研究人員發明自供電織物觸摸傳感器，將其用于智能人機交互界面。制造出了可用作人類活動檢測器的形狀適應性電子紡織品（簡稱“SET”），將聚四氟乙烯（PTFE）和銀（Ag）紗線通過繞線機依次纏繞在軸向金屬化銀紗線上。

當提到可穿戴設備時，大多數人會想到戴在手腕上的智能手表、健身監視器和心率監測器等。然而，可穿戴設備市場已經遠遠超越了這些標準設備，在多個不同領域的新興市場已經暫露頭腳。能夠提供醫療保健功能的智能服裝便是眾多新型市場中的一個，它是將電子產品編織到襯衫、毛毯、繃帶、針織帽或褲子中，以此來執行特定的護理功能。

智能服裝也可以被稱作電子紡織品，目前正處于發展的初級階段，在醫院和其他護理機構的實際應用非常少。然而，這項技術的潛力是巨大的，許多醫療機構和醫療設備制造商都在積極尋找智能服裝的試點項目，并研究最新的電子紡織技術。實際上，智能服裝在醫療保健領域有著這樣的期望——在未來5年里，它將顛覆整個行業。

迄今為止，在日常生活中，已經出現了許多可穿戴電子設備，例如衣服，眼鏡，手表，甚至是智能傳感器。但是上述設備通常需要電池作為電源，缺少靈活性和輕便性。此外，可穿戴電子設備在透氣性，柔韌性和輕量化方面仍然面臨巨大挑戰。另一方面，智能觸摸感應系統對于人機交互界面至關重要，盡管人造皮膚傳感器具有高靈敏度和形狀適應性的優點，但它們在皮膚友好性、透氣性和舒適性方面仍需要很大的改進。

考慮到制備過程的特點，SET可以簡單地大規模集成到織物/布料中。首先，制成的SET具有空氣超透氣性，高靈敏度，快速響應時間和穩定的輸出性能。其次，制作出的SET還可以靈敏地主動監視人體的運動，這為用作自供電主動運動傳感器提供了潛在的應用。

為了滿足可穿戴電子設備的柔韌性，透氣性和柔軟性的要求，SET采用同軸紡織材料制成，具有芯-殼和正交結構，如圖1a所示，共三層。外層和內層均為銀（Ag）絲，充當電極。中間層是作為摩擦層的PTFE紗線。編織機用于將單線編織在一起并形成核殼結構。PTFE紗線和外部Ag細絲之間的PVA用于增加接觸分離距離并確保輸出性能。最后，通過針將制成的SET進一步編織成可穿戴的多功能紡織品，以從人體運動中獲取機械能。SET的橫截面形態如圖1b-（i）所示。可以清楚地看到，在外銀絲和PTFE層之間有一些孔，這有助于增加接觸面積。此外，編織SET（尺寸為9×6 cm2）的外觀如圖1b- （ii）所示。

圖1. SET的結構示意圖和工作機制。 a）具有同軸結構的SET的示意圖。 b）橫截面的光學顯微鏡照片和SET紡織品的光學照片。 c）SET的示意性工作原理。

SET的工作機制是基于摩擦電器件的四種工作模式的垂直接觸分離模式。由于介電PTFE材料和導電Ag電極之間的摩擦極性差異很大，因此可以輕松地進行電荷轉移。圖1c顯示了接觸分離過程中發電進度的電荷分布。一旦PTFE紗線接觸/分離銀絲，由于電勢差，電荷將在摩擦層和電極之間轉移。通常，在幾個摩擦循環后，PTFE和Ag織物會彼此獲得相同數量的正電荷和負電荷。在正常狀態下，當沒有在同軸設備上施加壓力時，外部銀不會與PTFE接觸，因此在兩個電極之間既不會產生電荷也不會產生電荷的轉移（圖1c-（i））。一旦外部Ag到達PTFE，電子將從內部Ag電極流到外部Ag電極，以平衡PTFE層與外部Ag電極之間的電勢差（圖1c-（ii））。但是，當外部Ag電極與PTFE完全接觸時，電路中將沒有電流，因為結合的電荷在兩層表面上保持中和，如圖1c-（iii）所示。此外，當外部Ag電極遠離PTFE層時，電子將流回內部Ag電極（圖1c-（iv））。如上所述，說明了SET垂直接觸-分離模式整個周期的信號產生過程。圖2表明了對SET性能的研究。

