CN113093588A - 一种基于面料的柔性控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明特别涉及一种基于面料的柔性控制系统。其包括柔性传感器，以及控制器，控制器与具有显示器的显示装置信号连接，面料包括柔性基材，石墨烯膜层，石墨烯导电浆料是由石墨烯溶液和水溶性聚氨酯溶液按一定比例共混后制备得到，石墨烯导电浆料为石墨烯/聚氨酯有效含量之比为1％‑6％的溶液；柔性传感器检测到作用于面料上的压力或拉伸力的检测信号后将检测信号发送至控制器，控制器接收到检测信号后进行计算，并将计算得到的所需数据发送至显示装置。还包括一种基于面料的柔性控制方法。本发明的控制系统可应用于人体生理活动监测领域，特别是应用在监测病人、儿童及老年人的日常生理活动；且可靠性高，实时响应性好，监测精准度高。

Description

一种基于面料的柔性控制系统及方法

技术领域

本发明涉及柔性人体生理活动监测技术领域，特别涉及一种基于面料的柔性控制系统及方法。

背景技术

近年来，随着移动互联网和智能终端的快速发展，可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景。而作为可穿戴电子设备核心部件之一的柔性可穿戴电子传感器以其装置的宽量程灵敏度、响应时间、便携性、使用舒适性和多功能集成等特点已经成为人们关注的热点，激发了国内外研究人员对柔性可穿戴电子传感器的研究和开发。

柔性可穿戴传感器是对于一类可以被直接穿戴或整合于衣物并感应和检测各种人体生理活动的传感器的统称，其在人机交互、智能机器人、语音识别、个人健康监测和运动感应方面有着广泛的应用。传统的应变传感器，主要基于一些刚性材料，如金属箔和半导体，其可拉伸性很差(＜5％)且不可穿戴。为实现传感器的柔性可穿戴化，本领域技术人员尝试将一些兼具柔性和导电性的纳米材料应用于柔性可穿戴传感器的构筑，如石墨烯、金属纳米线、碳纳米管。尽管这些研究初步实现了传感器的柔性化和可穿戴化，但仍然存在两个未解决的基本问题：一是，现有的可穿戴传感器的应变灵敏度比较低，应变感应范围小，不适用于监测人体轻微的脉搏等对传感器灵敏度要求高、应变感应范围大的人体活动的监测。

众所周知，石墨烯是由碳原子六角结构紧密堆积而成的二维材料，只有一个碳原子厚度的二维晶体，拥有稳定的六元环结构。石墨烯具有完美的大π共轭体系和最薄的单层原子厚度的结构，这使得石墨烯拥有非常优异和独特的光、电、磁、机械等物理性能和化学性质。它是人类已知重量最轻、韧性最好、透光率最高、导电性能最佳的材料，因出众的性能而被广泛应用。基于上述特性，石墨烯可应用于可穿戴传感器的制备。

然而，石墨烯粉末在制备导电浆料过程中存在分散不均匀问题，使得浆料中石墨烯出现团聚的现象，从而导致导电性能、以及热响应性能低。本领域技术人员为解决分散性问题，对石墨烯进行氧化形成氧化石墨烯，并且采用大量表面活性剂和分散剂来帮助石墨烯粉末的均匀分散。但是，对于导电浆料而言，表面活性剂和分散剂本身不参与导电，这会影响电子器件在使用过程中的电学性能和稳定性。

由于石墨烯是由碳六元环组成的两维(2D)周期蜂窝状点阵结构，导致了石墨烯对无水乙醇溶液具有排斥作用，造成石墨烯在无水乙醇溶液中分散性较差，这样的情况使得一方面很难将石墨烯均匀的涂覆在无纺布等织物上，另一方面即使附上之后因为较差的粘附性也很容易使石墨烯涂层掉落，从而使得导电性、耐水洗性、以及热响应性相对较差。

