基於可拉伸光纖的智能穿戴紡織品

2020-09-23 柔性電子服務平臺

近期，研發人員提出了一種智能紡織品的開發與應用。採用光聚合紡絲工藝製備了高彈性光纖，即LPS-POF，其彈性模量和彈性極限分別為15mpa和17%。差示掃描量熱法顯示LPS-POF在13-40°C的溫度範圍內具有熱穩定性。所開發的傳感器基於光功率變化，這是一種完全便攜和低成本的技術。為了搭建多路復用的傳感器系統，採用了基於柔性發光二極體（LED）開關調製的技術，其中每個LED代表一個傳感器的響應。智能紡織品由LPS-POF和嵌入氯丁橡膠織物中的三個柔性LED組成。對系統在不同平面上的溫度、橫向力和角位移檢測性能進行了評價。傳感器具有高線性度（平均測定係數為0.99）和高重複性（測量間偏差小於5%）。該傳感器還應用於活動檢測，其中主成分分析（PCA）應用於傳感器響應，並結合聚類技術（如k-means）指出檢測基本活動（如步行、坐在椅子上和蹲下）的可能性。

物聯網（IoT）概念主要依賴於設備的無線連接，這對無線系統的不斷發展和小型化提出了要求。這種發展促進了智慧工業、智能城市和遠程醫療保健應用等許多發展。由於人口增長和人口老齡化日趨嚴重，遠程醫療保健在未來將扮演著重要的角色，並且在未來，遠程醫療對智能系統的需求也越來越大。在這種情況下，需要對遠程協助的人類活動進行持續監測，包括診斷、急救和病人健康狀況的監測。遠程健康監測具有降低治療成本和節約醫療資源（和臨床設施）等優點。

作為一種比較流行的遠程健康監測技術，不同種類的可穿戴傳感器已經被用於監測用戶的多個參數。可穿戴傳感器在人體監測中的參數包括運動評估和分析、體溫、相互作用力/壓力（人與物體之間）、溼度和生理參數，包括心跳和呼吸速率。在某些情況下，還應加上動脈血氧飽和度和項脈搏參數等。

隨著可穿戴傳感器系統的日益發展，智能紡織品可以讓傳感器和用戶之間更加密切，即傳感器系統輕巧、緊湊，並且不會限制用戶的移動。緊湊型和嵌入式傳感器在智能紡織品中的應用，以及它們易於安裝和拆卸的優點，對系統的實用性有積極的影響。鑑於這些優點，柔性電子技術的發展使得柔性可穿戴傳感器的開發成為可能，如先前報告的綜述9中總結的傳感器。智能紡織技術繼續朝著更高的小型化、低能耗和無線連接的方向發展，這與物聯網設備的要求非常吻合。這些進步包括嵌入織物補丁中的電阻傳感器和用於電容測量的雙核微纖維，包括不同的嵌入方法和電路。

光纖傳感器在許多應用領域都有了很大的發展，包括工業、結構健康監測和保健。在這些應用中，光纖傳感器具有體積小、重量輕、具有多路復用能力、本質安全操作和不受電磁幹擾等優點。這些優點對於可穿戴應用尤其重要，因為可以獲得一種安全操作的緊湊型傳感器（因為傳感器頭部沒有電流），並且這種傳感器不受電磁幹擾。

這些優勢推動了光子集成紡織品的發展，一些報告中，光子集成紡織品開始作為服裝配件或信號設備。然而，隨著光纖傳感器的廣泛應用，所謂的光子學紡織品被應用於體溫傳感、呼吸和心率。許多已報導的傳感器基於光纖布拉格光柵或其他波長編碼的傳感方法，它們具有高精度和對光源功率偏差的免疫力，但需要一個光譜分析儀或一個光詢問器，此類設備通常是體積大且不可攜帶且成本高（與其他傳感技術相比）。此外，此類傳感器採用二氧化矽光纖，儘管其光損耗較低，但具有較低的抗衝擊性和應變極限的脆性。另外值得注意的是，如果發生斷裂，玻璃纖維可能會刺穿使用者。為了克服這些缺點，聚合物加工、製備和製備技術的進步推動了具有更高應變極限、柔韌性和衝擊韌性的聚合物光纖的發展。其堅固的表面也使POF更容易融入紡織品中，在許多用於人類健康評估的可穿戴傳感器的工作中，已經證明了這些特性。此外，採用POF傳感器的智能紡織品主要基於強度變化傳感原理，實現了成本較低的可攜式傳感器（與基于波長的傳感器相比）。

圖1 LPS-POF的特性：（a）DSC結果，（b）靜態拉伸試驗中的應力-應變曲線，（c）不同頻率下DMA中的儲能模量和損耗因子。圖插圖顯示了光纖中熱負荷和機械負荷的示意圖。


圖2 擬議的多功能智能紡織品的圖片和示意圖。圖中還顯示了帶有傳感器響應的採集矩陣


圖3 LPS-POF嵌入式紡織品的溫度分析。（a）溫度表徵。（b）每個傳感器對不同熱點的溫度響應。


圖4 LPS-POF嵌入式智能紡織品，用於監視用戶的活動。（一）時域分析。（b）用於活動監控的散點圖。

參考文獻：Smart textiles for multimodal wearable sensing using highly stretchable multiplexed optical fiber system.Arnaldo Leal-Junior, Leticia Avellar, Anselmo Frizera & Carlos Marques

原文連結：https://www.nature.com/articles/s41598-020-70880-8

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