柔性传感器在智能服装中的应用

侯昕志，徐兴美，唐 维

（四川文化艺术学院，四川 绵阳 621000）

传感系统由末端电子元件感知人体压力、湿度、温度和气味变化，由处理器采集数据并处理数据，反应机制作出应答，以终端设备反馈给用户。感应、采集、识别、处理和反应是智能服装人工智能实现的过程，采集准确无误的原始数据是最重要的前期环节，依靠传感器实现。

早期智能服装中的传感器是不可形变的硬件电子元件，多用于行动不便的重症患者的身体健康数据采集，在行动自如的人体中无法跟随人体运动幅度自如摆动，因其发生位移，则丧失了数据采集的准确性。传感器在服装前期的运用中舒适性、适用性和美观性等方面弊端显著，因此无法推广到日常生活中的健康数据监测领域。柔性传感器的出现，让智能服装与传统服装衣着感趋同，且操作简便，美观性增加，很好地弥补了其缺陷，延展了智能服装的使用范围。

1 柔性传感器在服装中的运用

柔性传感器不同于以往多用在工业生产、医学诊断和智能家居等领域具有硬件特性的刚性材料，柔性传感器由具有柔软、易变形及低模量特征的柔性基底材料制造而成，如聚乙烯醇(PVA)、聚酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚萘二甲酯乙二醇酯（PEN)、纸片和纺织材料等，具有不易形变、耐腐蚀及柔软特性的材料[1]。柔性传感器的传感则是通过能够延展、拉伸、弯曲和折叠的导电活性材料实现，是能对灵活多变的被测量物进行测量的导电性传感器件。将具有导电特性的材料直接植于纺织面料底层，是柔性传感器与传统服用面料最常见的结合形式。柔性传感器在被测量物运动状态中会跟随运动状态自如变形，且不会影响数据采集的准确性，如今已被广泛地运用在智能服装上。柔性传感器种类繁多，在服装中为了实现功能化主要将柔性压力传感器、柔性湿度传感器、柔性温度传感器和柔性气味传感器这4 类植入服装内侧与人体皮肤界面直接接触[2]。

柔性压力传感器可从其工作原理及构成原理2 个方面进行分类：其一，根据其不同的感应模式及运行模式，可分为压电式柔性压力传感器、压阻式柔性压力传感器和电容式柔性压力传感器；其二，根据其结构不同，可分为单一微结构柔性压力传感器、多孔微结构柔性压力传感器和混合多孔微结构柔性压力传感器[3]。压力传感器可运用在检测血压和呼吸的智能服装中，能够监测到由于血压和呼吸造成的压力变化数据。

柔性湿度传感器可根据其响应特性及工作原理，分为光学型柔性湿度传感器、电容型柔性湿度传感器、电阻型柔性湿度传感器和声学型柔性湿度传感器，其中电阻型在智能服装中应用广泛，优点包括易操作、低成本及结构简单[4]。柔性湿度传感器是通过感应湿度刺激及对人体汗液酸碱性的抗蚀程度来判断人体的健康状况。

柔性温度传感器可根据温度的不同，传感机制分为热敏电阻式柔性传感器、基于硅二极管的探测器和热电探测器[5]。热敏电阻式柔性传感器在接触人体时，人体的温度变化会引起传感器的电阻变化，相较于其他类型的柔性温度传感器，它具有灵敏性好、准确性好和操作性强等优势，被广泛地运用在智能服装领域中。柔性温度传感器相较于传统温度计，在智能服装中的运用范围更全面，能在任何时间下监测人体全身的温度变化。

柔性气味传感器可对人体的十二烷、癸醛与正己酸3 种气体进行检测，传感器由衬底、电极和敏感材料3 部分组成[6]。气味柔性传感器在智能服装中的运用也可是外置形式，其形式作用于外界环境，不针对人体气体进行检测，而是针对外部环境的有害气体进行检测。

2 柔性传感器在智能服装中的优势及弊端

2.1 柔性传感器在智能服装中的优势

柔性传感器可检测人体在任何环境、任何时间和任何状态下的身体状况，相较于传统的检测手段，其突出优势表现在受客观因数的制约较小。柔性压力传感器运用在检测人体运动状况的智能服装中优势明显，可根据人体运动时肌肉产生的拉伸及不同受力点来检测人体肌肉发力情况，并敏锐地捕捉其变化，可作为专业体育训练的检测服，以调整不科学的运动方式，提高身体运动机能水平，并能有效指导运动服设计的不断完善。柔性湿度传感器运用在检测人体汗液的智能服装中优势明显，老年人的身体健康状况可由汗液反映，此传感器可以及时地检测出穿着者的身体健康数据，其多运用在老年智能服装及医疗检测智能服装中。