如专利CN 104983402 A，公开了一种集成柔性传感器的智能手环。以及专利CN104873200A，公开了一种用于检测人体运动的柔性传感器及制备方法，其中该柔性传感器包括柔性聚合物层和电极层，柔性聚合物层置于电极层上面。在该专利中柔性聚合物层和电极层在接触摩擦后分别带有电荷量相同但极性相反的摩擦电荷，通过应用柔性聚合物层的拉伸和回缩而引起电极层电势发生变化，从而驱动电子在电极层和地电极之间往复流动，产生电信号。这种柔性传感器可以用来检测人体的运动，具有制备方法简单、成本低廉、检测精度高等优点，在医疗诊治、体育运动、安全防护等领域具有很大的应用前景。但是上述专利中柔性传感器是由柔性聚合物层与电极层两层分层设置的，即将柔性聚合物层置于电极层上面，然后电极层上连接导线得到的柔性传感器，两层之间易出现分层现象。而两层之间的紧密结合程度影响着柔性传感器最终的检测精准度、热响应性能，所以说上述专利制备的柔性传感器的稳定性较差，导致检测精准度、热响应性能较低，导致整个控制系统的监测结果精准度偏低。

又如专利CN 107298924 A，公开了一种石墨烯导电浆料及其制备方法、应用方法，其包括如下重量备份比原料制成：包括少层石墨烯0.5-15.0wt％；分散剂0.1-5.0wt％；稀释剂80-99.4wt％；有机树脂10-40.0wt％。该专利通过前期对分散剂的筛选，在石墨烯粉体与稀释剂的混合过程中，石墨烯能更容易分散在稀释剂中，且得到的分散液稳定性好，添加所选分散剂配合其所采用工艺能促进石墨烯在稀释剂中的剥离，在浆料中用部分树脂代替部分溶剂使浆料的固含量增加，提高浆料稳定性，防止石墨烯的回叠，又能为后期的应用提供很好的相容性。虽然该专利解决了石墨烯在浆料中均匀性，以及用部分树脂进行代替部分溶剂是浆料的固含量增加，解决后期应用的相容性问题。具体的，该专利是先将分散剂与稀释剂进行混合，然后再将石墨烯粉体加入，实现石墨烯粉体的均匀混合。但是，首先由于其采用的是石墨烯粉体，石墨烯粉体需要先润湿然后在分散，所以将粉体加入至溶液中时，分散的较慢，在润湿的过程中可能会出现部分粉体堆叠团聚的现象。其次，虽然该专利也加入了分散剂，进行辅助分散，但是其在加入粉体时才加入分散剂，此时可能已经出现了石墨烯颗粒的堆叠团聚。当出现团聚现象再进行分散，其分散效果大打折扣，所以说，相对而言石墨烯粉体在浆料中分散性较差，从而导致导电性能、热响应性能降低。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种可靠性高，实时响应性好，监测精准度高的基于面料的柔性控制系统及方法。

本发明为实现上述目的采用的技术方案是：一种基于面料的柔性控制系统，包括用于检测及采集压力或拉伸力变化信号的柔性传感器，以及与柔性传感器电联接的控制器，所述控制器与具有显示器的显示装置通过有线或无线的方式信号连接，所述柔性传感器由所述面料以及设置于面料两侧端的电极组成，所述面料包括柔性基材，通过在所述柔性基材的表面均匀涂覆石墨烯导电浆料后形成的石墨烯膜层，所述石墨烯导电浆料是由石墨烯溶液与水溶性聚氨酯溶液按一定比例共混后制备得到，所述石墨烯导电浆料为石墨烯/聚氨酯有效含量之比为1％-6％的溶液；所述柔性传感器检测到作用于面料上的压力或拉伸力的检测信号后将检测信号发送至控制器，所述控制器接收到检测信号后进行计算，并将计算得到的所需数据发送至显示装置。

上述的基于面料的柔性控制系统，所述石墨烯溶液的制备方法，先通过采用改进的Hummers法制备出氧化石墨烯溶液，然后在氧化石墨烯溶液中加入还原剂进行还原，在氧化石墨烯溶液还原过程中加入分散剂，最终制备得到石墨烯溶液。

上述的基于面料的柔性控制系统，所述还原剂的浓度质量百分比为1％，所述分散剂的浓度质量百分比为0.25％，所述石墨烯导电浆料的溶剂为离子水。

上述的基于面料的柔性控制系统，所述还原剂为肼、甲基肼、苯肼、NaOH、KOH、氨水、氢碘酸中的一种或几种；所述分散剂烯为聚乙吡咯烷酮K90(PVP)。

上述的基于面料的柔性控制系统，在所述石墨烯溶液与水溶性聚氨酯溶液(PU)共混时，将量取的石墨烯溶液缓慢滴加到不断搅拌中的水溶性聚氨酯溶液中，滴加完成后，将混合溶液在数显电动搅拌器上搅拌30min，然后进行超声处理30min。

