一种双螺旋结构的一维柔性电容传感器，用于实时监测人体运动服装

《Sensors and Actuators A: Physical》：A Double-Helix Structured One-Dimensional Flexible Capacitive Sensor for Real-Time Human Motion Monitoring Garments

本研究优化了传感功能纱线，制备了SCN/PA/WPU复合纱并设计双螺旋一维柔性电容传感器，嵌入运动监测服装实时追踪膝关节、手势及呼吸数据，验证其0%-140%宽应变范围和0.66高灵敏度，为智能服装提供可行技术路径。

　　

杨嘉敏|岳新燕|王晓虎|鲍安娜|韩晓|洪建汉

浙江绍兴纺织服装与艺术设计学院，中国绍兴312000

摘要

为了解决运动监测服装开发中的关键问题——即传感器与纺织材料的兼容性、运动/生理信号的准确性以及穿戴舒适性——本研究优化了传感功能纱线，并制备了镀银尼龙/聚酰胺/水性聚氨酯（SCN/PA/WPU）复合纱线。利用这种纱线，设计并测试了一种双螺旋结构的一维柔性电容传感器（DHSOFCS）。该传感器被嵌入到运动监测服装中，用于追踪膝盖和手势动作以及呼吸情况，通过无线传输将电容信号实时传递到接收终端。实验结果表明，该传感器的拉伸应变范围为0%–140%，最大灵敏度为0.66。通过策略性地将传感器安装在膝盖、手指和胸部位置，实现了对关节和手势动作以及呼吸模式的实时高精度追踪，能够动态显示和记录运动状态和生理数据。这项工作为解决传统运动监测服装的核心问题提供了一条可行的技术途径，并为具有广泛应用潜力的健康监测电子纺织品提供了宝贵的见解。

引言

作为一种结合了材料科学、传感技术和计算机通信技术的新产品，运动监测服装将传统纺织的基本属性与智能分析、反馈控制和决策支持等核心功能相结合。其显著的实用性使其成为物联网时代一个极具前景的新兴领域[1]、[2]、[3]。

运动监测服装的研发始于20世纪30年代，最初是由航空航天和军事需求推动的。1993年，麻省理工学院开发的生理监测背心奠定了早期技术基础，但由于条件限制，其发展较为缓慢。随着人工智能和柔性电子技术的进步，现代运动监测服装将传统服装功能与通信、娱乐和生理监测相结合，以满足多样化的可穿戴需求[4]、[5]、[6]。Sipos等人探索了将运动监测服装与传统的成像技术相结合，以更主动、互联和以患者为中心的方式改善中风管理和患者预后。Hou等人设计了一种坐姿矫正运动监测服装，有效帮助办公人员调整坐姿，减少长时间坐着引起的脊柱不适。Kobayashi等人开发了一种低压运动监测服装，可以准确测量呼吸频率，且不会造成不适，误差范围在可接受范围内。通过实时采集生理数据和长期精确监测，运动监测服装已成为纺织和服装领域的研究热点[10]、[11]。

尽管取得了进展，但大多数现有的一维电容传感器仍存在应变范围狭窄（<50%）、电容输出低或机械耐用性不足等局限性，这些因素阻碍了它们在动态人体运动监测中的实际应用。传感设备的制造是影响运动监测服装舒适性和日常使用性的关键因素。与刚性传感组件相比，柔性传感组件体积更小、灵活性更高，能够更好地集成到纺织品中，并更便捷、准确地捕捉生理信号。因此，柔性传感技术已成为运动监测服装开发的核心推动技术，在医疗监测、运动健康、电子通信和能源供应等领域具有广泛的应用前景[12]、[13]、[14]、[15]。然而，该领域仍面临一些技术瓶颈和应用挑战。虽然一维拉伸应变柔性电容传感器具有优异的贴合性、易于编织和良好的伸展性，克服了传统二维或三维传感器结构的一些形态限制，但它们尚未完全解决核心性能问题[16]、[17]、[18]。Wu等人制备的一维柔性电容传感器只能承受50%的应变，使其适用范围大大受限。Cooper等人制备的一维柔性电容传感器由于两电极板之间的相互缠绕，有效面积较小，导致整体电容值较低。Teng等人制备的柔性电容传感器由于制备过程复杂，导电层在外力作用下容易损坏，耐用性较差。除了材料和传感器层面的限制外，运动监测服装的设计和实施还面临其他挑战，包括在美观、舒适性和功能性之间取得最佳平衡[22]，以及确保传感设备可靠地集成到纺织品中并在长期使用中保持信号稳定性。这些问题继续制约着运动监测服装的工业发展。

为了解决传感器兼容性、数据采集精度以及功能与舒适性之间的协调问题，在之前的研究中，我们成功制备了镀银尼龙/聚酰胺/水性聚氨酯（SCN/PA/WPU）复合纱线，并用它作为原材料，制造出一种具有优异灵活性、伸展性和传感稳定性的双螺旋结构的一维柔性电容传感器（DHSOFCS）。对其传感性能进行了研究和分析，并明确了其在人体运动状态监测和生理信号捕捉中的应用[23]。在此基础上，本研究进一步设计并制备了基于DHSOFCS的运动监测服装。通过精确的位置适配设计，将DHSOFCS隐蔽且牢固地集成到服装的关键部位，实时捕捉各种运动状态下的肢体姿势变化、关节运动角度和其他运动信息，以及呼吸频率等关键生理信号。通过服装内置的低功耗数据传输模块，多维监测数据实时传输到智能手机上，实现动态监测、实时反馈和对人体运动状态及健康状况的科学评估，从而为用户提供个性化的运动指导和健康管理支持。

材料

SCN导电纱线（44.4 dtex），青岛天音纺织科技有限公司；PA（77.7 dtex），市售产品；WPU，深圳吉田化工有限公司；弹性橡皮筋，直径1毫米，金马橡胶有限公司。

服装面料参数：80%尼龙，20%氨纶；双罗纹结构；厚度0.60毫米；重量228.82克/平方米。

SCN/PA/WPU复合纱线的制备

采用了自动化的包覆纱线生产流程。SCN芯纱由喂纱辊放出，通过控制喂纱和卷绕过程调节张力。

DHSOFCS的传感性能

在这种传感器中，SCN/PA/WPU复合纱线中的SCN芯纱作为电极，具有优异的导电性和稳定性，确保了传感器在拉伸和弯曲变形过程中的完整导电路径。PA纱线和WPU共同构成了外部介电层，WPU进一步增强了纱线的机械强度和耐磨性，使其能够承受复杂的机械变形和外部环境的变化。

结论

制备的复合纱线被螺旋缠绕在弹性橡皮筋上，构成了DHSOFCS。基于这种传感器，设计并测试了一种运动监测服装，在不同位置安装了传感器以研究放置位置对监测效果的影响。主要结论如下：

(1)

对制备的DHSOFCS的传感性能进行了系统测试。结果表明，双螺旋结构赋予了传感器优异的基本性能，

注释

作者声明没有利益冲突。

资助

本研究得到了浙江省自然科学基金探索性公益项目（项目编号LTGY24E030001）、省属高校学生创新创业训练计划（项目编号S202510349050）以及国家大学生创新创业训练计划（项目编号202510349016）的财政支持。

CRediT作者贡献声明

杨嘉敏：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，数据整理，概念构思。王晓虎：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，数据整理，可视化。岳新燕：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，数据整理，概念构思。洪建汉：验证，监督，资源协调，项目管理，概念构思。韩晓：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，方法论。

利益冲突声明

作者声明没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

杨嘉敏，女性，2003年出生，纺织材料专业研究生，主修先进纺织材料。