智能纺织品为感知日常生活中的身体运动参数提供了高舒适度的感知方式及界面。针织作为一种传统的纺织品制造方法，在电子纺织品中实现完全无缝的一体成型制备。现有的针织结构传感器难以满足运动全方位检测的应变和压力传感要求因为：（1）平面/二维针织传感器只能传感水平面上的变形。然而，人体运动学涉及多方向运动参数的动态检测，而单向运动监测几乎不能满足复杂运动监测任务的需要。因此，需要三维的针织结构用于复杂运动参数的感知。（2） 人体对可穿戴产品的舒适度阈值有要求（最高2000-3500Pa），大多数现有的商业薄膜/纺织品传感器无法满足可穿戴产品的小规模测量要求。因此，需要开发小量程的纺织品传感器，以实现舒适的身体穿戴。

近期，南方科技大学白紫千教授团队和香港理工大学合作，开发了具有三向传感能力的机织一体成型的间隔结构压阻针织传感器。这种3D针织传感器结构具备高灵敏度、多向应变/压力传感的特点。创新的传感器结构及设计，优良的舒适性及透气性，使其成为人体可穿戴应用的高兼容性传感器，并适用于大规模电脑针织机生产。为多运动参数运动监测、体态识别、手势交互等应用场景提供了新方案。该研究以《Three-directional Spacer-knitted Piezoresistant Strain and Pressure Sensor for Electronic Integration and On-body Applications》为题目，发表于期刊《ACS Applied Interface & Material》上，并作封面报道。

本研究提出了一种新型的具有三向传感能力的机器一体成型的三维间隔结构压阻针织传感器。该结构既可以检测垂直方向的压力，也可以检测经纱/纬纱水平方向的应变，可以感知2kPa以下的压力。该论文从机械性能、稳定性以及对汗液、洗涤等外部因素的反应等方面对三种尺寸的间隔针织传感器进行了测试。然后，评估了材料选择对传感器性能的影响并总结了材料选择的经验。

此外，本研究对单个传感器和多个传感器阵列在几种精细或大运动传感的应用场景进行了测试。测试结果表明，机器一体成型的针织压阻传感器可以从多方向检测的肢体动作（垂直方向、经线和纬线水平方向）。此外，这种针织传感器是可定制的，可以轻松无缝地集成到针织服装中。这种针织传感器结构具备通用性，可以由多种材料制成，用于高灵敏度的多向应变/压力传感，使其成为可穿戴应用的高兼容性传感器结构，可用于大规模生产。

图1（a） 间隔针织传感器的三向传感结构示意图；（b） 传感器模型的截面图；（c） 间隔物编织传感器的表面SEM图像和（d）截面图；（e） 不同尺寸的间隔物编织传感器样品的表面和（f）截面图；（g） 在垂直方向上压缩的针织传感器的模型效果图；以及（h）在纬纱水平方向上拉伸的针织传感器的模型效果图。

图2 间隔针织传感器的基本传感性能：（c） 压力传感器的灵敏度测试-三种尺寸；（d） 测量三个尺寸传感器在水平方向上的应变传感。

图3（a） 织物压力传感器的灵敏度比较；（b） 针织应变传感器之间的应变系数比较。

图4 （a-b）在稳定性循环测试之前和之后的间隔物编织传感器的SEM图像；（c） 纯棉织物、该项目的间隔针织传感器和TPU膜的透气性测试结果；（d）间隔针织传感器的排汗测试；以及（e）间隔编织传感器的洗涤测试。

图4 间隔编织传感器在实时精细运动监测中的应用：（a）手指弯曲，（b）颈部弯曲，以及（c）运动后呼吸。大运动的实时检测：（d）膝盖弯曲，（e）手腕上下弯曲，（f）手臂弯曲60°、90°、145°，（g）使用传感阵列检测由多个间隔编织传感器制成的智能手表表带上的互动手势，以及（h）使用上衣上的间隔编织传感器阵列检测驾驶员的身体是否处于放松或专注状态。

该工作以“Three-directional Spacer-knitted Piezoresistant Strain and Pressure Sensor for Electronic Integration and On-body Applications”为题发表在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上，并被选作封面报道。该研究得到了国家自然科学基金项目、广东省自然科学基金项目等项目支持。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acsami.3c09238