上述的基于面料的柔性控制系统，所述控制器包括用于当作用于面料上的压力或拉伸力大于预设值时进行报警的报警模块。

上述的基于面料的柔性控制系统，所述控制系统包括报警装置，当所述控制器接收到柔性传感器检测信号后发送用于控制警报装置是否启动发出警报的警报信号至警报装置。

上述的基于面料的柔性控制系统，所述控制器为无线可编程控制器，所述无线可编程控制器与柔性传感器信号连接。

一种基于面料的柔性控制方法，将柔性传感器贴合人体皮肤设置于人体所需检测部位，当所述柔性传感器检测到作用于面料上的压力或拉伸力的检测信号后将检测信号发送至控制器，所述控制器接收到检测信号后进行计算，并将计算得到的所需数据发送至显示装置，所述显示装置的显示器上便显示出所需数据。

上述的基于面料的柔性控制方法，所述显示装置包括手机、计算机，所述所需数据包括相对电阻变化率、压力变化值。

本发明基于面料的柔性控制系统及方法的有益效果是：本发明通过具有高灵敏度、可重复稳定性好的面料而得到的柔性传感器，使得整个控制系统具有可靠性高，实时响应性好，监测精准度高的优点。

本发明中采用的石墨烯导电浆料，是通过先制备氧化石墨烯溶液，再在氧化石墨烯溶液还原的过程中加入分散剂制备得到的。由于在此时加入分散剂，所以可防止氧化石墨烯溶液在还原的过程中，氧化石墨烯还原出来的石墨烯发生团聚，导致溶液中石墨烯不均匀分布。所以本发明中的石墨烯在石墨烯溶液中分布很均匀。然后采用的是将分散良好的石墨烯溶液与水溶性聚氨酯溶液混合，石墨烯溶液相比粉体更容易在混合溶液中分散，进一步使得石墨烯可在浆料中均匀分布，形成分散良好的石墨烯导电浆料，最终提高了浆料的导电性能以及热响应性能。最后通过采用水溶性聚氨酯溶液，由于其黏结性能好，与石墨烯溶液混合后，可使石墨烯溶液中已分散均匀的石墨烯不易再次发生团聚，当涂覆在柔性基材上制备面料时，不仅可使石墨烯分散均匀的石墨烯导电浆料不易从面料上脱落，还可改善面料的手感、耐折性，耐水洗性也得到提高。

本发明的控制系统可应用于人体生理活动监测领域，特别是应用在监测病人、儿童以及老年人的日常生理活动。本发明可靠性高，实时响应性好，监测精准度高，值得被广泛推广应用。

附图说明

图1为实施例1的柔性控制系统结构示意图；

图2为实施例1中制备的石墨烯导电浆料的光学显微镜图(a)；

图3为实施例2中制备的石墨烯导电浆料的光学显微镜图(b)；

图4为实施例3中制备的石墨烯导电浆料的光学显微镜图(c)。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明；

实施例1

如图1、2所示，一种基于面料的柔性控制系统，包括用于检测及采集压力或拉伸力变化信号的柔性传感器，以及与柔性传感器电联接的控制器1，柔性传感器由面料2以及设置于面料2两侧端的电极3组成，控制器1与具有显示器4的显示装置5通过无线的方式信号连接。当柔性传感器检测到作用于面料上的压力或拉伸力的检测信号后将检测信号发送至控制器1，控制器1接收到检测信号后进行计算，并将计算得到的所需数据发送至显示装置。其中，所需数据为相对电阻变化率，控制器为无线可编程控制器，无线可编程控制器与柔性传感器信号连接，显示装置为计算机。电极可为由铜片制成的金属电极片，也可为银浆涂覆并干燥而成，并在两侧端电极引出导线，控制器1通过导线与柔性传感器连接。

