《Advanced Fiber Materials》：Passive Chips-in-Yarn Integration for On-Fabric Batteryless Identification and Sensing
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智能服装具有连续监测人体的潜力，但当前大多数系统仍依赖刚性电子模块、电池和有线连接。这些组件降低了灵活性、舒适性、可洗性和长期可用性。本文报道了一种无源纱内芯片（chips-in-yarn）策略，用于制造可直接集成到织物中的无电池电子纱线。在该方法中，射频识别
智能服装具有连续监测人体的潜力，但当前大多数系统仍依赖刚性电子模块、电池和有线连接。这些组件降低了灵活性、舒适性、可洗性和长期可用性。本文报道了一种无源纱内芯片（chips-in-yarn）策略，用于制造可直接集成到织物中的无电池电子纱线。在该方法中，射频识别（RFID）芯片被嵌入纱线结构内部，使纱线能够被外部RFID读写器无线供电和读取，无需机载电池。RFID芯片连接到充当纱线形状天线的导电细丝，而局部封装和编织护套在纺织制造和使用过程中保护芯片-细丝连接处。通过设计不同的天线几何结构，RFID纱线实现了多种功能：仅用于衣物生命周期识别的纯ID纱线、通过无线信号变化实现无源运动监测的变形敏感纱线，以及用于分布式体表热力图绘制的温度传感纱线。所制备的RFID纱线表现出机械鲁棒性、耐洗涤性以及与纺织机织集成的兼容性。通过将多个芯片功能纱线嵌入服装中，本研究展示了一种轻量化、无电池且免维护的织物尺度传感网络。这项工作将智能纺织品从模块附着式可穿戴设备推向纺织品原生传感系统，其中无源电子功能直接嵌入纱线结构内部。
研究背景、存在问题及研究意义：可穿戴传感技术正从分立式、可拆卸模块向分布式、无感化并无缝嵌入日常服装的系统演进。然而，大多数"智能服装"系统仍依赖刚性电子模块，其供电、计算和通信功能被封装为必须物理附着于纺织品的独立组件，导致功能性与柔性之间难以调和的矛盾。尽管柔性材料和可变形纺织结构在柔性传感器领域取得了显著进展，但数据处理和无线通信仍依赖固态电路，使得当前智能纺织品难以同时实现高电子性能和真正的纺织品级集成。现有器件-纤维集成研究虽已发展出多材料热拉伸、自组装、纤维轴向一维电路集成以及嵌入可寻址数字传感器、存储甚至边缘计算能力的功能纤维，但仍存在若干关键空白：其一，多数系统依赖刚性模块、电池、有线互连或可拆卸标签，损害了柔性、舒适性、可洗性和免维护性；其二，将半导体芯片嵌入纱线面临芯片-纤维刚性/柔性界面的机械可靠性挑战；其三，无源RFID纱线系统需要在纱线直径、柔性和纺织兼容性强约束下实现芯片与纱线天线间的精密阻抗匹配；其四，先前的RFID纱线研究多集中于单一功能验证，尚未建立面向无电池识别、变形传感和分布式温度测绘的通用无源纱内芯片平台。此外，面向大规模服装生产与废弃处理，可拆卸或短寿命RFID标签会增加材料复杂度，加剧报废分拣、回收和电子废物管理的困难。超高频（UHF）无源RFID技术提供了无需机载电池的无线供能、唯一数字身份和后向散射通信能力，其核心挑战在于如何将RFID标签形态因子化为纱线结构，特别是实现可靠的芯片-天线界面和阻抗匹配辐射单元。针对上述问题，研究人员以RFID应答器芯片为例，提出了一种同轴芯-鞘结构的无源纱内芯片集成策略，旨在实现纺织品原生的无电池分布式传感网络。