柔性温度传感器运用在检测感知力低下人群的智能服装中优势明显，多用于儿童的智能服装。当儿童体温出现不正常趋势时，感应器会及时检测到异样信息，然后传递到父母手机或电脑终端设备，让孩子能够及时就医。柔性气味传感器运用在检测外部危险气体的智能服装中优势明显，对于有害物质及乙醇等气体能够做出及时反应。

2.2 柔性传感器在智能服装中的局限性及改善措施

柔性传感器在智能服装中的应用，与功能性服装产品相比，成本价格较高，社会基础设施程度与柔性传感器发展速度不匹配是其成本无法下降的原因，使其止步于高昂的实验产品。与硬件传感器相比，柔性传感器采集数据的准确性相对较差，柔性传感器需紧身穿着才能保证其人体数据采集的准确性，如果传感器不贴身，便无法保证数据的可靠性，丧失了柔性传感器的灵敏性。与传统服用面料相比，其舒适度较低，柔性传感器的舒适度与硬性感应器在服装上的运用而言，柔性化是传感器的一大进步，但这也是相对而言，柔性传感器的薄膜材料与真正柔软的衣着面料还是存在一定差异。以上的几点都是其发展过程中不可忽视的局限性。

为了进入市场，规模性生产是降低其成本的关键，针对柔性传感器价格方面的不足，采用廉价的新型材料、简易的加工工艺及成熟的生产技术均能有效降低成本，其前期试验投入不可小觑，此项目在社会大环境中的技术成熟到一定程度后，成本便会降低。针对柔性传感器舒适度方面的不足，应集中于新面料的试验，复合新型面料才是柔性传感器的发展方向；针对柔性传感器灵敏度方面的不足，应对感应器件在柔性基底上的分布密度进行加大，其达到一定密度要求、并具有一定的紧身性时，便能限制外在因素的干扰，使智能服装具备灵敏性。

3 柔性传感器在智能服装应用中的发展前景

在特殊职业中，智能服装的发展前景良好，多种柔性传感器在智能服装中的应用将发挥巨大的实用效益。针对沙漠环境工作人员穿着的智能服装，温度传感器及湿度传感器不仅能够检测工作人员的生命特征，也能对外部恶劣环境进行监测，利于工作人员随时掌握自身的健康状况及环境情况。在这个过程中，人员信息与网络同步，当人员发生危险时，利于搜救，有效降低伤亡率。针对极地工作人员穿着的智能服装，温度传感器及压力传感器可以分别检测人体温度状况和人体生命特征，当极地工作人员或探险人员出现身体异常时，感应器会及时感知，并将身体健康信息及坐标位置传输给救援队，使其能在第一时间得到救援。

针对消防员穿着的智能服装，柔性传感器应是内外双向感应，在检测人体温度、汗湿的同时，检测外部气候温度及空气湿度，如图1 所示。

图1 智能消防服柔性传感系统

红外辐射热传感器和空气湿度传感器能对火灾现场情况进行客观分析，帮助消防员科学合理地判断救援现场情况，在提高救援效率的同时，保障自身安全。体温传感器与汗湿传感器能随时监控消防员的身体情况，在消防员昏迷或无法自述身体状况时，传感器可准确地将人体数据传输给施救人员，使施救人员准确及时地了解被救者信息，有效减少火灾救援现场消防员的牺牲。

4 结语

柔性传感器在智能服装中的应用让穿着者随时随地了解自己的身体状况，可做日常生活服装穿着，其发展趋势适应于社会发展态势。一项技术从萌发到成熟，其速度的周期是越来越短的，并呈指数式缩短。科学技术引领传统行业的发展，智能服装技术引领传统服装产业的发展，而柔性传感器决定了智能服装的发展。高新科技发展的时代孕育了大量的智能产品，除智能服装外，还有智能头箍、智能眼镜和智能手表等，但这些产品功能都是由传感器实现的。传感器在更柔软、更环保的同时，采集人体及环境信息数据也更加准确，且与增强现实技术无缝对接，可帮助穿着者及使用者提高生活质量及工作效率。