圖2. SET的電氣輸出性能。 a – c）示出了在10N，7N和5N的不同編織張力下的單一復合纖維表面的SEM圖像，隨著張力的降低，外層銀紗線將變得致密。 d）SET在不同電阻下的輸出性能，電流和功率取決于各種負載電阻，在電阻達到10MΩ之前，SET的Isc幾乎穩定。 e）Voc和f）Isc在不同張力下的輸出性能。 g）Voc和h）Isc的信號具有不同的PVA層，制造了不同層的PVA紗線以比較它們的能量收集能力。

得益于針織物優異的柔軟性，柔韌性和透氣性，SET可應用于各種彎曲的情況。圖3a，b所示，分別顯示了在各種曲率下的SET的圖片以及其在曲率范圍為4-7 cm 時，Voc和Isc信號。可以看出，輸出的Voc和Isc符號將隨著曲率的增加而減小，這是因為較高的彎曲度確保了Ag和PTFE之間足夠的接觸面積。此外，SET已經在不同變形條件下的可穿戴電子設備中得到了廣泛的應用。圖3c顯示了SET如照片當中揉搓時的Voc大小，其峰值約為4V。同樣，圖3d – f是肌肉，肘部和手腕扭曲時SET相應的照片及其Voc大小。值得注意的是，肌肉和腕部過程的實時Voc信號不像另外兩個過程那樣規則，因為接觸-分離這兩個過程并不完整且不明顯。此外，肘部扭轉時，Voc信號達到約5.8 V的最大值，因為高強度確保了完全的接觸-分離和進一步足夠的接觸面積。還可以在不同的手動條件下測量輸出性能，證明了其在可穿戴電子設備中的廣泛應用。

圖3. SET的輸出性能。 SET具有不同曲率的輸出：a）Voc； b）Isc的曲率范圍為4至7 cm。 c）揉搓時輸出SET的Voc。 d – f）SET在身體運動監測中的應用：d）肌肉，e）肘部，f）手腕。

學術研究機構正在努力的發展智能服裝，并正在致力于商業化，高科技面料以及微電子技術的進步，正在為與健康相關的電子紡織品提供更多的發展機會。

目前，很多想法已經著手進行試點，比如用于緩解慢性背痛的T恤、用來監測慢性肺部疾病患者呼吸速率的襯衫、用于監測孕婦子宮收縮和胎兒心率的腹帶、供糖尿病患者使用的壓力監測襪子以及為嚴重心臟病患者提供的帶有電擊功能的襯衫。

一些專家認為，在醫院里，智能衣服將有望完全取代用于追蹤心率、血壓和氧氣含量的床邊監測設備。最近，在智能服裝中整合手勢識別的想法已經引起了Google – Levi項目組的興趣，他們為自行車騎行者提供了具有手勢識別功能的夾克。許多專家認為手勢識別能夠在智能服裝領域找到它的一席之地，這項技術可以供截癱患者使用，也可以為患有中風或心臟病的老人或者躺在病床上的老年人使用。在未來的五年里，這些價格低廉、技術成熟的產品將很難被超越。

觸覺反饋或在用戶界面中使用觸摸感知，這在電子紡織品中有將很大的前景，因為它可以很容易小型化，不需要移動機械部件。觸覺反饋將被用于電動肌肉刺激（EMS），它可以感知病人肌肉所產生的從小到大的力量。有觸覺反饋技術的智能衣服可以在任何時候，用在身體的任何部位，用來刺激肌肉運動或康復。

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