苏黎世研究员为动捕柔性纺织衣服研究螺旋状膨胀纱线电容传感器
苏黎世联邦理工学院
（映维网Nweon 2023年03月31日）智能服装在学术和商业领域的受欢迎程度一直在稳步上升。纤维形式的柔性可拉伸传感器有吸引力，因为它们可以直接集成为构成我们服装的一部分，并将其转化为多功能设备。
由于传感器和纺织品之间的机械属性不匹配，而两者之间的巨大差异可能会导致织造问题，并可能在制造过程中对传感器造成不可逆转的损坏。尽管现在有解决方案可以将传感器直接集成到纺织品中，但它们通常局限于单一传感机制。
柔性纤维传感器通常有压阻式、电感式和电容式三种类型。电容式感测机制具有明显的优点，因为它仅依赖于几何形状；并消除了与在压阻传感器采用的刚性电极有关的任何问题，例如信号不一致、漂移、滞后等。但与压阻传感器相比，电容式传感器的灵敏度的是一个问题。
到目前为止，提高电容式应变传感器的灵敏度十分有限，因为传感器的电响应由电容器的几何形状和构成电容器的材料的响应所决定。
在针对这个问题的研究中，苏黎世联邦理工学院的研究人员选择采用螺旋状膨胀纱线作为电容传感器，并发现了来自不同传感器配置的意外响应。在实验中，团队发现它可以达到同类型传感器中从未报道过的灵敏度，“可以非常精确地捕捉身体的运动”。
这个研发的关键是纱线的结构：内部纤维由导电的弹性橡胶制成。研究人员将一根覆盖在一层薄塑料中的刚性金属丝包裹在内部纤维周围，并形成螺旋状。这两种纤维充当电极并产生电场。它们一起形成一个电容器，可以保持电荷。
其中，研究人员通过在聚酯缠绕的弹性纤维上采用聚吡咯的气相聚合来合成弹性和高拉伸性电极，并且通过在导电弹性纤维周围用铜线螺旋缠绕来进行螺旋制造。通过改变纤维之间的直径比和螺旋缠绕纤维的节距这两个因变量，他们能够改变传感器的泊松比。
他们制作了原型，并通过实验确定膨胀特性是否与应变系数相关，并发现它不仅影响应变系数，而且影响应变时电容变化。根据初始外部螺旋元件的螺旋绕组的节距，电容变化可以是正，又可以是负。
在正常情况下，电荷波动太小，无法帮助测量身体的运动。然而，这种纱线的属性非同寻常。与大多数其他材料不同，苏黎世联邦理工学院的纱线在拉伸时变厚。因此，纱线对最小的运动都非常敏感。即使稍微拉伸一点，这都会在传感器的电荷中产生明显可测量的波动。这使得测量和分析细微变化成为可能。
在将这种纱线缝合到一条弹性跑步紧身裤时，当用户跑步时，它会以一定的节奏拉伸和松弛。其中，每次移动都会改变两根纤维之间的间隙，从而改变电场和电容器的电荷，并实现电容式的传感感应。
为了允许纺织品传感器能够无线发送电信号，研究人员为其配备了一个由导电纱线制成的环形天线。如上图所示，天线直接缝在紧身裤中。所以，传感器和天线一起形成了一个电路，完全集成到衣服中。
电信号从可拉伸传感器传输到天线，并以电子设备能够读取的特定频率传输电信号。穿着者晕动，传感器移动，并产生一个频率持续波动的信号模式，然后电子设备可以实时记录和评估。
相关论文：HACS: Helical Auxetic Yarn Capacitive Strain Sensors with Sensitivity Beyond the Theoretical Limit
在实验中，团队表示，他们的研究原型可以达到从未报道过的灵敏度，“可以非常精确地捕捉身体的运动”。将HL增加到8mm（E3W1-8）导致应变灵敏度因数增加超过理论极限，达到2的值，这与饱胀性的增加相吻合。将HL进一步增加到15 mm（E3W1-15），产生了获得的最大应变灵敏度因数，能够重复应变到10%，并且具有4的应变灵敏度因数。
同时，他们的螺旋状膨胀纱线传感器相对容易制造，包括气相电极合成的多功能性，并且由于柔性纱线结构而能够作为独立的传感器使用，以及可以相对容易地集成到纺织品之中。当然，团队坦诚他们依然需要不断优化和改善研究。
