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Subjects:
Materials Science, Textiles
纤维材料应用历史悠久;它们的功能已经从满足基本的生存需求发展到满足现代社会对更高质量生活的需求。生物物理信号在个人数字健康体系建设中具有重要意义。例如，监测呼吸的稳定性可以预防呼吸系统疾病;监测足部压力可实现步态矫正;监测脉搏可以帮助诊断慢性心血管疾病;监测体温可以远程提醒感冒或发烧等危险情况。基于光纤的生物物理传感器能够检测个人数字健康中的各种物理量，包括人体运动产生的生物力学信号和人体温度信号。同时，基于光纤的传感器可以与日常服装巧妙地融合，以适应各种运动，并实现长期不显眼的信号监测。这些由基于光纤的生物物理传感器捕获的及时信号将用于构建个人物理数字健康系统，将人们从繁琐的传统监测中解放出来。
- wearable sensors
- fiber-based sensor
- personal digital health
1. 基于光纤的生物力学信号传感器
基于光纤的生物力学信号传感器在个人数字健康方面取得了许多引人注目的突破，包括电阻式传感器、电容式传感器、压电式传感器、摩擦式传感器和磁弹性传感器。光纤电阻式传感器因其制造工艺方便、结构简单、灵敏度高等优点而受到广泛关注。光纤电阻传感器的机理是指施加在人体皮肤上的机械信号与电阻变化的转换，可分为电阻应变传感器[41,42]和电阻压力传感器[19,20]。目前，基于光纤的电阻应变传感器已被深入研究[25,43,44]。例如，通过垫染法将氧化石墨烯（GO）涂覆在calotropis gigantea纱线上，然后通过织造工艺将其与聚氨酯纱线交织，制备了一种高度透气和灵敏度可调的石墨烯改性织物（GMF）应变传感器[45]。GMF应变传感器在不同的温度和湿度环境下都表现出稳定的检测性能。这对于基于光纤的传感器在复杂的人体运动和动态变化的小气候系统中监测个人数字健康数据是必不可少的。对于应变传感器，GF是指电阻变化率与应变之间的比率。它们具有广泛的应变监测范围（高达 300% 的应变）。此外，作者将其与卷积神经网络模型相结合，开发了一种用于个人呼吸监测的医疗保健系统，旨在准确检测和区分各种呼吸模式。经过训练，系统对正常呼吸、快速呼吸和咳嗽三个监测目标的平均分类准确率达到93.3%。这对于患者呼吸模式的实时监测和智能预警具有重要意义，有助于构建个人数字健康监测网络。
除了正电阻效应外，基于负阻光纤的传感器也得到了深入研究。采用原子层沉积（ALD）技术制备了一种基于编织结构的负电阻导电聚酯织物（CPF）应变传感器[47]。出色的抗干扰性能对于使用基于光纤的传感器进行长期数字健康监测时保持数据一致性至关重要。Liu等人使用3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷辅助石墨烯对丝/聚氨酯复合纱线进行改性，从而制备了可穿戴应变传感器[48]。该传感器具有高度线性的负电阻效应（R2= 99.8）。
开发基于电阻机制的压力传感器是最流行的方法之一。电阻式压力传感器可以将外部压力信号引起的几何变化转换为电阻变化[50]。在一项研究中，使用碳化方法制备了一种基于再生纤维织物的压力传感器（检测下限为1 Pa，检测范围宽为0–470 kPa），证明了其在下一代可穿戴电子设备中的应用潜力[51]。事实证明，该传感器可有效检测微弱气流、手腕脉冲和声音信号。Liu等人开发了一种柔性压力传感器，该传感器使用两层复合织物，结合了高弹性威尼斯织物和非弹性聚酯[13]。碳纳米管（CNTs）采用静电逐层组装技术嵌入威尼斯织物的上层，并用作传感层。随后，采用丝网印刷技术将柔性互连电极印刷在下层聚酯织物上，并将上下层方便地缝合在一起，制备出全织物压力传感器。凭借纺织品出色的耐磨性和柔韧性，基于纤维的传感器可以方便地集成到静脉功能不全患者使用的弹性袜子中，以监测施加的压力。
