蘇黎世研究員為動(dòng)捕柔性紡織衣服研究螺旋狀膨脹紗線電容傳感器

　　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�成為�?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)致織造問題，并可能在制造過程中對(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作為電容傳感器，并發(fā)現(xiàn)了來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)到同類型傳感器中從未報(bào)道過的靈敏度，“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)部纖維周圍，并形成螺旋狀。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，研究人員通過在聚酯纏繞的彈性纖維上采用聚吡咯的氣相聚合來合成彈性和高拉伸性電極，并且通過在導(dǎo)電彈性纖維周圍用銅線螺旋纏繞來進(jìn)行螺旋制造。通過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，無法幫助測(cè)量身體的運(yùn)動(dòng)。然而，這種紗線的屬性非同尋常。與大多數(shù)其他材料不同，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的紗線在拉伸時(shí)變厚。因此，紗線對(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。

　　在將這種紗線縫合到一條彈性跑步緊身褲時(shí)，當(dāng)用戶跑步時(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線發(fā)送電信號(hào)，研究人員為其配備了一個(gè)由導(dǎo)電紗線制成的環(huán)形天線。如上圖所示，天線直接縫在緊身褲中。所以，傳感器和天線一起形成了一個(gè)電路，完全集成到衣服中。

　　電信號(hào)從可拉伸傳感器傳輸?shù)教炀�，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。

　　相關(guān)論文：HACS: Helical Auxetic Yarn Capacitive Strain Sensors with Sensitivity Beyond the Theoretical Limit

　　在實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)表示，他們的研究原型可以達(dá)到從未報(bào)道過的靈敏度，“可以非常精確地捕捉身體的運(yùn)動(dòng)”。將HL增加到8mm(E3W1-8)導(dǎo)致應(yīng)變靈敏度因數(shù)增加超過理論極限，達(dá)到2的值，這與飽脹性的增加相吻合。將HL進(jìn)一步增加到15 mm(E3W1-15)，產(chǎn)生了獲得的最大應(yīng)變靈敏度因數(shù)，能夠重復(fù)應(yīng)變到10%，并且具有4的應(yīng)變靈敏度因數(shù)。

　　同時(shí)，他們的螺旋狀膨脹紗線傳感器相對(duì)容易制造，包括氣相電極合成的多功能性，并且由于柔性紗線結(jié)構(gòu)而能夠作為獨(dú)立的傳感器使用，以及可以相對(duì)容易地集成到紡織品之中。當(dāng)然，團(tuán)隊(duì)坦誠他們依然需要不斷優(yōu)化和改善研究。