來(lái)合成彈性和高拉伸性電極，并且通過(guò)在導(dǎo)電彈性纖維周?chē)勉~線(xiàn)螺旋纏繞來(lái)進(jìn)行螺旋制造。通過(guò)改變纖維之間的直徑比和螺旋纏繞纖維的節(jié)距這兩個(gè)因變量，他們能夠改變傳感器的泊松比。

他們制作了原型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定膨脹特性是否與應(yīng)變系數(shù)相關(guān)，并發(fā)現(xiàn)它不僅影響應(yīng)變系數(shù)，而且影響應(yīng)變時(shí)電容變化。根據(jù)初始外部螺旋元件的螺旋繞組的節(jié)距，電容變化可以是正，又可以是負(fù)。

在正常情況下，電荷波動(dòng)太小，無(wú)法幫助測(cè)量身體的運(yùn)動(dòng)。然而，這種紗線(xiàn)的屬性非同尋常。與大多數(shù)其他材料不同，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的紗線(xiàn)在拉伸時(shí)變厚。因此，紗線(xiàn)對(duì)最小的運(yùn)動(dòng)都非常敏感。即使稍微拉伸一點(diǎn)，這都會(huì)在傳感器的電荷中產(chǎn)生明顯可測(cè)量的波動(dòng)。這使得測(cè)量和分析細(xì)微變化成為可能。

在將這種紗線(xiàn)縫合到一條彈性跑步緊身褲時(shí)，當(dāng)用戶(hù)跑步時(shí)，它會(huì)以一定的節(jié)奏拉伸和松弛。其中，每次移動(dòng)都會(huì)改變兩根纖維之間的間隙，從而改變電場(chǎng)和電容器的電荷，并實(shí)現(xiàn)電容式的傳感感應(yīng)。

為了允許紡織品傳感器能夠無(wú)線(xiàn)發(fā)送電信號(hào)，研究人員為其配備了一個(gè)由導(dǎo)電紗線(xiàn)制成的環(huán)形天線(xiàn)。如上圖所示，天線(xiàn)直接縫在緊身褲中。所以，傳感器和天線(xiàn)一起形成了一個(gè)電路，集成到衣服中。

電信號(hào)從可拉伸傳感器傳輸?shù)教炀€(xiàn)，并以電子設(shè)備能夠讀取的特定頻率傳輸電信號(hào)。穿著者暈動(dòng)，傳感器移動(dòng)，并產(chǎn)生一個(gè)頻率持續(xù)波動(dòng)的信號(hào)模式，然后電子設(shè)備可以實(shí)時(shí)記錄和評(píng)估。

來(lái)源：傳感器專(zhuān)家網(wǎng)