西安工程大学樊威教授团队：纤维基柔性应力应变传感器在运动与健康监测领域中的最新研究进展
引文格式：
霍青元, 赵鑫悦, 夏永涛,等. 纤维基柔性应力应变传感器在运动与健康监测领域中的最新研究进展[J]. 纺织工程学报, 2026, 4 (1): 15-36.
HUO Qingyuan, ZHAO Xinyue, XIA Yongtao. et al. Recent research progress of fiber-based flexible stress-strain sensors in the field of sports and health monitoring[J]. Journal of Advanced Textile Engineering, 2026, 4 (1): 15-36.
研究背景
智能可穿戴纺织品通过集成电子元件与传感器，实现了传统纺织品的智能化升级。其中，传感器作为关键功能元件，可有效捕获使用者的生理、生化等多维度数据。
传统金属基应力应变传感器存在柔性差、穿戴不适、灵敏度低等问题，极大限制了其在运动与健康领域的应用。纤维基柔性应力应变传感器凭借优异的柔韧性、透气性及可穿戴特性，成为智能可穿戴设备的理想选择。将其融入服装，可长期稳定监测用户的运动与健康数据。
鉴于此，西安工程大学吴帆团队在《纺织工程学报》发表了题为“纤维基柔性应力应变传感器在运动与健康监测领域中的最新研究进展”的综述论文，系统梳理了该领域的研究脉络与未来发展方向。
图 1 纤维基柔性应力应变传感器的制备方法及其应用场景示意图
文章介绍
针对可穿戴设备对柔性、透气、高精度传感的迫切需求，该综述系统阐述了纤维基柔性应力应变传感器在运动与健康监测领域的研究进展。
文章首先阐释了电阻式、电容式、压电式和摩擦电式四种核心传感原理的工作机制及其优劣特性，指出电阻式传感器因结构简单、应变范围宽而应用广泛，但存在灵敏度较低、易受温湿度干扰等问题；电容式传感器灵敏度高、功耗低，但应变范围较窄；压电式和摩擦电式传感器均可实现自供电，但在静态检测和环境稳定性方面存在局限。
图 2 纤维基柔性应力应变传感器的四种工作原理
表 1 基于四种传感原理的纤维基柔性应力应变传感器的优缺点
接着文章系统梳理了纤维/纱线/织物涂覆法（浸涂、喷涂、气相沉积、丝网印刷、原位生长）、纺丝法（静电纺丝、熔融纺丝、湿法纺丝）以及3D打印、炭化等制备技术的关键工艺与性能调控策略。其中，湿法纺丝凭借环境友好、可连续化生产的优势，成为实现纤维电极规模化制备的重要途径；原位生长法则通过化学键合显著提升活性材料与基底的界面结合力，有效改善传感器的结构稳定性和循环寿命。
图 3 纤维/纱线/织物涂覆法制备纤维基柔性应力应变传感器(a) 使用一步涂覆法制备 rGO/LAA 聚酯传感器 ; (b) 使用化学气相沉积法制备传感器; (c) 使用丝网印刷法制备传感器 ; (d) 原位水解缩合锚定法制备 CsAFS
在应用层面，该综述重点介绍了传感器在关节活动监测（如手指弯曲、膝关节角度）、生理信号监测（呼吸、脉搏、心电图）以及运动行为与力学监测（足底压力、步态分析）三大场景中的最新进展。例如，基于炭化棉织物的应变传感器在0%~140%应变范围内灵敏度系数达64，可精准捕捉人体关节运动；集成摩擦纳米发电机的智能鞋垫实现了对糖尿病足患者步态的实时监测与预警。团队进一步指出，当前纤维基传感器在材料多尺度均匀性、灵敏度-量程-线性度的性能权衡、复杂环境下的长期稳定性以及数据采集与智能调控的协同性等方面仍面临挑战，未来需通过材料功能化集成、织物结构优化设计、多模态信号处理算法开发以及临床应用深化，推动其从基础研究向工程化应用跨越。
图 4 纤维基柔性应力应变传感器在关节活动监测中的应用(a) 监测手指弯曲 ; (b) 手腕角度监测 ; (c) 膝盖弯曲,韧带损伤监测 ; (d) 手势监测
