LED和传感器被直接织入纺织纤维

美科学家将发光二极管和传感器直接织入纺织级聚合物纤维 图片来源：《自然》

科技日报北京8月8日电 （记者张梦然）英国《自然》杂志8日发表了一项材料学最新研究成果：美国麻省理工学院团队通过一种新型制造方法，将发光二极管（LED）和传感器直接织入了纺织级聚合物纤维中。该工艺可用于开发能够实现光通讯和健康监测的新型可穿戴技术。

能够发射或探测光的半导体二极管是通讯和传感器技术的基本构件。如果能将它们融入织物之中，则有望创造出新型可穿戴电子设备。然而事实证明，要将半导体器件的功能与基于纤维的纺织品的可扩展性结合起来，实属一件棘手的事。

麻省理工学院研究人员约尔·福林克及其同事，此次从一块较大的聚合物预制件着手，将半导体器件嵌入预制件的中空通道。然后，一边将导线穿进中空通道，一边加热并拉伸该预制件，从而形成延展的纤维束。这样一来，电连接的光发射或光探测二极管在纤维束内轴向均匀地分布开来。该工艺具有内在可扩展性，可以制造出数百米长的功能性纤维。一旦经过拉伸处理，这些纤维就可以很容易地织进织物中。

研究团队将这些二极管纤维放进标准的家用洗衣机中转十圈，发现其性能没有受损，证明了它们的耐用性。他们还表明，可以在包含光探测和发光纤维的两种纺织品之间建立起双向光通讯链接。不仅如此，这种智能纺织品也可用于测量穿戴者的心率。

研究人员总结表示，这种新型制造工艺使人们能够制造出具备更多先进功能的纺织品，智能纺织品和可穿戴技术或将遵照自身的“摩尔定律”，变得日益精密。

盘点 智能纺织品传感器有哪些？

智能纺织品是指能对外界环境刺激做出感应和反应的纺织品，包括智能调温纺织品、形状记忆纺织品、防水透湿纺织品、变色纺织品、电子信息智能纺织品等。电子智能纺织品的主要单元包括可导电的纺织品、采集信号的传感器、驱动单元和控制单元，由此可对外界刺激做出感应、反馈和响应。基于传感器，只能感知环境或用户的纺织品称为消极（被动）智能纺织品；能对环境刺激做出反应，并集成传感装置和执行器装置的纺织品称为积极（主动）智能纺织品；能够感知、反应和调整它们的行为以适应给定环境的纺织品称为高级智能纺织品。传感器提供一个神经系统来检测信号，因此在被动智能材料中，传感器的存在是必不可少的。

传感器是一种检测装置，通过将柔性或微型传感器嵌入织物中，可使其能够感应温度、压力、位移、电流等多种物理或者化学刺激。目前，电子智能纺织品传感器主要有应变传感器、压力传感器、电感传感器和光纤传感器。

应变传感器

应变传感器主要用于监测人体生命体征，如心率、呼吸和血压等，可通过集成具有压阻特性的纤维制成织物传感器。因为织物有很大的面积与皮肤接触，意味着它可以在身体的多个部位进行监测。此类压阻传感器柔软、质轻、灵敏、体积小、分辨率高，与织物结合好，当织物尺寸出现微小变化时，导电面积改变导致电阻变化，从而将织物形变转化为电阻变化，并通过对信号分析来监测人体身体参数。

用于检测人体呼吸的碳纳米管传感器

压力传感器

压力传感器是一种将接收到的力学信号通过某种特定的方法以电信号的方式来输出的传感器，其通常由力学感应原件和转换装置组成。压力传感器可分为电容式传感器和电阻式传感器。

电容式传感器通过电容随外加压力的变化而变化的原理实现传感作用。常见的有以纤维为基体，通过附加导电材料和电介质制成的纤维式电容传感器以及以织物为基体，中间加入电介质制作而成的织物式电容传感器。

电阻式传感器的应用十分广泛，其工作原理是导电材料在受到压力作用时自身电阻会发生变化。将该类传感器用于智能服装，其在受到微弱的压力变化时就会有明显的电阻变化，因此可以用测量微小力的变化来反应呼吸、脉搏等生理指标。同样，电阻式传感器也可分为纤维式和织物式传感器。纤维式电阻传感器常用的导电材料为碳纳米管、石墨烯以及一些非本征型导电纤维；织物式电阻传感器常用导电材料为导电涂层或导电薄膜材料，其具有服装要求的柔软性，且导电层都在外表面，能更灵敏地检测压力的变化。

检测手指动作的压阻式传感器

电感式传感器

电感式传感器是利用电磁感应，将压力或者人体动作转换成线圈的自感系数和互感系数变化的传感器，又称电感式位移传感器。电感式传感器按照转换原理可分为自感式和互感式传感器，按结构形式可分为变间隙式、变截面式和螺管式传感器。电感式传感器分辨率高，线性度好，测量范围宽，虽存在如交流零位信号、不宜高频动态测量等缺陷，但相比其他传感器更适用于人体监测类智能纺织品。尤其是当电感式传感器的传感线圈采用导电纺织材料时，比金属线圈更加柔软，更适用于智能纺织品。

光纤传感器

光纤传感器是利用光纤的敏感特性对外界物理量进行监测的传感器。其原理是光在光纤中传播时，外界环境的变化会引起光波强度和偏振面的改变。光纤传感器主要由光源、探测器和光纤组成，目前使用较为广泛的光纤传感技术主要有宏弯光纤传感器、微弯光纤传感器和光纤布拉格光栅等。将光信号参数的变化转化为医学设备的相关参数，由于其微弯原理、宏弯原理、灵敏度高和抗电磁干扰性质，适宜与纺织品结合并应用于医疗健康领域。相较于电传感器，光纤传感器在医疗领域中高磁场环境下具有明显优势，尤其是在心跳频率和呼吸速率等的监测方面发挥着重要作用。

光纤与织物结合

更多内容，请关注《纺织导报》2019年第5期“电子智能纺织品在人体监测方面的研究进展”一文。

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