电容式光纤传感器是制造压力传感器的另一种常用方法。它主要由顶部电极、底部电极、绝缘体和基板组成。基于光纤的电容式传感器可以通过电容的变化对施加在人体上的机械力做出反应，电容是由板间隙或正面区域的变化引起的。基于光纤的电容式压力传感器以其柔韧性、舒适性、透气性和耐用性而闻名，使其成为个人数字健康监测的优秀传感器类型[53]。然而，在环境变化的影响下，它仍然面临着保持稳定的两难境地。Wang等人提出了一种基于疏水性聚离子液体纳米纤维膜（PILNM）的可水洗电容式压力传感器[54]。在静电纺丝溶液中加入聚（1-丁基-3-乙烯基咪唑双（三氟甲烷磺酰）亚胺）（[PBVIm] [TFSI]）作为主要离子导电组分。该元件含有大量的可极化离子，可以形成具有高电容和高灵敏度的压力传感器。此外，由于[PBVIm][TFSI]在水中的不溶性，所制备的传感器在高湿度条件（70%相对湿度）和反复洗涤（10次以上机洗循环）下表现出较高的稳定性。
基于光纤的电容式传感器的线性度、灵敏度和响应时间是基本性能指标之一。提出了一种利用杂化离子纳米纤维膜来提高电容式压力传感器灵敏度和线性范围的方法[55]。该膜由MXene（一种磺酰胺锂的离子盐）和聚（乙烯醇）弹性体基质组成。在没有压力的情况下，功能层上的MXene表面与离子形成氢键对，这些离子仍然局限于MXene表面，从而抑制了电容层的形成。当施加外部压力时，这些离子对会从MXene表面解离，并通过离子泵送过程在接触界面处形成厚电容层，从而导致电容发生显着变化，并实现高灵敏度的压力传感。该传感器具有高灵敏度 （5.5 kPa−1和 1.5 kPa−1在 0–30 kPa 和 30–250 kPa 的线性范围内）和快速响应时间 （70.4 ms）。这些出色的性能使其有可能成为构建个人数字健康网络的新电子皮肤。
基于光纤的电阻式和电容式传感器依靠外部电源运行，限制了它们在实际个人数字健康监测应用中的便携性。另一方面，压电传感器是自供电传感器，无需额外的电源即可主动将机械压力转换为电压/电流信号，在人体健康监测方面显示出巨大的潜力[57\u201258]。基于压电光纤的传感器的传感机理涉及传感器由于外部压力而压缩和变形，导致材料内部极化，从而通过外部负载在两个电极之间产生正电流。当外部压力被移除时，系统由于其初始形状的弹性而恢复，产生交变短路电流[59]。
聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物因其优异的压电性能和优异的化学、机械和热性能而被广泛使用[62]。Li等通过静电纺丝制备了基于PVDF的纳米纤维膜。他们研究了多壁碳纳米管和BaTiO的影响3作为纺丝溶液中传感器性能的添加剂[63]。碳纳米管和BaTiO3作为成核剂，可促进PVDF中更多β相的形成，从而增加介电常数。所制备的压电传感器具有优异的灵敏度（高达116 mV·kPa−1在 0–10 N 的范围内）和耐用性（超过 12,000 次循环）。由于接触面积和重量不同，应用于压电传感器的常用实验室工具可以清晰地显示不同的电压输出信号，这说明了它们在电子皮肤上的潜在应用前景。将压电陶瓷和压电聚合物结合形成压电复合材料可以增强压电传感器的性能。基于此，将聚多巴胺（PDA）颗粒分散到BaTiO中3/PVDF纳米纤维[60]，有效促进复合纤维中无机填料与有机基体之间的物理接触和应力传递能力。结果，压电复合纤维的机械强度和机电耦合效率得到显著提高（引入3.02 wt% PDA掺杂使压电性能提高了47%）。所制备的高性能压电纳米纤维传感器证明了其在个人数字健康系统中的巨大潜力，包括主动人体运动监测和脉搏识别。
摩擦纳米发电机（TENG）是另一种类型的自供电传感器。其工作方式大致可分为四种类型：垂直接触分离模式、横向滑动模式、单电极模式和独立摩擦模式。以接触分离模式下的TENG为例，当两种不同的材料接触时，它会在表面产生摩擦电荷，并在分离时产生电位差。这导致瞬态电流的产生，并最终在表面完全分离时达到平衡[64]。TENG具有结构简单、能量转换效率高、输出电压高等优点。它为可穿戴健康设备提供了一种新的能量收集和监测方法[65,66,67]。
通过纺织技术制备的纤维基TENGs可以方便地应用于日常服装。结果表明，由于纱线之间的接触面积较大，缝制的TENG具有较高的灵敏度，初始灵敏度为0.311 V/kPa。机织结构的TENG在洗涤20次后具有最佳的耐洗性，这得益于纱线的紧密交织。TENG的编织结构似乎是用作可水洗纺织品压力传感器的最佳候选者。这些不同纺织品结构带来的性能差异对于研究人员选择合适的纺织品结构来设计新一代个人数字健康监测网络至关重要。夜间监测个人数字健康信号也至关重要。Zhou等人设计的智能床单可以有效监测夜间的睡眠姿势、转数和呼吸频率[17]。床单中的可水洗智能光纤传感器是通过用超薄硅纤维包裹导电纱芯制成的。通过摩擦充电和静电感应的共同作用，主动将压力变化转换为电信号。传感器的表面能梯度和毛细管效应能够自动吸收和转移皮肤的汗液。具体而言，该传感器由CNT改性PVDF纳米纤维形成的疏水层和聚丙烯腈（PAN）纳米纤维构成的亲水层组成。
