关键词:
人体健康监测
力学传感技术
纺织基摩擦电传感器
纺织结构设计
织物特性
摘要:
呼吸、心冲击及脉搏作为重要的生命体征信号,蕴含着丰富的与人体健康状况相关的信息,在人体生理状态评估和医学诊断中具有重要意义。为满足长期可穿戴、舒适化等需求,纺织基柔性力学传感技术在长期且连续的人体生理信号监测领域得到了广泛关注。然而,受到产生机理的影响,呼吸、心冲击及脉搏在人体机体之外表现相对微弱,同时纺织材料自身属性和结构的限制,也导致纺织基柔性力学传感器在人体微弱生理信号监测领域面临诸多挑战,如长期可穿戴性和良好传感性能难以兼顾,静压下动态响应能力差及对微弱压力的感知能力不佳等。基于摩擦起电效应的柔性力学传感器具有材料选择广泛、灵敏度高及结构设计多样等特点。因此,本文基于摩擦起电效应,分别依据呼吸、心冲击以及脉搏信号产生机理特点,以纺织材料和传感织物结构设计为出发点研究了三类针对微弱力(应变、压力)检测的纺织基柔性力学传感器,并进一步挖掘纺织基柔性力学传感器在人体健康监测领域更多的潜在应用价值。全文的研究要点如下:
(1)研究了具备宽应变响应范围的单层全织物应变传感器。该传感器采用正针针织结构,由棉/聚氨酯长丝包覆纱线和蚕丝/镀银涤纶包覆纱线交替编织而成。上述针织结构为传感器在单个拉伸-释放周期内提供了两种接触方式,有效增大了摩擦层间的接触面积。结合Popper和Kawabata针织物力学模型及Hertz接触理论,深入分析了外力作用对传感器内部纱线间接触面积及其输出性能的影响,并通过数值模拟方法对传感器结构间的力-电耦合关系进行验证。性能测试结果表明,该传感器最大应变可达133%,最大应变灵敏度为0.161 V(应变范围为40-133%),频率响应范围为0.5-2 Hz,并在10,000次的循环拉伸测试中保持稳定输出。同时保留了可水洗(>50次)和舒适性等织物特性。基于传感器良好的应变能力,构建了人体呼吸监测系统,可即时获取不同呼吸状态(快、深及浅)、体位(站、坐及卧姿)及受试人群(性别、年龄及体型)的呼吸信号。同时,依据呼吸信号形成特点,结合无缝针织技术,将传感器分布在针织衫对应的人体手臂、背部及腹部等位置,进一步构建了多通道人体呼吸监测系统,用于实现不同睡姿下人体呼吸信号的实时监测及睡姿判定。
(2)研究了具备在宽静压范围下动态响应能力的全织物压力传感器。该传感器采用平纹组织结构,由窄带状尼龙织物交替编织而成,尼龙织物表面均匀分布着由尼龙支撑结构和微刺结构组成的多级力学阵列。其中微刺结构是由球状羰基铁颗粒/聚二甲基硅氧烷在磁场作用下形成的均匀且细密的锥形弹性体,可在尼龙支撑结构的辅助下灵敏感知静压下动载荷变化。结合Hertz点接触和摩擦起电理论,深入分析了静压下动载荷对多级结构内部应力分布及其输出性能的影响,并利用数值模拟方法对传感器结构间的力-电耦合关系进行验证。性能测试结果表明,该传感器能够在相当于人体自重的静态压力下(0-7 k Pa)保持对动载荷的高度灵敏(0.533 V/k Pa),最小动态压力检测极限为50 Pa,频率响应范围可达10 Hz,并在30,000次的循环按压测试中保持稳定输出。基于传感器良好的传感性能,将其以灵活的点阵形式分布缝合至坐垫和床单中,构建了无约束式人体心冲击图(Ballistocardiogram,BCG)监测系统。该系统可以准确获取人体在坐姿和卧姿状态下的BCG信号,所采集BCG波形与高精度激光测振仪(位移精度为0.5 pm)测量结果保持良好的一致性,并与标准心电图信号保持极佳的同步性。在此基础上,依据BCG信号与人体主动脉脉压的相关性,建立BCG特征参量与血压值间的拟合关系,并通过300组实测样本量验证了其可靠性和准确性。
(3)研究了具备微弱压力感知能力的两栖全织物压力传感器。该传感器采用3D互锁结构,由特制的摩擦电两栖导电纱线和聚四氟乙烯(Polytrafluoroethylene,PTFE)在尼龙网纱表面编织而成。通过一体成型工艺,可在两栖导电纱线内部制备均匀且细密的气孔结构,以达到增大摩擦层间接触面积和增强微弱压力感知能力的目的。结合Hertz接触和摩擦起电理论,深入分析了不同压力下3D互锁结构内部的力学传递过程、应力分布以及气孔结构对输出性能的影响,并利用数值模拟方法对传感器结构间的力-电耦合关系进行验证。性能测试结果表明,当动态压强<0.25 k Pa时,该传感器的灵敏度高达0.499 V/k Pa,最小压力检测极限为25 Pa,频率响应范围可达10 Hz,同时具备良好的机械稳定性(循环按压次数>30,000次),并在连续浸泡20 h后依然保持稳定输出。基于传感器良好的传感性能和防水特性,构建了适用于两栖环境下的人体表皮脉搏监测系统,该系统可准确获取人体多种复杂表面脉搏信号,所采集脉搏波形与高精度激光测振仪测量结果的一致性高达98.83%,并在动态人体腕部脉搏的实时获