冯 源，周金利,，杨红英，王 政，熊 帆，杜立新
(1.中原工学院纺织学院，郑州 450007；
2.鲁泰纺织股份有限公司，山东淄博 255100)
随着智能纺织品(Smart textiles)的发展越来越多样化，相对应的功能也逐渐趋于稳定，用户对此类产品设计的实用性与外观提出了更高的要求[1-2]。刺绣技术作为智能纺织品领域最常用的开发技术之一，为上述问题提供了解决方案。首先，相比与其他织物加工技术(如针织、机织)，刺绣技术最显著的特点是可定制纤维铺设(Tailored fiber placement，TFP)[3]，即可根据需求在基底上灵活设计纱线排列。因此刺绣可以通过与人工智能、大数据和物联网技术等结合，根据个人需求定制个性化智能纺织品，为用户提供更全面的个性化服务[4]，使刺绣产品在实现目标功能的同时也可以提供更自由的织物表面美化装饰功能；
其次，刺绣技术的制造工艺具有良好的再现性，其所开发的产品结构具有尺寸稳定性[5]；
此外，使用电脑刺绣机的配套CAD打版软件设计图样，可确保产品快速成型[6]，在设计过程中几乎仅需点击鼠标即可完成。
本文主要阐述刺绣设备的发展及常见问题，系统性地介绍近几年刺绣技术在信号识别与传输、生物传感、物理传感以及其他方面的研究及应用，并对其未来的发展趋势进行展望，对刺绣技术的发展与应用具有一定的指导意义。
刺绣是指用针线在织物表面上绣制各种装饰图案，是一种织物成品表面的装饰方法，涉及不同形式的针迹，具有一定的审美价值[7]。自第一次工业革命以来，机械刺绣的不断发展逐渐代替了手工刺绣，刺绣设备的不断升级是刺绣技术的发展关键。1828年，法国人Josue Heilmann发明了手摇刺绣机，在1834年的巴黎博览会上展出并获得了Legin of Honor金奖，这项发明促成了现代刺绣机的发展。1864年，瑞士人Isaac Groebli发明了一种通过机器冲压绣制花纹的飞梭刺绣机，这台刺绣机采用了连续螺纹针和包含线轴的梭子的组合，大大提高了机器的刺绣效率，产品效果非常接近手工刺绣。在1865～1945年间，随着飞梭绣花机的不断迭代更新，机器操作越来越自动化，生产能力也大幅度提高，其技术范围随着科技进步而显著扩大。1945年，日本幸福工业株式会社开始推出电脑刺绣机，刺绣产品开始进入数字化设计时代。相较于传统手工刺绣工艺，电脑刺绣机具有成本低、生产效率高、可大批量生产等特点。20世纪40年代中期至21世纪初，在日益激烈的竞争中，电脑刺绣机的硬件与软件不断优化升级，相辅相成，凭借数字化的便捷设计、自动编针和矢量美工效果等技术优势，受到市场的热烈追捧。进入21世纪后，刺绣设备的发展重点在于刺绣设备的配套打版软件程序，著名软件有田岛(TAJIMA)、百灵达(BARUDAN)、威尔克姆(Wilcom)、波斯田岛等，富怡在国产软件中比较著名。图1展示了市场常见的3种不同规格的电脑刺绣设备，可按机头(2～24头)与每个机头的针数(3～12针)将其主要分类为：单针单头电脑刺绣机、多针单头电脑刺绣机、多头多针电脑刺绣机。电脑刺绣设备还可按照送料绷架形式分类为板式和筒式，或按绣花所用线迹形式分为锁式线迹(301线迹)和链式线迹(101线迹)[8-10]。
图1 3种不同规格的电脑刺绣机
利用电脑刺绣时，需要选择厚度与张力合适的刺绣基底织物；
而在选择刺绣用线时，需要考察线的表面光滑度、均匀度和强度。电脑刺绣机的一般操作流程是先用电脑刺绣制版软件设计图案纹样，再采用电脑刺绣机按照所设计的图案纹样在基底上刺绣成型。然而机械化刺绣过程中也会存在一些阻碍，例如在机器高速刺绣过程中，绣线随绣针来回穿过绣料要经受多次摩擦，绣线会受到很高的应力，以至于某些绣线由于强度较低或表面粗糙度较高等原因，会在刺绣过程中发生断线、断针以及刺绣机卡线等问题。断线一直是电脑绣花机在刺绣过程中最普遍且最难解决的问题，也是大多数导电材料无法作为绣线的技术难点，绣线的强度不仅与绣线的粗细和纱线质量有关，也会受到温度与湿度的影响[11-13]。因此为了避免刺绣设备的一些常见问题，在操作刺绣机时应注意规范操作，注意刺绣机定期养护、操作台灰尘与纱线清理、预实验验线验机和合规使用实验材料等问题，以免造成机器损坏和实验材料浪费。