研究内容与结论：研究人员将微型RFID芯片直接与导电细丝芯连接，并通过局部封装和编织聚合物护套提供机械保护，构建了同轴芯-鞘纱线架构。基于芯片-天线等效电路建模，通过纱线拓扑塑形（包括直线偶极子、弯折线和电感耦合环设计）实现阻抗匹配，并评估了效率-带宽权衡。研究结果表明，电感环拓扑在915 MHz附近实现了接近完美的共轭匹配（功率传输效率约100%），实测读取距离超过10 m，显著优于直线偶极子（约35%匹配效率）和弯折线设计（约50%匹配效率但带宽极窄）。机械和环境可靠性测试显示，纱线在20次机洗、9000次拉伸和9000次扭转循环后谐振频率漂移极小；芯-鞘架构使最大拉伸应变超过60%，环氧封装使芯片-细丝界面最大von Mises应力降低约39%。基于不同功能芯片，研究人员验证了三种应用：ID-only纱线用于服装生命周期识别；弯折线高Q值天线结合Monza系列芯片用于被动运动监测和呼吸传感；EM4325温度传感芯片结合直线偶极子用于3×3分布式体表温度测绘。将九个EM4325纱线嵌入棉质T恤背部构建分布式温度矩阵，成功区分环境温度（约16–17 °C）与体表温度（约18–22 °C）。该集成于服装中的多芯片纱线系统展示了轻量化、无电池、免维护的织物尺度传感网络，将智能纺织品从模块附着式可穿戴设备推向纺织品原生传感系统。论文发表在《Advanced Fiber Materials》。
主要关键技术方法：研究人员采用以下核心技术方法：（1）微焊接工艺实现芯片-细丝电气互连，包括导电细丝剥皮镀锡、与芯片焊盘对准、低温柔性焊膏沉积和局部热回流焊接；（2）旋转封装工艺在芯片-焊接点周围形成椭球状环氧保护珠；（3）12股尼龙线编织护套形成同轴芯-鞘连续纱线结构；（4）基于Ansys HFSS的全波电磁仿真和等效电路建模进行天线拓扑设计与阻抗匹配优化；（5）Voyantic Tagformance系统在消声室中进行无线性能表征；（6）Abaqus三维有限元分析（FEA）评估封装应力释放效果；（7）标准洗衣机洗涤协议进行耐久性测试；（8）使用手动织机进行概念验证织造实验；（9）可编程运动机器人和Imp inj Speedway R420读写器用于动态传感表征。样本队列来源包括：银镀铜芯纤维（直径80 μm）和聚酰亚胺（PI）绝缘铜芯纤维（直径50 μm）两种导电细丝；Monza系列和EM4325两种UHF RFID芯片家族；12股疏水性尼龙纤维作为编织护套材料；棉质T恤作为织物集成基底。
研究结果分述：
2.1 纤维原生RFID纱线架构：研究人员提出了同轴芯-鞘纤维结构，导电纤维芯保证辐射和功率传输的电连续性，纺织护套提供机械保护和绝缘，局部封装形成紧凑的"芯片凸点"区域（约0.6 mm）以保护互连并平滑应力集中。制造的纱线直径约0.5 mm，保持了纱线状处理特性，可无缝集成于服装中并通过RFID读写器无线寻址。
2.2 芯片-天线阻抗模型：通过等效电路模型和全波仿真比较了三种纱线兼容天线拓扑。直线偶极子因缺乏独立电抗控制，最大功率传输效率（PTE）仅约35%；弯折线偶极子通过增加电抗存储将匹配效率提升至约50%；电感环拓扑利用变压器式耦合实现近完美共轭匹配（PTE约100%）。参数扫描显示直线偶极子带宽宽但效率低，弯折线谐振尖锐且对几何参数极其敏感，电感环则表现出稳健的高效可调谐性，可通过增大环尺寸平滑降低谐振频率。
2.3 无线性能与基准比较：二维效率热图显示电感环拓扑在参数空间中呈现连续的高效调谐走廊，对纱线形变固有的几何变异性具有优越容忍度。实测读取距离谱证实电感环设计在915 MHz附近超过10 m。材料基准测试表明导体电导率是纱线尺度天线的一阶约束，高电导率和更大直径的细丝持续延长读取距离。人体水模加载导致各拓扑读取距离可预测地下降（直线偶极子从16.2 m降至14.1 m，弯折线从6.7 m降至4.8 m，电感环从10.9 m降至9.0 m），但通信距离仍满足典型可穿戴监测场景。