图 5 纤维基柔性应力应变传感器在生理信号监测中的应用 (a) 呼吸监测 ; (b) 脉搏等微小信号监测; (c) 血压,呼吸率等人体健康指标监测 ; (d) 运动状态监测
结论与展望
近年来，纤维基柔性应力应变传感器在材料研发、制备工艺及传感机理等方面取得巨大突破，推动其在运动与健康监测等领域的应用呈现出多元化、精准化的发展态势。这类传感器凭借优异的柔韧性、透气性及可穿戴特性，有效解决了传统刚性传感器在人体适配性上的局限，为实时捕捉物理多参量数据提供了创新方案。
尽管纤维基柔性应力应变传感器在基础研究与初步应用阶段已展现突出优势，但现有大规模工程化应用仍面临材料科学、器件性能优化、系统集成等多维度的技术挑战，具体可归纳为以下三个方面：
材料多尺度均匀性与界面稳定性是基础，灵敏度-量程-线性度的性能权衡是迈向实用的关键瓶颈。导电纳米填料在纤维基体中的多尺度均匀分散是构筑稳定导电网络的前提。现有工艺在实现电子功能时，常损害纤维的柔韧性、透气性等本征优势。此外，高灵敏度、宽量程与良好线性度往往难以兼顾，信号易与温度、湿度等环境参量耦合串扰。
纤维基柔性应力应变传感器的续航能力与传感性能，是其规模化制造与实用化的核心瓶颈。既需要开发高能量密度的柔性供能装置，又需实现供能系统的柔性化集成。传感器在灵敏度、响应时间、迟滞效应等方面仍有较大优化空间，且在高温高湿、汗液侵蚀等环境下的耐用性不足。
从传感数据的采集、传输到终端智能调控的协同性不足，是制约其规模化落地应用的核心问题。皮肤-器件界面问题尚未根本解决，缺乏从复杂信号中提取生理病理特征的先进算法，领域内缺乏标准化测试与评估体系。
未来需优化材料界面提升性能，改良工艺突破规模化瓶颈，以智能化与临床转化打通落地链路，通过多学科交叉融合，全面提升纤维传感器综合性能，推动其从基础研究走向工程化应用，为智能纺织品产业化提供核心支撑，助力纺织工业向高端智能、绿色健康转型升级。具体可从以下四方面展开：
材料的高性能与功能化集成：聚焦天然可再生基材，融合导电、压电、热电等多元功能，发展静电势调控原位聚合、分子链协同作用等策略，实现导电组分与纤维基体的化学键合锚定。
优化纤维和织物结构设计：构建仿生分级异质多孔结构，开发螺旋缠绕、编织阵列等三维结构，增强多方向应力应变响应一致性；推进微纳电极与传感纤维的共形集成，实现传感微型化与阵列化。
多模态数据采集与信号处理：开发无线无源采集系统，结合蓝牙低功耗与物联网技术，引入支持向量机、卷积神经网络等算法，建立多参数耦合信号的解耦模型。
临床应用深化：优化纤维器件界面设计，建立标准化测试体系，开发适配不同人群的定制化系统，实现从数据采集到智能调控的闭环。
研究团队
樊威，博士，三级教授，博士生导师，国家青年拔尖人才，西安工程大学科技研究院副院长（主持工作），柔性电子与智能纺织研究院院长，功能性纺织材料及制品教育部重点实验室主任，清华大学访问学者，陕西省杰青。主要从事三维纺织复合材料结构与性能、智能纤维及智能可穿戴、废旧纺织品高值化利用、安全防护用纺织品等方面的研究工作。近年来主持国家级、省部级、厅局级以及企业合作项目30余项，以第一/通讯作者在Nat. Commun.,Adv. Mater.ACS Nano等期刊发表SCI论文80余篇，其中ESI高被引论文12篇，H指数34；主编专著2部，教材2部，译著1部，主持获得省部级一等奖1项、二等奖1项目，授权专利42件，成果转化8件，担任Adv. Compos. Hybrid. Mater.编委、Adv.Fiber. Mate.和纺织学报青年编委。
吴帆,理学博士,西安工程大学纺织科学与工程学院硕士生导师。研究方向:功能纺织材料、智能可穿戴传感器件。近年来主持省部级项目 1 项、厅局级项目 4 项,参与国家级项目 3 项,主持横向项目 2 项。发表学术论文 25 篇,共计引用次数 851 次。申请/授权国家发明专利 5 件,指导省级大创项目 1 项。现为 Thin-Walled Structures 期刊审稿人。
