基于石墨烯的高柔性、耐用、抗紫外线和导电的TPU/纺织复合传感器

：使用PECOTEX和电脑刺绣机，生产了一系列可穿戴电子传感器，包括用于监测呼吸的面罩、用于监测心脏活动的T恤和用于监测氨气的纺织气体传感器作为技术演示。PECOTEX有可能以卷对卷的方式大量生产，大规模制造集成到日常服装中的新型低成本可穿戴传感器。

面罩传感器测量呼吸频率，T恤传感器测量心率。

帝国理工学院的研究人员在T恤和面罩中嵌入了新的低成本传感器，用于监测呼吸、心率和氨气。

潜在应用范围从监测运动、睡眠和压力到通过呼吸和生命体征诊断和监测疾病。

这些传感器由一种名为PECOTEX的新帝国开发的基于棉的导电线纺制而成，制造成本很低。只需0.15美元即可生产一米长的线，将十多个传感器无缝集成到服装中，PECOTEX与行业标准的电脑绣花机兼容。

该研究的第一作者FahadAlshabouna博士帝国理工学院生物工程系，说：“服装的柔性介质意味着我们的传感器具有广泛的应用。它们也相对容易生产，这意味着我们可以扩大制造规模并迎来新一代的服装可穿戴设备。”

研究人员将传感器绣在面罩中以监测呼吸，将传感器绣在T恤上以监测心脏活动，将传感器绣在纺织品上以监测氨等气体，氨是一种可用于检测肝肾功能的呼吸成分。开发氨传感器是为了测试气体传感器是否也可以使用刺绣制造。

L：工业标准绣花机。R：嵌入面罩和T恤的传感器。

Fahad补充说：“我们展示了在监测心脏活动和呼吸以及传感气体方面的应用。未来的潜在应用包括诊断和监测疾病和治疗，在运动、睡眠和压力期间监测身体，以及用于电池、加热器和抗静态服装。”

无缝传感器

可穿戴传感器，如智能手表上的传感器，让我们以非侵入方式持续监测我们的健康和幸福。然而，到目前为止，还缺乏合适的导电线，这解释了为什么无缝集成到衣服中的可穿戴传感器尚未广泛使用。

输入PECOTEX。该材料由帝国研究人员开发并纺成传感器，可机洗，比市售的银基导电线更不易断裂且导电性更高，这意味着可以添加更多层来制造复杂类型的传感器。

刺绣后棉线、PECOTEX和PECOTEX的扫描电子和光学显微照片。

研究人员在将传感器绣入衣服期间和之后，针对市售的银基导电线对传感器进行了测试。

在刺绣过程中，PECOTEX更可靠且不易断裂，从而可以在彼此之上绣制更多层。

刺绣后，PECOTEX表现出比银基线更低的电阻，这意味着它们在导电方面表现更好。

主要作者，也是生物工程系的FiratGüder博士说：“PECOTEX性能卓越、功能强大，可适应不同的需求。它易于扩展，这意味着我们可以使用家用和工业电脑刺绣机低成本地大批量生产.

“我们的研究为日常服装中的可穿戴传感器开辟了令人兴奋的可能性。通过监测呼吸、心率和气体，它们已经可以无缝集成，甚至可能在未来帮助诊断和监测疾病的治疗。”

PECOTEX的合成和线轴上生产的线的照片。插图显示了产品的化学结构；(b)使用PECOTEX和1毫米厚的硅胶基材进行电脑刺绣图案的工艺。

刺绣传感器保留了织物的固有特性，例如耐磨性、透气性和皮肤触感。它们还可以在高达30°C的温度下机洗。接下来，研究人员将探索个性化医疗的储能、能量收集和生化传感等新应用领域，并寻找商业化合作伙伴。

通过电脑刺绣制造可穿戴传感器

为了演示PECOTEX在这项工作中的应用，在可穿戴传感中，制造了三种不同类别的概念验证设备（图4），包括：（i）一件衣服（在本例中是一件T恤）用于通过心电图(ECG)测量心脏电活动的刺绣电极；(ii)一次性面罩，内含用于电监测呼吸的刺绣电极；(iii)用于感测NH3的刺绣气体传感器。传感器制作完成后，用去离子水冲洗绣花图案数次，以去除未反应的DVS和EG，因为它们会引起皮肤刺激。刺绣传感器保留了织物的固有特性，例如耐磨性、透气性和皮肤触感。

图(a)一名志愿者穿着带有刺绣PECOTEXECG电极的T恤以监测心脏活动的照片。PECOTEX和商用ECG电极产生清晰且可比较的波形，其中包含所有医学相关信息。插图显示了电极与皮肤接触的一侧；(b)一名志愿者戴着一次性面罩的照片，该面罩包含用于呼吸感应的刺绣PECOTEX电极。使用定制的电池供电的便携式电子设备捕获呼吸模式，并将其传输到附近的移动设备进行监测。使用基于PECOTEX的低噪声呼吸传感器捕获不同的呼吸活动。(c)电导率（归一化为%）基于PECOTEX的刺绣气体传感器在70%相对湿度下暴露于ppm氨气时具有两种不同的传感方式。在n=3的NH3(5–0ppm)浓度范围内，模式II传感器的电导率平均变化显示出随浓度增加的响应。插图显示了基于PECOTEX的刺绣模式II传感器(n=3)在同一传感器的两次单独运行中暴露于ppmNH3时的响应。

使用心电图T恤进行持续心脏监测

使用电脑刺绣，我们使用PECOTEX在纺织品T恤上绣了三个电极（2.5×2.5cm），通过ECG连续监测心脏活动。ECG是医学中常规用于诊断和监测心血管疾病的重要工具，但通常需要长时间连续监测，从数周到数月不等。

经过数字信号处理后，刺绣电极捕获的ECG波形在噪声伪影方面与商业电极捕获的波形。在这两种波形中，Q、R、S等特征编织清晰可辨，允许检测心率和其他重要的医学指标，表明ECGT恤可用于连续监测心脏活动。

使用刺绣传感器对呼吸进行电气监测

在棉纺织基材上生产了刺绣电子呼吸传感器，并将它们嵌入一次性面罩（公众在COVID-19大流行期间通常使用）中，用于持续监测呼吸活动（。呼吸传感器由两个刺绣电极组成，用于测量织物基材的离子电导率；离子电导源于吸附在纺织品纤维上的水分解为H3O+和OH–，在吸入和呼出循环期间发生变化，从而改变了基材内的水分含量。

可以通过在电极之间施加5V、2kHz的交流信号并测量流经织物的离子电流来检测水分含量的变化（因此呼吸），该离子电流与基材的离子电导率成正比。源自传感器的信号使用传感器和电子设备之间的电缆连接进行传输。使用便携式无线电子设备，能够捕获志愿者的呼吸活动并将波形传输到附近运行Android应用程序的移动设备，开发。使用刺绣呼吸传感器，可以清楚地检测不同形式的呼吸活动，包括正常、暂停、快速、浅、慢和深呼吸，无需任何后期处理。通过手动计算峰值，还可以估计呼吸活动不同阶段的呼吸频率（健康的重要指标和医学中使用的四种生命体征之一。