伦敦帝国理工学院新研究：可穿戴传感器设计成 T 恤和口罩！

一、导读

柔性传感器出色的产品特性引起了科学界和工业界的广泛关注，并且也已应用于众多应用领域。可穿戴传感器的使用可以让设备非侵入性地附着在身体上，从而长期监测与健康有关的生物物理和(生物)化学信号。然而，新兴的可穿戴传感器通常要求用户额外佩戴和携带测量所需的硬件，但一个人每天能携带的测量仪器是有限的，这一限制减缓了许多可穿戴设备的发展。

衣服经常与身体接触，但在实际应用中，传感器很少被集成到衣服中。由于坚固的有机纤维、纱线和线，如棉花、聚酯和尼龙，是纺织工业的标准材料，之前的报道应用有机和金属涂层来生产导体或半导体的材料，但由涂料生产的纱线需要复杂的合成，并可能使用有毒化合物。最重要的是，表面涂层通常不能承受纺织品制造中使用器械的研磨工艺。因此，迄今为止报道的导电有机纱线要么完全利用手工刺绣将传感器嵌入织物中，要么需要高度专业化且昂贵的仪器。

计算机刺绣可以在计算机上高效设计高空间清晰度的传感结构，但在织物上集成传感器的一个大问题是缺乏与计算机刺绣兼容的导体和半导体纱线。在所有导电聚合物中，聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚苯乙烯磺酸盐（PEDOT:PSS）的水悬浮液因其可加工性和生物相容性，已被用于纺织涂层应用和棉基基材上传感器的构建，但通过计算机刺绣制造传感器的机械坚固性和高成本仍然是尚未解决的问题。

二、成果掠影

伦敦帝国理工学院Firat Güder，Fahad Alshabouna团队利用二乙烯基砜(DVS)作为交联剂，在涉及 PEDOT:PSS、乙二醇(EG)和纤维素基底的卷对卷反应中进行交联反应，制备成一种低成本的 (PEDOT:PSS)改性棉线(PECOTEX)，它完全兼容家用和工业电脑刺绣机，同时解决了刺绣过程中导电线的机械鲁棒性问题。PEDOT: PSS生产的改性导电棉线具有结构、机械、电气/电化学特征，可以将可穿戴电子传感器无缝集成到服装中。

相关研究工作以“PEDOT:PSS-modified cotton conductive thread for mass manufacturing of textilebased electrical wearable sensors by computerized embroidery”为题发表在国际顶级期刊Materials Today上。

三、核心创新点

1.这项工作通过用PEDOT:PSS改性棉线，使用DVS生产机械耐用和机器刺绣的低成本导电线，可用于使用计算机刺绣的可穿戴传感器的大批量生产。

2.研究者生产了用于监测呼吸的口罩，用于监测心脏活动的T恤，以及用于监测氨的纺织气体传感器，作为技术演示。PECOTEX有潜力大规模生产新型低成本可穿戴传感器，集成到日常服装中。

四、数据概览

图1 (a) PEDOT: PSS改性棉线(PECOTEX)的合成示意图和生产出来的线的照片。(b)在棉织物(状交叉电极)和1毫米厚硅胶(蛇形结构)衬底上使用PECOTEX进行计算机图案刺绣的工艺流程。© 2022 Elsevier B.V.

图2 (a)不同方案的导电线在刺绣前后的电阻。(b)两种导电性能最好的方案(E5D3, 3D5)刺绣前后薄膜的拉曼光谱。(c)预处理前后E3D5的归一化拉曼光谱。预处理增加了纤维素表面的-OH反应位点，提高了涂层的坚固性。© 2022 Elsevier B.V.

图3 (a)螺纹的力-位移特性。前处理削弱了螺纹，降低了其断裂强度。(b) PECOTEX在高达10%的循环应变下的电阻变化。(c)刺绣后棉线、PECOTEX和PECOTEX的扫描电子显微镜和光学显微镜照片。(d)刺绣PECOTEX图案的机洗试验，可达15次。在整个实验过程中，电阻基本保持不变。(e)PECOTEX的循环伏安曲线随着扫描速率和扫描循环次数的增加产生的变化。PECOTEX性能足够稳定，适用于大多数电化学传感应用。© 2022 Elsevier B.V.

图4 (a)带绣花EGC电极的T恤。(b) 带有刺绣电极的呼吸传感器。(c)刺绣传感器的NH₃浓度响应。© 2022 Elsevier B.V.

五、成果启示

作者已经生产出一种全有机棉质导电线(PECOTEX)，可以与家用和工业电脑刺绣机兼容。在这项工作中报道的PECOTEX使用卷对卷加工降低了成本生产。实验室生产少量导电线，材料成本为0.15 USD m^-1。当工业生产规模扩大时，这一数字将大幅下降。与市售Ag基导电螺纹相比，PECOTEX表现出刺绣后的平均阻力，刺绣时的断口数，绣层数等优越的特性。此外，PECOTEX可以承受刺绣过程中所经历的恶劣机械条件,因此与计算机刺绣完美兼容。PECOTEX 也有一定的缺点：PECOTEX的电阻在刺绣后增加；随着时间的推移，刺绣图案的导电性下降。

虽然在这项工作中，作者只展示了PECOTEX应用于心脏、呼吸活动和气体传感的可穿戴监测，但该材料适用于广泛的其他应用，这些包括但不限于可穿戴电化学传感器，电池，加热器，可穿戴电路互连和防静电(ESD)服装导体，所有这些都可以通过计算机刺绣大批量生产，成本效益高。

原文详情：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369702122002085

本文由张熙熙供稿。