Viktorija Mecnika将刺绣技术的应用分为3个主要领域：工业工程、医药业和智能纺织品[5]，图2展示了每个领域的一种代表性刺绣产品[5,14-15]。智能纺织品是属于多学科交叉研究领域的一种新兴产品，美国材料与试验协会发布的ASTM D8248-19《智能纺织品标准术语》中，智能纺织品被定义为：具有一种或多种因刺激(如机械、热、化学、电气、磁性或其他来源的刺激)而变化特性的纤维、纱线、织物或最终产品[2]。除了传输与传感功能外，智能纺织品具有多元、多维和多尺度的结构特点，还展现出轻质、低模和亲肤等特点[16]，其应用已发展到生物医学、康复诊疗、智能制造、航空航天等领域。
图2 刺绣技术应用实例
刺绣技术凭借其独特的加工优点为可穿戴设备、柔性电子织物等产品提供了更广泛的研发思路，因此被应用在各种领域的智能纺织品研究中[5,17-18]。本文将按照如图3所示的4个方面，分别介绍刺绣技术在信号识别与传输、生物传感、物理传感和其他智能纺织品中的应用研究。
图3 刺绣智能纺织品的应用示例
2.1 信息识别与信号传输
随着智能可穿戴领域在市场上逐渐扩大，柔性织物已经具备了信号识别与信号传输的功能，与大多数织物加工技术相比，刺绣技术显著的TFP功能，使其在制备柔性电子标签和信号传输线方面占据优势。
2.1.1 刺绣电子标签
在纺织服装行业中，现有的贴标、吊牌、水洗唛、防盗扣等类型的射频识别(Radio frequency identifi-cation，RFID)电子标签，普遍为硬质材料，通常直接粘贴或悬挂在服装上，存在穿戴不舒适、标签易缺失损坏导致数据统计产生误差等问题[18]，无法满足现代纺织行业对RFID标签穿戴舒适性和精准管控的要求。为此，RFID标签的穿戴舒适性、共形性，以及与织物的一体化无缝结合等方面的应用研究逐渐受到关注。刺绣、电子纱和丝网印刷是制备织物基RFID标签的常用方法，由于织物基标签面临的应用环境比较复杂(如反复洗涤)，因此相对于其他加工方式，刺绣技术制备的织物RFID标签具有较好的共形性、与织物的一体化无缝结合、结构稳定性和耐洗涤性，下面将介绍关于刺绣RFID标签应用进展。
Chen等[19]采用刺绣技术开发了一种带有织物RFID标签的工作手套，用于可穿戴RFID应用，刺绣手套标签在电波暗室和办公室中靠近人体无线测量时的读取范围约为1 m，虽然读取距离较近，但可继续通过优化刺绣图案和工艺参数来提高此种标签的读取范围，这种刺绣RFID标签具有较低的成本效益和易集成性。尹双瑶等[18]对刺绣RFID标签进行了改良和工艺探究，以镀银导电纱和纯棉机织布为主要原材料，制得一种超高频刺绣RFID标签，经过研究针迹类型、针迹间距、针迹长度这3种刺绣工艺参数对超高频织物RFID标签性能的影响，得出标签天线的适宜刺绣工艺参数区间：针迹类型为直线针，针迹长度为2.0～4.0 mm，针迹间距为0.25～0.40 mm，尤其当采用针迹长度为2.0 mm、针迹间距为0.35 mm的直线针时，织物电子标签读取距离最远可达7.6 m。
2.1.2 射频通信与信号传输
传统信号传输线大多采用导电性良好、纯度高的金属材料，但其质地较硬，不便集成到服装中，而基于导电织物的传输线兼顾了其本身的功能性和织物的柔软性，更便于集成到织物中，且可通过合理的工艺设计使其具备较好地传输电能和信号的能力。与机织和针织方式相比，采用刺绣技术制作信号传输线具有更大的优势，可在宏观形貌上呈现很好的美观性，且无需胶水黏合或刻蚀等方法即可集成到织物和服装的表面；
并且这种制造技术生产速度快、产品精度高，对于单个定制和批量的生产都是适用的，进一步降低了生产的成本[20-22]。目前的研究表明，通过刺绣工艺可达到的天线和传输线几何结构精度为0.1 mm，具有较高结构精度的刺绣天线往往会表现出优异的反射性能和增益，同时拥有良好的柔软性、机械强度以及耐疲劳性[23-24]。
Shah等[25]采用电脑刺绣机将镀银导电纱线刺绣到纺织基板材料上，制备了一种用于离体通信的三角形电子纺织线，如图4所示，该天线在弯曲条件下保持了稳定性，同时在安全水平下限制了特殊射频吸收率(Specific absorption rate，SAR)值，表明该天线适合于可穿戴应用。Wang等[26]开发了一种新型全身穿戴式天线。实验通过在穿戴这种纺织天线的全身模型身上进行模拟、测量，测试了身体对频率失谐和模式阴影等天线性能的影响，所测得的穿着天线辐射模式与3个波段在身体上不同位置的模拟吻合良好。徐姗姗[22]通过研究刺绣传输线的信号传输能力与导电纱排列的关系和刺绣工艺参数如何影响刺绣传输线的传输信号能力发现，相比于榻榻米针和直线针，周线针更适用于刺绣传输线的制作；
