柔性布基传感器现状和发展浅析

传感器市场上常见的柔性传感器有以下两个品类。一种是以聚酯薄膜为基底的压力薄膜传感器,采用PVDF膜或RFP膜作为敏感材料。另一种是以布料为基底的柔性压力传感器和柔性拉力传感器,以应变纤维作为敏感材料。

1 现状

        传感器市场上常见的柔性传感器有以下两个品类。一种是以聚酯薄膜为基底的压力薄膜传感器,采用PVDF膜或RFP膜作为敏感材料。另一种是以布料为基底的柔性压力传感器和柔性拉力传感器,以应变纤维作为敏感材料。

        压力薄膜传感器技术已经相当成熟,在工业、以及消费领域均已获得广泛应用。本文重点研讨的是柔性布基传感器。

 

1.1 布基压力传感器、拉力传感器已商用

        由于布基传感器基本保留了布料先天的优点,如柔软亲肤、贴合曲面等,因此布基传感器尤为适用人体相关数据的测量。

        加拿大XSENSOR公司的压力感应技术处于世界前沿,其布基阵列式压力传感器广泛应用于工业设计、健康医疗等不同行业。如下图为支持卧具R&D的人体压力分析系统。


图源XSENSOR网站

        国内的布基压力传感器近年来亦有所发展。比如,尧乐公司已经开发出大面积的布基压力传感器,主要服务于床垫、枕头产品的门店体验服务,通过后台的智能算法,为顾客量身选择卧具。

    

图源尧乐公众号

     珠海安润普科技研发有布基的拉力传感器,并且基于此开发了呼吸带产品。


图源安润普网站    

1.2 其他类型传感器尚待进化

       除了上述呼吸带、压力传感器采用的应变型纤维,科学家亦在尝试研发其他类型的智能纤维,从而获得更多类型的布基传感器。比如,通过智能纤维分析汗液的成分,从而诊断人体健康状况。

       除开人体相关数据测量,智能纤维亦能测量其他参量。如绍兴纤蓝公司研发出一种可感知脏污程度的变色纤维,随着脏污程度的加深纤维的颜色从蓝色渐变至红色。多个家纺品牌已采用该种智能纤维推出智能家纺产品。

    

水星家纺推出的智能毛巾

       总体来说,当前可产品化的智能纤维种类非常少。虽然在实验室中已经有多种类型的智能纤维面世,但距离产业化仍有较长的路程。

1.3 智能服装和智能配饰是前景

       布基传感器的天然特性,诱使人们遐想其在体域网的广阔前景。今年的Sensor Expo展会上,中科传感技术(青岛)研究院展出一款可测量心率的智能T恤。长条状超敏感震动传感器位于衣服左肩,通过感知颈动脉的搏动估计心率。数据通过柔软的导线传输至左腰处的处理器和连接器。

设想运动员在训练和比赛时身着此款智能T恤,后台即可实时接收到各个运动员的心率。配合AI算法,分析运动员的身体数据变化、总结训练规律,反向指导训练计划的制定。相比手环、呼吸带等产品,智能服装完全摆脱了佩戴的束缚感,带给穿着者更舒适的体验。


图由作者摄于Sensor Expo 2020

2 发展方向

2.1 加速研发柔性配件

       XSENSOR公司和尧乐公司的布基压力传感器的测量部分为布料成分,而其信号汇聚后传导的信号线仍为传统的金属包胶导线。在床垫、枕头等测量场合无伤大雅,但若要发展成为体域网应用产品,传统的金属导线存在僵硬、无弹性、异物感强烈等缺点。

        宁波韧和科技已经开发出长度可垃伸8倍的弹性导线,有望成为由布基传感器开发智能服饰的助攻。


图源韧和科技网站

2.2 积极拓展应用领域

       除了天然的与人体相关的测量应用,国内布基传感器厂家应积极拓展其他领域的应用。比如,国内某公司早先尝试在航天飞机的电池上布设布基传感器,以监测电池鼓包现象。也有其他公司尝试在汽车智能内饰领域应用布基传感器。

2.3 紧随相关技术领域的先进技术

       柔性布基传感器是一项综合性的技术,涉及到生物化学、材料、纺织、电子等多个领域的技术分支。如可检测汗液的智能纤维是生物化学领域取得进步后的产物。

        近年来,国内一些高校和研究所在特种纤维制备上取得了不少进步,东华大学、武汉纺织大学、香港理工大学、宁波材料研究所等。他们或在研究领域取得了显著的成果,或正在进一步尝试产业化智能纤维和柔性传感技术的科研成果。

 

3 结语


       谁也不能否认物联网的壮阔未来,而布基传感器作为物联网的前端触角,凭借其特殊的优势定能在体域网、曲面测量等场合发挥巨大作用。当前,布基传感器仍然是传感器大家族中的稚子。但假以时日,布基传感器必茁壮成长,独挡一面。


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