2.4 机械鲁棒性与环境可靠性：重复洗涤（20次）、拉伸（9000次）和扭转（9000次）循环后谐振频率无明显漂移。有限元分析（FEA）证实环氧封装使临界互连区域的最大von Mises应力从155.5 MPa降至95.03 MPa（约39%降低），有效分散刚性-柔性界面局部应力。纱线可打结后解开而无明显永久变形，可承受550 g悬挂重物的拉伸载荷并保持RFID读取功能。概念验证织造实验中，RFID纱线作为纬纱织入棉纱织物补丁后保持结构完整性和无线通信功能。3×3传感矩阵表征显示相邻节点间的互感耦合导致各位置理论读取范围存在差异（约30.26–58.67 m），但最差情况仍远超可穿戴传感所需读写距离。
2.5 服装分布式温度测绘：基于阵列级表征结果，研究人员选择宽带直线偶极子拓扑构建3×3分布式热映射矩阵（九个EM4325纱线嵌入棉T恤背部，面积64 cm×50 cm）。定制移动界面重构空间热力图，清晰区分环境条件（约16–17 °C）与体表热分布（约18–22 °C）。温度传感纱线在60 °C/?18 °C交替热循环和生理盐水浸泡干燥循环后温度读数保持稳定（约36.1–37.0 °C），证实了封装RFID传感纱线的环境鲁棒性。
2.6 无源活动与生理传感：采用弯折线拓扑与Monza系列芯片组合实现机械变形传感，利用其高Q值窄带谐振对几何扰动的敏感性。周期性腿部摆动产生清晰的周期性接收信号强度指示（RSSI）波动，调制周期跟随摆动频率。机器人膝关节弯曲实验显示，弯曲角从0°逐步增至90°时RSSI递减。该变形-后向散射转换机制还能解析低频呼吸诱导调制，表明可同时监测活动相关和生命体征相关的身体动力学。
2.7 讨论：该平台融合应力分散芯-鞘架构与几何驱动阻抗工程，解决了纺织RFID的两大瓶颈：芯片-细丝界面的机械可靠性和形变下的频谱稳定性。与先前工作相比，本研究的RFID纱线提供更完整的平台，结合了无源无线操作、高机械拉伸性（>60%伸长率）、纺织可加工性、耐洗涤性（20次循环）和分布式多节点传感能力。可扩展性方面，连续纱线长度达5 m并成功绕线，12股编织构型在保护性与柔韧性间取得平衡。穿戴性评估显示RFID纱线在约30%应变内拉伸行为与对照尼龙纱线相当，24小时连续穿戴试验未观察到明显皮肤刺激。未来高密度阵列需发展位置感知的阻抗匹配和自适应读写器协议以补偿局部失谐。讨论部分指出，高密度传感阵列中电磁互感耦合和非预期体表失谐（由汗液和组织接近度变化引起）可能制约物理链路预算，动态身体运动引入方向依赖性信号衰减。未来工作应通过位置感知匹配和读写器协议解决强互感耦合下的高密度阵列问题，利用圆极化或多静态询问提高方向鲁棒性，并将平台扩展到额外传感模式和可扩展制造。
研究结论：总之，研究人员展示了一种纤维原生、无电池的RFID纱线平台，能够在无需刚性模块或系留电源的情况下实现服装尺度分布式可穿戴传感。该系统的鲁棒性和多功能性体现在几个主要发现中：实现了同轴芯-鞘架构以及在芯片-纤维交界处局部化、应力分散的封装，这一特定设计确保了卓越的机械可靠性，实现了超过60%的最大拉伸应变以及与常规纺织机织的无缝兼容性；结合纱线兼容天线的几何驱动阻抗工程（包括直线、弯折线和电感匹配环设计），系统性地解决了细长结构中的效率-带宽权衡问题。这些创新共同使RFID纱线在重复洗涤、拉伸和扭转条件下保持稳健的UHF无线操作。通过利用不同RFID应答器芯片的多样化功能，纱线被成功设计为服装生命周期标识符、能够量化弯曲角度的几何敏感身体运动追踪器以及分布式温度传感纤维，为免维护、织物尺度可穿戴系统描绘了可扩展路径。尽管取得了这些进展，全面实际部署仍面临若干挑战：在密集集成传感阵列中，物理链路预算可能受到强电磁互感耦合以及由汗液和变化组织接近度引起的不可预测体表失谐的制约；动态身体运动引入方向依赖性信号衰减。未来工作应通过位置感知匹配和读写器协议解决强互感耦合下的高密度阵列问题，利用圆极化或多态询问提高方向鲁棒性，将平台扩展到额外传感模式和可扩展制造。此外，实施自动化对准技术实现可扩展制造将进一步释放这些无源智能纺织品在普适医疗和连续生理监测中的更广泛潜力。
