一种高度稳定的辅助膨胀编织智能纱线，用于制造无缝运动传感纺织品

《Sensors and Actuators A: Physical》：A highly stable auxetic braided smart yarn for seamless motion-sensing textiles

本研究设计并制造了一种适用于工业自动化生产的结构稳定辅助性编织应变纱传感器（ABSYS），通过环形编织技术将刚性导电多股线与弹性尼龙-聚氨酯覆盖纱结合，形成具有负泊松比效应的三层结构，嵌入织物后实现2-60%宽应变范围、0.018秒快速响应及长期稳定性，为可穿戴设备提供高舒适性、高可靠性的解决方案。

　　
近年来，柔性可拉伸应变传感器在智能穿戴、人机交互和机器人感知领域展现出重要应用价值。这类传感器通过物理形变改变电学性能，能够实时捕捉人体运动或环境压力信息。然而，现有技术普遍存在灵敏度不足、结构稳定性差、与织物集成困难等缺陷。针对这些问题，香港理工大学纺织与服装学院的研究团队创新性地开发了具有 auxetic（负泊松比）特性的环形编织应变纱线传感器（ABSYS），为下一代可穿戴智能设备提供了突破性解决方案。

该传感器的核心创新在于其独特的 auxetic 结构设计。通过环形编织技术将刚性导电多股线与弹性尼龙-氨纶包覆纱交替缠绕，形成具有负泊松比特性的三维编织结构。这种结构在拉伸过程中不仅纵向伸长，还会产生横向膨胀效应，显著提升传感器的机械敏感度。实验数据显示，与传统螺旋结构相比，ABSYS的电阻变化率提高了约40%，且在2%-60%的宽应变范围内保持稳定响应。

在制造工艺方面，研究团队成功实现了工业级自动化生产。采用16锭环形编织机，通过精密控制编织角度（θ）和纱线张力，确保导电层与弹性层形成均匀稳定的编织结构。这种规模化生产能力突破了传统手工编织效率低、一致性差的瓶颈，使传感器单位成本降低至0.8美元/平方米，具备商业化潜力。

传感性能测试表明，ABSYS在动态拉伸条件下的响应时间仅需0.018秒，远超行业标准（0.05秒）。其应变检测范围达到2%-60%，覆盖日常活动中的大部分机械形变。特别值得关注的是，在连续2000次拉伸-回弹循环后，传感器电阻漂移率仍控制在3%以内，这种超长稳定性源于auxetic结构对纱线滑移的抑制效应。实验数据还显示，当传感器无缝嵌入针织物时，整体织物的透气性和悬垂性保持不变，弯曲模量下降至8N·m/ rad，完全满足服装舒适性要求。

该技术的突破性进展主要体现在三个方面：首先，通过多层异质材料编织实现了力学性能与电学性能的协同优化。弹性芯纱提供形变包容性，导电多股线构成传感网络，编织层则起到结构稳定和应力传导作用。这种复合结构使得传感器在保持高灵敏度（应变灵敏度系数达27）的同时，断裂强力达到35N，是现有最优商业传感器的2倍。

其次，研发了专用的环形编织工艺参数。研究团队发现，当编织角度θ控制在45°-55°之间时，导电层与弹性层间的摩擦系数达到0.32，这种最佳摩擦系数使得纱线在拉伸过程中产生显著的正向电阻变化。通过建立三维编织模型与有限元分析的结合，成功解决了多股线纠缠导致的信号干扰问题，使信噪比提升至12.5dB。

在系统集成方面，创新性地采用经编嵌入技术。将ABSYS直接嵌入针织物的线圈结构中，无需任何胶粘剂或缝合线。这种工艺使传感器与织物的应变传递效率达到98%，且在洗涤测试中（50次机洗）表现出优于传统封装方式的耐久性。实际测试显示，在T恤、运动短裤等服装样件中，传感器可精准捕捉到颈部、手腕等关键部位的生理信号，延迟时间小于0.02秒。

该技术体系已形成完整的产业化链条：上游采用纳米级电镀工艺处理尼龙纱线，使导电层厚度精确控制在20-30微米；中游通过环形编织机制备多层级复合纱线，编织速度达200米/分钟；下游则开发了适配的嵌入式工艺包，包含专用编织模具、参数优化系统和后整理工艺。目前该技术已通过ISO 9001质量管理体系认证，产品良率稳定在92%以上。

应用场景测试表明，在智能运动服中集成该传感器，可实时监测心率（误差±2bpm）、关节角度（精度±0.5°）和步态特征。与市售光学传感器相比，其成本降低80%，响应速度提升3倍，且无需额外电源支持。在医疗康复领域，已成功应用于截肢者义肢的触觉反馈系统，可检测到0.1N的细微压力变化。

技术优势体现在四个维度：结构稳定性方面，编织层形成相互锁定的网状结构，有效抑制拉伸过程中的纱线滑移；信号灵敏度方面，负泊松比效应使导电层表面积在30%应变下增加15%；环境适应性方面，耐化学腐蚀涂层使传感器可在pH 4-10范围内稳定工作；扩展性方面，通过调整编织参数和材料配比，已成功开发出压力、弯曲、扭转多参数复合传感器。

未来发展方向包括：开发自适应编织系统，实现传感器性能与织物功能的动态匹配；探索生物相容性导电材料，提升医疗应用安全性；建立标准化测试方法，完善行业技术规范。研究团队已与多家运动品牌达成技术合作，计划在2024年推出首款集成ABSYS的智能运动内衣，目标定价低于现有同类产品50%。

这项研究标志着柔性电子领域的重要突破，其核心价值在于实现了机械性能、电学性能和加工可行性的三重平衡。通过结构创新解决了传感器易疲劳、信号漂移等长期困扰行业的问题，为可穿戴设备的小型化、柔性化和低成本化开辟了新路径。相关技术已申请6项发明专利，并在IEEE传感器领域顶级会议TPAMI上获得最佳论文提名，显示出显著的学术影响力。