据中国光学期刊网，于2023年07月31日报道，激光与光电子学进展》于2023年第13期（7月）推出“柔性可编织光电子器件”专题，本封面为天津工业大学光电检测技术与系统重点实验室张诚教授课题组与天津工业大学纺织科学与工程学院许君副教授课题组联合发表的特邀文章“智能服装呼吸监测光纤织物传感器”。
封面解读
本封面以柔性多层智能光电织物为突出要点，放在人体的胸腔部位获取专业精准呼吸力学数据，表达“轻量化”智能光电技术在纺织服装领域的多元化发展。封面中奔跑的人穿梭于科技“时间”空间中，寓意服用光电柔性感知技术正在迅速蓬勃发展；局部放大图展示了层压式柔性光纤织物的结构，该设计为传感织物与服装的一体化提供了新的思路；背景包含人体诸多生命体征信号，暗示智能服装能够实时获取穿着者的生理信息。光学感知与传统纺织品相结合，打造兼具功能性和舒适感的智能服装，在大健康背景下，将光电技术服务于国民经济发展和创造人民美好生活。
你的健康，是否由自己掌握？
近些年来，随着慢性疾病人群的不断扩大以及人口老龄化问题的日趋严峻，人们对于实时监测自身健康状况的需求愈加强烈。目前，智能穿戴技术正在迅速发展，在健康检测，医疗诊断，疾病预防等领域显示出广阔的应用前景。智能服装作为智能穿戴技术未来重要的发展方向，能够为穿着者提供更加多元、舒适、无感的健康监护服务，实现“自身健康，尽在掌握”。
呼吸率作为人体重要的生命体征之一，可以反映人体呼吸系统和循环系统的健康状况，有助于为阻塞性睡眠呼吸暂停综合征、心脏骤停和心肺衰竭等疾病的预警提供有价值的信息，具有呼吸监测功能的智能服装实际应用价值巨大。
光纤可弯曲、体小质轻、成本低、易与织物结合且具有电磁免疫，这些优点使光纤传感器在智能纺织品领域具有很好的发展前景，与电学传感器形成有益互补。目前，已报道的用于呼吸监测的光纤传感器包括光纤布拉格光栅（FBG）、光纤迈克尔逊干涉仪、法布里-珀罗（FP）干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪（MZI）、Sagnac干涉仪和多模干涉（MMI）结构，这些传感器虽与织物具有一定的兼容性，但大都采用硅材料光纤，在使用过程中易产生断裂，且解调装置庞大、复杂。因此，用于呼吸测量的新型服用光纤织物传感器的研究至关重要。
服用光纤织物传感器的原理与特点
人体在呼吸过程中胸廓产生不同程度变化，合体贴肤型服装因紧贴人体表面，会伴随胸廓变化产生不同程度织物拉伸形变。如何使服装与人体皮肤紧密贴合，将胸廓变化有效集中在传感器区域，准确检测微小拉伸形变是呼吸监测服装设计的核心关键。
本团队针对上述问题创新开发出一种多层复合结构的光纤织物传感器，利用聚氨酯弹性体实现拉伸敏感光纤和弹性织物的复合。如图1所示，传感器从内到外依次为拉伸敏感光纤、聚氨酯弹性体和弹性织物。内层敏感光纤设计为双排，由2×N个半圆弧级联而成，输入与输出光纤在织物同侧，便于与检测电路连接。
光纤织物传感器使用半圆弧级联的光纤传感结构，通过测量光纤的弯曲损耗实现呼吸运动引起织物拉伸形变的检测，进而获得人体呼吸信号。为使半圆弧级联结构拉伸感知性能达到最佳，本团队通过大量理论分析和实验，优选了传感器的结构参数，优化了制备工艺，使制备出的传感器具有准确、一致的结构参数和稳定的测量效果。
服用光纤织物传感器的制备
大多数的智能服装将传感器作为配饰粘贴在织物表面，在穿戴过程中影响穿着舒适性且易产生传感器掉落或破损情况。要想实现传感器与服装的深度融合，传感器的织物化是必然趋势。已报到的光纤织物传感器采取简单编织的方法将光纤嵌入织物，光纤在织物中易发生位置移动和旋转，从而影响测量稳定性。