在使用时，可以借助医用胶带将柔性传感器直接贴附于人体各个部位，感应和检测人体各种生理活动的微小生理信号，如关节弯曲、脚底受力、声带振动、呼吸、脉搏跳动以及睡眠姿势等。即能够有效地感应拉伸形变、压力、弯曲变形。具体的，柔性传感器感知作用在织物表面的压力或拉伸力，而产生不同程度的形变。当柔性传感器发生不同程度的形变时，此时柔性传感器的电阻值也相应的发生了变化，即形变量对应电阻值的变化量。柔性传感器先根据作用在织物表面的压力或拉伸力将信号进行采集并传输至控制器，控制器根据采集的数据进行计算，得到形变量对应电阻值的变化量。最后将得到的变化量无线传输至显示装置，即得到所需数据，可实现对人体各种生理活动的监控，对使用者提供实时准确的指导。其中，无线可编程控制器包括储存模块，比较计算模块，无线传输模块。

本发明的具体应用，应用于设置于可穿戴设备上柔性传感器发生形变时的检测，同时通过检测设置于可穿戴设备上的柔性传感器及其形变数据，感知和监测使用者人体运动状况。如当将柔性传感器贴附于胸腔位置后，可以对微弱的心跳和呼吸引起的微小形变进行准确的响应，并能区分前后心跳和呼吸的差异，并将心跳、呼吸数据在显示装置上进行显示，实现监测的目的。当将柔性传感器贴附手腕部位对脉搏，可以对微弱的脉搏引起的微小形变进行准确的响应，并能区分前后脉搏的差异，如运动前脉搏较慢，强度较弱，而运动后脉搏加快，强度增大。同时将脉搏数据在显示装置上进行显示。

一种基于面料的柔性控制方法，将柔性传感器贴合人体皮肤设置于人体所需检测部位后，当柔性传感器检测到作用于面料上的压力或拉伸力的检测信号后将检测信号发送至控制器1，控制器1接收到检测信号后进行计算，并将计算得到的所需数据发送至具有显示器的显示装置5，显示装置5的显示器4上便显示出所需数据。

本实施例中，面料包括柔性基材，还包括通过在所述柔性基材的表面均匀涂覆石墨烯导电浆料后形成的石墨烯膜层。其中，石墨烯导电浆料是由石墨烯溶液和水溶性聚氨酯溶液按一定比例共混后制备得到，石墨烯导电浆料为石墨烯/聚氨酯有效含量之比为1％的溶液，石墨烯溶液的浓度质量百分比为1％，水溶性聚氨酯溶液的浓度质量百分比为10％。

石墨烯溶液的制备方法，先通过采用改进的Hummers法制备出氧化石墨烯溶液，然后在氧化石墨烯溶液中加入还原剂进行还原，在氧化石墨烯溶液还原过程中加入分散剂，最终制备得到石墨烯溶液。还原剂的浓度质量百分比为1％，分散剂的浓度质量百分比为0.25％，石墨烯导电浆料的溶剂为离子水。在本实施例中，还原剂采用肼，分散剂烯采用聚乙吡咯烷酮K90(PVP)，柔性基材为柔性织物。

具体的，石墨烯溶液与水溶性聚氨酯溶液(PU)共混的方法为将量取的石墨烯溶液缓慢滴加到不断搅拌中的水溶性聚氨酯溶液中，滴加完成后，将混合溶液在数显电动搅拌器上搅拌，然后进行超声处理。将石墨烯溶液与水溶性聚氨酯溶液共混后，在数显电动搅拌器上搅拌时间为30min，转速设置为200r/min；超声处理的时间为30min。

其中，面料的涂覆工艺，包括如下步骤：

(1)先利用压力雾化方式，将浓度质量百分比为10％的水溶性聚氨酯溶液涂覆在柔性织物表面，得到初处理基材；

(2)然后再利用压力雾化方式，将石墨烯导电浆料分10次喷涂在步骤(1)制得的初处理基材表面，雾化喷涂时需要干燥后再喷涂下一层的石墨烯导电浆料层，全部喷涂完成并干燥后得到高导电基材；

(3)再次利用压力雾化的方式，将浓度质量百分比为10％的水溶性聚氨酯涂覆到步骤(2)制得的高导电基材表面；

(4)最后，将步骤(3)得到的高导电基材进行烘干处理，烘干后即得到面料，烘干时间设置为2min，烘干温度设置为60℃。

在每次压力雾化时，将雾化压力均设置为1MPa，水溶性聚氨酯溶液、石墨烯导电浆料的液体流量均设置为0.3mL/c㎡，每次压力雾化处理的时间均设置为3s。

实施例2

如图3所示，与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于，本实施例中的石墨烯导电浆料为石墨烯/聚氨酯有效含量之比为2％的溶液，石墨烯溶液的浓度质量百分比为2％，水溶性聚氨酯溶液的浓度质量百分比为10％。在石墨烯溶液的制备方法中，还原剂采用甲基肼。

