可编程刺绣纺织压力传感器，用于集成多功能智能可穿戴系统

MEMS 2025-04-06 00:01 58浏览 0评论 0点赞

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在全球医疗水平呈现多样化发展态势和人口老龄化问题日益突出的背景下，智能穿戴电子系统的设计成为满足人们个性化健康监测需求、提升生活质量的重要途径。相比传统刚性电子元件，智能纺织品凭借其柔韧性和透气性成为理想选择，能够将电子功能无缝整合到耐用、轻便的织物中。然而，当前基于纺织结构的柔性压力传感器仍面临难以量产、易集成性差以及功能可编程性不足等限制，且多依赖于非纺织元件，降低了穿戴的舒适性和可普及性。

近期，北卡罗莱纳州立大学印荣团队提出了一种兼具高性能、可编程性与成本效益的智能刺绣纺织传感器定制化制造方法，以满足医疗监测、人机交互和信息安全等多元应用需求。该研究基于将导电纱线刺绣在非导电织物基底上的方法，设计了两种工作模式：单层传感器具备快速响应与高灵敏度，可监测大型与细微人体活动/生理信号；双层传感器则具备小范围灵敏性与简易阵列集成能力，并通过借助机器学习实现高效手写数字识别，可用于用户身份认证与信息保护。该研究展示了刺绣技术与人工智能融合在个性化智能可穿戴系统开发中的广阔应用潜力，为未来穿戴技术的集成和普及提供了新的解决方案。

首先，该研究以刺绣技术为基础，开发了一种可编程的柔性电阻式压力传感器。该传感器利用导电纱线、非导电缝纫线和基底织物，通过刺绣机高效组装而成。为展现该方法制备传感器的可设计性，文中展示了单层和双层两种结构，分别通过刺绣图案内或层间接触电阻实现灵敏压力检测。单层结构采用缎面刺绣图案，在受压时通过增大平面内纤维接触面积显著降低电阻，从而实现灵敏的压力检测；双层结构则通过压力驱动上下导电层间接触，产生电信号变化实现压力检测。实验结果表明，该传感器的性能优于其他传统织物结构传感器，同时还具备图案定制性和审美适应性，能够低成本扩展应用于健康监测、交互控制及增强现实等智能穿戴领域，实现集成化、多功能的个性化人机交互系统。

图1 传感器的设计和组装

其次，对4种镀银导电纱线（单股、双股、四股和编织型）在刺绣电阻式压力传感器中的性能进行了对比分析。结合扫描电镜和相关测试，纱线的结构差异显著影响其摩擦和机械性能。在拉伸和压缩测试中，编织型镀银纱线展现出最佳的抗拉性能和压缩下最大相对电阻变化，具有高接触密度和快速恢复能力，能有效避免因应变产生的信号干扰。同时，编织型镀银纱线具有良好的稳定性，因此选其作为刺绣传感器的导电组分。

图2 导电纱线的表征

最后，优化了传感器的几何结构和刺绣参数。通过调整单层刺绣缎面压力传感器几何尺寸、针迹密度及连接方式，探索其对压阻性能的影响。研究发现，针迹密度为1 mm时（相邻两行线迹之间无重叠或缝隙）的方形针迹连接模式表现出最佳的灵敏度和相对电阻变化能力。该传感器具有快速响应与恢复时间（35 ms和16 ms），并在大于5000次循环压力载荷中保持动态稳定。此外，透气性测试表明，刺绣设计对织物透气性影响较小，且该传感器可水洗，适用于舒适、重复穿戴场景。双层传感器利用顶层与底层的银纤维接触响应压力变化，提供小范围内大幅度电阻变化及优异重复性。两种设计兼具高灵敏度、动态稳定性和透气性，并支持可穿戴设备的集成和多场景应用。

图3 缎块单层刺绣压阻传感器的参数优化及性能表征

传感器可直接通过刺绣整合到织物中，构建具备实时数据采集、信号识别和交互控制功能的智能服饰。例如，单层传感器能够检测运动与生理信号，如步态压力变化、关节弯曲度和肌肉收缩，为个性化健康监测、运动训练及康复提供支持。同时，该传感器还能记录小幅度信号，如通过颈部的声带振动进行语音识别或监测颈动脉脉搏用于心血管健康评估等。

图4 基于单层刺绣传感器的实时身体运动监测和信号表征

双层刺绣压力传感器具有对小压力（<10N）的高灵敏度，可作为织物开关，为可穿戴互动系统提供设备控制、用户认证、信息交流和娱乐等多种应用。例如，通过机器刺绣实现集成电致发光反馈的传感器，能够根据触觉交互生成视觉反馈，用于认知训练或设备控制。此外，研究设计了一种3×3双层刺绣阵列，该阵列通过极简布线实现位置精准检测，同时结合低功耗和简化的信号处理方法，大幅降低了系统的复杂性和成本。进一步利用机器学习模型，以该阵列作为手写输入模块，实现了98.5%的手写数字识别精度，展现出在用户身份验证和信息安全方面的巨大潜力。这一成果为将智能交互和个性化功能无缝集成到智能服饰或家居中提供了创新途径。

图5 基于3×3双层刺绣传感阵列的机器学习用户笔迹验证系统

相关成果以“Programmable and Scalable Embroidery Textile Resistive Pressure Sensors for Integrated Multifunctional Smart Wearable Systems”为题发表在Advanced Fiber Materials。

原文链接：
https://doi.org/10.1007/s42765-024-00506-5