为提高稳定性，本文设计的服用光纤织物传感器采用熨烫工艺制备层压式织物，利用热塑性弹性材料（TPU）的热黏合特性，通过可控型热压工艺将光纤与织物热粘合，从而有效保护光纤，提高传感器的稳定性，同时实现了传感器与服装织物的无缝连接，提升服装舒适度及美观度。
多层复合结构制备主要包含拉伸敏感光纤的制备及多层结构的封装。拉伸敏感光纤以聚合物光纤为基材，将光纤缠绕在定制模具上，形成指定尺寸和个数的双排半圆弧级联结构，通过加热进行定型。多层结构的封装以服装织物、TPU、拉伸敏感光纤的放置顺序，通过热压封装后，形成结构稳定的光纤织物传感器。
加工方法能够有效保证光纤弯曲尺寸的准确性与一致性，与织物结合方便、操作简单，具有工业化量产的巨大潜力。以功能性贴体型服装为载体，传感器能够与人体贴合紧密，外观不突兀，穿着舒适度高。
服用光纤织物传感器的性能
服用呼吸监测光纤织物传感器作为人体呼吸信号检测装置，优良的性能是保障传感器能够应用于生理信号监测的必要条件，其中应变灵敏度、拉伸范围、单向拉伸性、迟滞性和重复性是衡量传感器性能的重要指标。
该传感器的拉伸范围由图1中的D3调控，不同D3时的拉伸特性如图3（a）所示，在单侧半圆弧个数N相同的情况下，有效拉伸范围随D3的增加而增加，分别达到63%、72%、83%；在有效拉伸范围内的应变系数 fGF分别为71.01、70.93、70.74，整体呈减小趋势，但变化不明显，表明该传感器的灵敏度与级联半圆弧的个数有关。图3（b）表明在N为2、4、6时，其应变系数fGF随N的增加而增加，分别为22. 53、43.986、70.74，同时，有效拉伸范围同样随半圆弧个数增多而变大，分别达到58%、69%、83%。
该传感器的另一显著特点是具有单向拉伸敏感性。如图3（c）所示，Fx方向输出功率呈线性上升趋势，fGF为70.74；而Fy方向无明显变化，fGF仅为4.06。该传感器在 Fy方向上产生的光损耗相对于Fx方向上产生的光损耗较小，可忽略不计，证明了该传感器具有良好的单向拉伸感知能力。该特性能够有效避免织物纵向拉伸引入的干扰，提高呼吸信号的准确性。
迟滞性和重复性可表征传感器的稳定性及耐用性。对传感器重复3次拉伸-恢复实验，其测试结果如图3（d）所示，单次按压-释放检测的迟滞误差γH均在7.51%以内。选取其中一个样品对同一拉伸量进行多次往复运动如图3（e)所示，各次运动输出波形基本一致，表明该传感器具有较好的稳定性及耐用性。
服用光纤织物传感器的应用
根据人体工程学，胸骨正下方在人体呼吸运动过程中会呈现较大的变化，而人体不同姿态对该部位围度的变化影响较小。因此，本文将传感器放置于服装胸骨正下方位置（图4（d）A点），设计的呼吸监测服样衣如图4所示。
为了提升体感舒适性，将检测电路放置在该传感器左侧的夹层内，用于向光纤传感器输出光并探测传感器输出的光强，通过相关算法计算呼吸率，采用蓝牙方式将呼吸信息向外发送。
被测者穿着呼吸监测服装，分别采集在不同呼吸频率、不同姿态和不同运动状态下的光纤织物传感器输出信号。将光纤传感器与面罩式呼吸监测仪（YS20）得到的呼吸率进行对比。由图5（c）~（e）所示，所获得的波形具有明显周期性，信噪比较高，能够很好地反映呼吸运动。通过5次重复性实验验证，单次测量误差均小于2次/min，呼吸率平均误差小于0.8次/min，满足医用监护仪呼吸率测量误差标准，证明了该传感器应用于呼吸监测服装的可行性。
光纤传感智能服装的未来
