移動醫療（mHealth）為個性化、遠程醫療監測和風險評估提供了可能。目前，越來越多的小型化移動健康技術以便攜式、植入式和可穿戴設備的形式展現了傳感、捕獲、處理和傳輸各種生理參數以改善健康的能力。由于可穿戴設備在康復和物理治療、假肢控制、步態和長期生理信號（如卡路里消耗、心臟和呼吸速率）分析等領域的重要意義，使用可穿戴設備跟蹤人體運動已經獲得了高度關注。

可穿戴設備大致可分為三類：（1）智能手表、腕帶、耳機、眼鏡等配件；（2）與身體直接接觸的表皮裝置（皮膚貼片、電子皮膚）、隱形眼鏡、牙齒貼片；（3）集成在服裝中的設備。基于紡織品的可穿戴設備（即智能服裝）的優點是其與身體的自然接觸以及定制形狀以適應身體的能力。此外，與植入式設備相比，其侵入性小，并且基于紡織品的傳感平臺可以同時在多個不同的位置進行傳感。這些功能使得基于紡織品的可穿戴設備比任何其他智能健康監測設備更有可能在日常生活中使用。

目前，在紡織品中集成無線傳感平臺的努力方向主要包括兩類：i）使用具有商用傳感器標簽的通用無線通信協議或ii）帶有電感-電容（LC）電路的定制傳感平臺，該傳感平臺依賴于諧振頻移進行信號檢測。對于紡織品中集成的第一類無線傳感平臺，其傳感器標簽通常配備專用芯片，用于藍牙、近場通信（NFC）或射頻識別（RFID）通信。而紡織品中集成的第二類無線傳感平臺通常采用電感耦合，以電感-電容諧振器作為傳感器實現無源信號讀取（即無電池供電），從而避免了與剛性硅基組件的有線連接。這種基于電感-電容電路的傳感器只需要兩個組件，即電感器（L）和電容器（C），這使得它很容易以全紡織形式實現。

然而，雖然已有研究在可穿戴設備中使用了電感-電容傳感器電路，但是具有無線通信能力的全紡織傳感器在可穿戴設備中的應用仍然很少。隨著電子紡織品（e-textiles/textronics）的出現，新的材料和技術有助于在單纖維、紗線（細絲）或織物的水平上賦予標準織物導電性。因此，制備的電子電路元件（例如電容器和電感器）可以使用相對容易獲得的傳統技術（如縫紉或刺繡）無縫集成到服裝上。

此外，采用具有內在柔性和可拉伸性的材料和紡織品圖案可以進一步確保在跟蹤從中度到快節奏事件（例如步行、跑步或爬樓梯）時所需的魯棒性。同時，對于無源電感-電容傳感器的無線傳感，外部讀取器必須靠近電感-電容傳感器的電感器。這些電感-電容傳感器的諧振頻移在以往的研究中通常是用連接到臺式矢量網絡分析儀（VNA）或阻抗分析儀的耦合電感器記錄。這些讀取器不適合可穿戴設備應用，因為它們體積龐大（即使是小型化的矢量網絡分析儀），無法應用到日常生活中。此外，小型化的矢量網絡分析儀采樣率很低，需要在時間分辨率和掃描頻率范圍之間進行權衡。因此，便攜性和采樣率方面的這些限制要求采用可替代的無線讀取方法，使其適用于利用紡織品進行中度到快節奏運動的跟蹤。

據麥姆斯咨詢報道，近期，來自瑞士蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zürich）的研究人員在Advanced Science期刊上發表了題為“Passive and Wireless All-Textile Wearable Sensor System”的論文，報告了一種可以跟蹤身體運動并無線傳輸運動相關信息的無線傳感可穿戴系統。該系統基于智能服裝構建，該智能服裝具有完全由紡織品元件制成的電感-電容傳感器電路以及定制的讀取器，可以通過電感耦合記錄傳感器的響應。

圖1 利用智能服裝進行運動跟蹤的無源無線傳感系統

該無源電感-電容紡織品傳感器由用導線縫制的電感器（LWS）和用可拉伸導電紡織品制成的平行板電容器（CWS）組成，二者通過導電紡織品相互連接，并通過電容響應應變，從而改變諧振頻率。

接著，研究人員制造了一個基于Colpitts振蕩器的重量輕、成本低的的頻率讀取器（fReader），該頻率讀取器可以在不影響舒適性的情況下放在使用者衣服口袋中，并且以一種便捷的方式無線讀取應變引起的電容變化。與依賴于掃頻的矢量網絡分析儀不同，頻率讀取器采用的電路策略很簡單，其基于振蕩器的頻移進行檢測。此外，該頻率讀取器還可以通過定制的應用程序與智能手機進行無線通信，以實時提供檢測信息。

圖2 頻率讀取器（fReader）無線讀取模塊

最后，作為概念驗證，研究人員利用智能服裝通過測量應變引起的電容變化來跟蹤各種身體運動。與便攜但尺寸較大的矢量網絡分析儀相比，基于頻率讀取器的傳感方法可以用制造的紡織電感-電容傳感器提供更快的采樣率來跟蹤人體運動。

圖3 用智能服裝和頻率讀取器（fReader）在多個位置跟蹤人體的運動

總體來說，該研究開發的強大系統為新型無源可穿戴設備創造了無線監測運動的可能性，特別是在采用替代技術變得不切實際的復雜情況下。推進這種傳感模式的發展將為應用型研究人員提供更多可能的工具，從而將可穿戴設備用于身體康復、運動表現改善、傷害預防和健康等領域。

審核編輯：劉清