开栏语：智能纺织品市场正逐渐成为全球经济增长的新引擎，市场调研公司ReportLinker预测，全球智能纺织品市场预计将从2021年的25.2亿美元增长到2026年的93亿美元，复合年增长率为28.7%。未来十年内，在物联网时代，智能纺织品很可能会与人工智能、人机界面和云技术一起改变人类生活。本刊特设智能纺织品新进展专栏，以期通过全面的介绍，让读者对智能纺织品有更深入的了解。

智能纺织品能够感应外部条件，并通过使用基于各种检测机制（即热、机械、电气、化学、磁性或其他类型）的检测系统，检测/监测其对人体/环境的影响。理想的智能纺织品是一个计算系统，具有传感、数据处理、执行、存储和通信等功能，目前报道的智能纺织品往往仅具有其中一项或几项功能。相对而言，具有传感、执行和通讯功能的纺织器件已初步实现商业化，而数据处理和存储功能的纺织器件尚处于实验室原型验证阶段。

表 1 智能纺织品的组成及特性

柔性纺织传感器依据换能机制主要包括应变式、温敏式、电化学式等传感器。

图 1 纺织基传感器

柔性纺织应变传感器

柔性纺织应变传感器一般是将柔性纺织材料与导电/导光材料集成，形成可拉伸/压缩/扭转的传感元件，在高应变下能保持稳定的机电性能。当外界刺激如拉力和压力施加于传感元件时，其结构和物理量会发生变化。在智能可穿戴电子设备中，柔性纺织应变传感器不仅可检测外界压力、拉力，也可作为柔性触摸式或压力式输入设备，是可穿戴领域的研究重点之一。

柔性纺织应变传感器的工作原理是利用可变形传感元件将接收到的刺激转换为电信号。柔性纺织应变传感器可分为电阻、电容、电压（压电、摩擦电）、电感/电磁和光导式5种类型。电阻型传感器通过柔性纤维导电网络的结构转换，将应变转换为电子传输能力的变化。电阻型应变传感器可以通过纤维材料的隧道电阻变化、接触电阻变化、裂纹扩展以及导电网络的断开/重建，将变形转化为电阻变化信号。电容式传感器是通过两个柔性纺织电极之间的结构转换，将应变转换为变化的电容。电压型传感器通过显示压电或摩擦电效应的柔性纺织材料将应变转换为电位差的变化。电感/磁性型传感器分别通过柔性电感线圈的变形和磁铁相对于柔性衬底的位移将应变转换为电感/磁性的变化。光导型传感器严格来讲没有换能机制，其通过将光信号直接传输到检测器中进行信号检测，通常采用光纤或波导材料将光信号从一个地方传输到另一个地方，并通过与光在应变波导中的传输特性相对应的检测器进行信号检测。这些纤维基传感器的功能实现都离不开赋予纤维材料导电性。最常见的纤维基压力传感器是根据导电纤维/纱线/织物的电容或电阻变化来检测接触或者压力/拉力。如使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂层的导电纱线交织形成电容器结构，当施加外界压力时，电容信号会因为电容器结构的改变而改变，根据电容信号的变化，可检测到施加在纱线交织处的压力。此类传感器目前面临的最大挑战是线性度、滞后性、应变工作范围等难以兼顾最优。

图 2 柔性电感式传感器研究成果图

柔性纺织温/湿度传感器

目前，监测体表温度、湿度、汗液pH值和呼吸等生理参数用以判断身体状况的柔性传感器受到了极大的重视。温度是人体最重要的体征参数之一，不少疾病会使皮肤表面温度紊乱，通过对体表温度的测量可初步判断人体的身体状况。近年来，研究人员在柔性纺织体温传感器领域做了大量的工作，主要包括涂层式、金属式和混合电子式。如利用喷墨印刷工艺，在锦纶长丝表面均匀附着一层还原氧化石墨烯制得导电纱线，将其阵列地集成到织物上时，可对皮肤表面温度进行测量，并绘制相应热成像分布图；通过机织技术，将镀银导电纱织入织物内，获得了柔性全织物温度传感器，具有较高稳定性和灵敏度，可实时监测人体皮肤温度；通过在纱线中嵌入微型热敏电阻而形成混合电子温度传感纱，不仅保留了微型热敏电阻的电气特性，还可通过增加传输线弹性使其适应纺织加工性，甚至结合射频技术开发了RFID基温度传感纱，实现对人体温度的无线无源监测。

湿度也是人体重要体征参数之一，在监测伤口、皮肤病管理和人体微环境方面有着重要作用。电阻式、电容式湿度传感器是常用的柔性纺织湿度传感器类型。如采用湿法纺丝工艺制备单壁碳纳米管/聚乙烯醇（SWCNT/PVA）纤维，利用PVA的吸水性来改变电阻，可作为湿度传感器，其本质是PVA在潮湿环境下会吸水膨胀使纤维直径发生变化，从而使纤维电阻增大。

呼吸作为人体必要活动，是研究人体健康状况的重要参数之一，纺织温/湿度传感器也可基于呼出气体的温/湿度变化，对人体呼吸状态进行检测。

电化学传感器

电化学式传感器是以离子导电为基础制成，本质是气体或液体进入纺织传感材料后在其内部发生电化学反应。电化学纺织传感器包括生物传感器、气体传感器，已被应用于汗液、尿液、毒气等成分监测。例如，汗液pH值（4～7）是人体重要体表特征之一，受汗液中乳酸浓度的影响，而乳酸在汗液中的含量代表了肝脏的解毒能力，因此纺织汗液传感器可应用于监测诸如糖尿病等肝脏相关疾病。

图 3 美国西北大学生物集成电子中心汗液传感器原型

显然，上述应变型和温/湿度传感器大多数属于电阻型。研究发现，电阻型传感器的性能取决于传感器的形状和导电网络的结构。这些传感器可以检测各种形式的应变，具有广泛的传感范围和高灵敏度，但都需要外部电源。电容式传感器对力的变化反应迅速，灵敏度高。因此，其可以以低能耗准确地检测细微变形，但存在如边缘存在应变边迹效应和低重复性等缺点。电压型传感器是一种能直接将机械能转换为电信号的节能装置。然而，它们的灵敏度较低，不能准确地检测细微的应变。电感/磁性传感器可以无线检测应变，但信噪比低，传感范围窄。光导型传感器通常应用于需要长距离传输光信号的场景，且由于其使用了光纤作为传输介质，在使用过程中不会受到环境中电磁波信号影响，可大大提高其稳定性和抗干扰能力。

总之，研究人员已经研发多种制备柔性纺织传感器的方法，证明了通过纺丝、纺纱、织造、聚合和印刷技术集成织物基纺织传感器的可能性，在可穿戴领域具有广阔前景。但目前纤维基纺织传感器制备较为困难，对智能纤维/纱线性能要求很高，仍处于实验室阶段，还面临着诸如可洗性较差、与刚性传感器相比性能较差等难题需要解决，离实际市场应用还具有一定的距离。当前，研究人员的研究重点开始转向如何提高功能纤维/纱线的织造性能，实现纤维基柔性传感织物的工业化生产，以及在柔性可穿戴电子设备中的集成和应用方面。

来源：纺织导报（文章内容节选自《2024世界纺织行业趋势展望》中《智能纺织品新进展》一文，作者为孟粉叶、胡吉永、张勇，本篇微信中图1为该文章中原图，其他图片源于网络，如有侵权请联系删除）