具有3D结构的TENG在使用过程中具有更大的接触分离力，从而增强了其输出能力。例如，使用双针床针织机的3D针织织物被设计为自供电弯曲/压力传感器[70]。与机织面料相比，具有平纬和经纱结构的针织面料表现出更好的柔韧性和透气性，同时毫不费力地从人体运动中收集能量。同样，展示了使用自制的3D织机和四步编织技术的3D编织TENG[37]。创建了一个无线智能鞋垫系统，用于监测人体运动并记录电子数字健康信号。基于LabVIEW自主开发的数据处理程序可以实时计算和显示步数、平均速度和运动强度等信号。此外，运动过程中产生的电能可以照亮发光二极管 （LED） 安全指示灯，并在潜在危险情况下远程发送求救信号。
压电和摩擦电效应可以将来自身体的机械能转化为电能，用于人体数字健康监测。然而，产生的电流依赖于电偶极子在材料界面处的传递，容易受到汗液和环境湿度的影响。一种简单而有效的方法是使用弹性体封装基于纤维的传感器，但它会导致纺织品的舒适性和透气性降低。因此，追求基于防潮纤维的传感器势在必行。最近，提出了一种完全不受水分影响的光纤传感器的设计方法[69]。这种方法主要基于软材料中的巨大磁弹性效应，为进一步设计用于生物力学能转换的纤维基磁弹性发生器（MEG）铺平了道路。
2. 生物温度传感器
人体温度是一个动态过程，体温的变化可以反映出一系列的生理状况，如发烧、感冒、血流速度、肌肉疲劳等。基于光纤的可穿戴温度传感器灵敏度高、精度高、响应速度快，可有效防范身体异常，使人远离体温变化带来的不适。同时，由于出色的舒适性和透气性，它们可以满足佩戴要求。因此，开发基于光纤的可穿戴体温传感器监测体温，建立构建个人数字健康系统的分析体系具有重要意义[71,72,73,74]。
光纤传感器在生物温度监测中的应用主要集中在两个方面：电阻传感和热电传感。热阻效应是指电阻随温度的变化。Chen等. 基于离子液体（[EMIm][NTf]）制备了纳米纤维膜2]）和采用静电纺丝技术的热塑性聚氨酯。这些纳米纤维膜对应变（GF ≈ 1在0-10%应变范围内）和温度（在30-40°C温度范围内为2.75%/°C）都表现出高灵敏度，并且具有很高的线性度（在人体温度范围内为0.998），使其适用于双模态传感[75]。然而，传感器的多功能检测性能可能会因混合刺激而失真，从而导致检测结果失真。
热电传感器根据温度变化产生电流或电压。这种现象可用于制造发电机，利用人体热量的变化来发电，并根据电流或电压的变化传输温度信号的变化[76\u201277]。例如，基于Bi的多功能可拉伸织物传感器2TE3使用简单的化学还原方法制造，该方法可以响应温度变化而产生电流。此外，他们还设计了一个能够同时检测压力和温度变化的 3 × 3 传感器阵列系统 [78]。Li等以三维间隔织物为基材，再用聚（3,4-乙烯二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸酯）聚合物改性，制备了大面积可穿戴自供电压力-温度传感器（PPSF）。
综上所述，基于纤维的生物力学传感器在监测人体实时运动状态和温度方面的应用取得了长足的进步。具有各种监测原理的传感器可以对个体的数字健康信号进行准确、灵敏和长期的监测。此外，他们还通过各种方法验证了基于光纤的传感器与数字技术相结合的有效性。然而，随着个人数字健康对机械信号监测功能要求的提高，仅实现单模态（单体应变、弯曲、压缩、摩擦等）监测是不够的，因此需要对全身区域进行大面积多模态监测。此外，将传感器系统与真正的服装集成可能很困难。通常，基于光纤的传感器重量轻且灵活，但连接到它们的电线和信号处理设备难以集成到服装中，因此需要更多的努力来开发柔性电路技术。
This entry is adapted from the peer-reviewed paper 10.3390/ma16237428
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