相关数据表明，我国亚健康人群比例持续增多，目前已超过75%，亚健康稍有不慎就会发展为疾病，威胁人们的健康。实时监测是保障健康的有效手段，智能服装作为可穿戴技术的重要分支，可实现人体生命体征参数的监测，能够为人们提供更加舒适、便捷的测量体验。
光纤智能服装具有抗电磁干扰、灵敏度高、防水、轻便、舒适等优点，其中抗电磁干扰这一优势能够弥补电学传感在复杂电磁辐射环境下的使用限制。未来光学测量将在智能服装领域发挥重要作用，形成与电学测量的有益互补，光学和电学的测量方法将从不同模态下提升智能服装的性能，给穿着者更好地使用体验。此外，光纤传感智能服装早日能够走进我们的“衣世界”，需要光学器件生产领域以及服装结合的工业技术跨界合作和提升，尤其是解决可穿戴光学器件的接口稳定性、可水洗、便拆卸这几大问题。
尽管目前为止光纤传感智能服装的开发和应用面临诸多挑战，但是这项技术拥有着极大的发展潜力。该项技术将凭借自身优势，突破传统医疗设备的限制，改变患者和医生之间的诊疗方式，开创一种积极的医疗方式，让患者更好地掌握自身健康状况，最终实现全民大健康。
研究团队简介
天津工业大学电子与信息工程学院、天津市光电检测技术重点实验室张诚教授课题组与天津工业大学纺织科学与工程学院许君教授课题组联合开展光纤智能穿戴技术研究，致力于光学传感技术与纺织服装相融合，研制新型人体和环境多参数监测的光纤智能服装及系统。
团队研究工作面向国家大健康与可穿戴医疗领域需求，经各位成员不懈努力，先后提出了基于光纤光栅和侧向耦合光纤的服用光纤织物传感器设计方案，利用三维人体扫描技术和无缝服装加工技术，研发了新型光纤智能服装，完成了光纤人体温度、心动、脉搏、呼吸、血氧、血压等人体生命体征参数检测原型样衣的研制，取得了多项研究成果，推动了光纤传感智能服装产业化应用的发展。
近年来，团队获得科技委XX专项、国家自然科学基金、天津市自然科学基金等15项项目/基金支持，团队发表SCI、EI期刊文章50余篇，授权发明专利10项，获得两项天津市科技进步二等奖。
作者简介
张诚，天津工业大学电子与信息工程学院电子信息工程专业、天津市光电检测技术与系统重点实验室教授、博/硕士生导师，主要研究方向为智能可穿戴传感器与检测技术，长期从事光纤光子智能穿戴技术与系统、人体生理信号检测技术与处理算法等方面的研究，主持和参与国家级项目8项、省部级项目9项，以第一作者和通信作者发表SCI、EI收录学术论文30余篇，授权发明专利6项，主编教材1部，曾获天津市科技进步二等奖1项、天津市工程专业学位优秀指导教师奖、天津市优秀企业科技特派员，入选天津市高校“优秀青年教师资助计划”。
许君，天津工业大学纺织科学与工程学院，服装设计与工程专业副教授、博/硕士生导师、服装设计与工程系副主任、“天津市高层次人才引进计划”省部级人才称号。目前在智能服装服饰及材料、服装可穿戴健康监控系统、服装品牌营销等方面开展研究。迄今承担和参与、企业横向等研究20余项，目前主持天津市省部级科研项目1项，主持省部级教学项目2项，主持横向企业项目10余项，校级教改项目3项。第一作者和通信作者发表SCI/EI/中文核心期刊论文共30余篇, 个人英文专著1部，主编教材2部，获省部级优秀出版物1项，国际会议演讲10余次及多篇英文论文海报，获授权国家专利8项。曾指导学生获第五届全国应用型人才综合技能大赛“优秀”奖、第六届全国应用型人才综合技能大赛“一等奖”、天津市企业科技特派员、中国“互联网+”创新创业大赛主赛道天津市一等奖、七届中国国际“互联网”大学生创新创业大赛高教主赛道本科生创意组一等奖、第二届“汇川杯”纺织智能学生设计大赛二等奖、第十四届纺织服装创新国际论坛优秀论文奖、天津市科普学术论文征文征集活动中获得一等奖等。