实施例3

如图4所示，与实施例1、2相同之处不再赘述，不同之处在于，本实施例中的石墨烯导电浆料为石墨烯/聚氨酯有效含量之比为4％的溶液。

实施例4

与实施例1、2、3相同之处不再赘述，不同之处在于，本实施例中的控制器还包括用于当作用于面料上的压力或拉伸力大于预设值时进行报警的报警模块，无线可编程控制器还包括用于设置最大预设值的预设模块。控制系统还包括报警装置，当控制器接收到柔性传感器检测信号后发送用于控制警报装置是否启动发出警报的警报信号至警报装置。

具体的，当柔性传感器检测到作用于面料上的压力或拉伸力大于预设值时，控制器发送启动警报装置发出警报的警报信号至警报装置。

实施例5

与实施例1、2、3、4相同之处不再赘述，不同之处在于，控制器与柔性传感器电连接。

上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修改，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于面料的柔性控制系统，其特征在于：包括用于检测及采集压力或拉伸力变化信号的柔性传感器，以及与柔性传感器电联接的控制器，所述控制器与具有显示器的显示装置通过有线或无线的方式信号连接，所述柔性传感器由所述面料以及设置于面料两侧端的电极组成，所述面料包括柔性基材，通过在所述柔性基材的表面均匀涂覆石墨烯导电浆料后形成的石墨烯膜层，所述石墨烯导电浆料是由石墨烯溶液与水溶性聚氨酯溶液按一定比例共混后制备得到，所述石墨烯导电浆料为石墨烯/聚氨酯有效含量之比为1％-6％的溶液；所述柔性传感器检测到作用于面料上的压力或拉伸力的检测信号后将检测信号发送至控制器，所述控制器接收到检测信号后进行计算，并将计算得到的所需数据发送至显示装置。

2.根据权利要求1所述的基于面料的柔性控制系统，其特征是：所述石墨烯溶液的制备方法，先通过采用改进的Hummers法制备出氧化石墨烯溶液，然后在氧化石墨烯溶液中加入还原剂进行还原，在氧化石墨烯溶液还原过程中加入分散剂，最终制备得到石墨烯溶液。

3.根据权利要求2所述的基于面料的柔性控制系统，其特征是：所述还原剂的浓度质量百分比为1％，所述分散剂的浓度质量百分比为0.25％，所述石墨烯导电浆料的溶剂为离子水。

4.根据权利要求3所述的基于面料的柔性控制系统，其特征是：所述还原剂为肼、甲基肼、苯肼、NaOH、KOH、氨水、氢碘酸中的一种或几种；所述分散剂烯为聚乙吡咯烷酮K90(PVP)。

5.根据权利要求1所述的基于面料的柔性控制系统，其特征是：在所述石墨烯溶液与水溶性聚氨酯溶液(PU)共混时，将量取的石墨烯溶液缓慢滴加到不断搅拌中的水溶性聚氨酯溶液中，滴加完成后，将混合溶液在数显电动搅拌器上搅拌30min，然后进行超声处理30min。

6.根据权利要求1所述的基于面料的柔性控制系统，其特征是：所述控制器包括用于当作用于面料上的压力或拉伸力大于预设值时进行报警的报警模块。

7.根据权利要求6所述的基于面料的柔性控制系统，其特征是：所述控制系统包括报警装置，当所述控制器接收到柔性传感器检测信号后发送用于控制警报装置是否启动发出警报的警报信号至警报装置。

8.根据权利要求1所述的基于面料的柔性控制系统，其特征是：所述控制器为无线可编程控制器，所述无线可编程控制器与柔性传感器信号连接。

9.一种基于面料的柔性控制方法，其特征在于：将柔性传感器贴合人体皮肤设置于人体所需检测部位，当所述柔性传感器检测到作用于面料上的压力或拉伸力的检测信号后将检测信号发送至控制器，所述控制器接收到检测信号后进行计算，并将计算得到的所需数据发送至显示装置，所述显示装置的显示器上便显示出所需数据。

10.根据权利要求9所述的基于面料的柔性控制方法，其特征是：所述显示装置包括手机、电脑，所述所需数据包括相对电阻变化率、压力变化值。

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