针迹间距较小、针迹长度相对较大的刺绣传输线传输信号的能力更好，但波动较大，同时刺绣张力较小的传输线传输信号能力较好。王蕊等[27]的研究表明针迹类型、针迹间距、针迹长度及刺绣张力对刺绣传输线的直流电阻均有显著影响，其中针迹间距对刺绣传输线直流电阻的影响最为显著。
图4 三角形刺绣天线
2.2 生物传感
生物传感是采用敏感元件获取目标生物体信号，再转换成为可视化数据的一种信号采集方法。生物电信号是生物体极易获取的信号之一，利用柔性电极采集生物电信号的技术已经较为成熟。目前采用刺绣法制备的电极在心电信号和肌电信号监测方面有较多研究，由于导电介质被放置在织物表面，因此刺绣法电极可以更好地接触皮肤[28-29]，刺绣电极/皮肤的结构模型及其等效电路如图5所示[30]。对于织物电极在服装上的定点放置，可以认为刺绣是一个理想的技术选择。刺绣电极具有很强的个性化定制功能，在用于健康监控时不仅能够极其便捷地集成到日常服装中，也能够通过刺绣图案设计美化服装外观，在智能可穿戴领域中用于监测人体生物电信号方面有极高的应用潜力。
图5 刺绣电极/皮肤的结构模型(左)和等效电路(右)
2.2.1 刺绣心电电极
心电信号是人类最早研究并应用到临床的生物电信号之一。通过长期监测心脏电学活动，分析心脏活动时心肌激动产生的心电图信号，可以预防心脑血管和心脏相关疾病的发生。若将织物心电电极与服装集合为一体，可以提高穿戴者在心电监测过程中的舒适性，能够实现长期无意识的心电连续监测[31-33]。刺绣技术已经是国内外研究者制备织物心电电极的主要方法之一。
Puurtinen等[34]采用刺绣法制备了5种不同尺寸的织物心电电极，如图6所示，电极直径分别为7、10、15、20 mm和30 mm，刺绣所用纱线为镀银涤纶纱线，通过研究电极尺寸对测量噪声的影响，发现噪声水平随着电极尺寸的减小而增加。刘振等[35]研究了不同尺寸、不同形状的刺绣型织物电极心电信号采集能力，发现织物电极的形状对采集信号过程中电流分布的均匀度影响并不大，但织物电极的尺寸对采集生物电信号强度有显著影响。董科等[17]以碳纤维/涤纶复合长丝为电极导电材料，开发了一种新型刺绣电极。通过与镀银锦纶/涤纶刺绣电极的电学性能进行对比发现，镀银电极虽然电学性能较优，但在长期心电信号监测中，碳基电极的阻抗变化与镀银电极相近。对比一次性银/氯化银(Ag/AgCl)医用凝胶电极，两种刺绣电极采集到的心电信号质量都很良好，均能满足医疗诊断需求。Xu等[36]在线密度为140 dtex的商用2股镀银复丝纤维上先电解沉积一层AgCl，目的是提高导电纱线的抗氧化性能，形成一种Ag/AgCl核壳结构，然后将这种预处理过的纤维刺绣到平纹织物上，制得圆形心电电极，经过心电测试实验证实该电极可以获得高质量的心电信号。胡瑶[37]以镀银纱线刺绣的方法制备了一种新的纺织结构心电电极，并在制作刺绣电极的过程中改变电极基底，对比了不同刺绣基底对电极性能的影响，经过实验发现，以聚丙烯酸无纺布为基底制备的刺绣电极由于具有良好的吸水性能和保湿性能，能够实现长期稳定地采集心电信号。Kannaian等[38]通过在聚酯织物上采用刺绣导电纱线来设计和开发纺织电极，以测量患者的心电图生物信号。该研究在100%涤纶面料上绣镀银尼龙线，采用缎纹针法，形成三个心形矢量，结果表明：电极阻抗的可接受值为1.45 MΩ/cm2，心电信号与一次性Ag/AgCl电极相似,老化测试表明电极性能的偏差可以忽略不计，洗涤后的结果表明电极的性能不受洗涤过程的影响，综合评价来看此种电极适合用于人体心电信号的连续测量。
图6 5种不同尺寸的织物心电电极
2.2.2 刺绣肌电电极
肌电信号(Electromyography，EMG)是众多肌纤维中运动单元动作电位在时间和空间上的叠加，频率范围约为2～500 Hz，信号幅度在50 μV～5 mV，具有微弱性、低频性和高阻抗性[39- 40]。表面肌电信号(Surface electromyography，SEMG)是浅层肌肉EMG和神经干上电活动在皮肤表面的综合效应，能在一定程度上反映神经肌肉的活动。与针电极EMG相比，SEMG在测量上具有非侵入性、无皮肤创伤、操作简单等优点[41]。因此，SEMG在临床医学、人机功效学、康复医学以及体育科学等方面均有重要的实用价值。
若将表面肌电信号传感器集成到纺织品中，用户只需正常穿着纺织品，传感器就会位于相应的监测位置。使用刺绣法而不是机织或针织方式，可以使电极的设计和形状更具有个性化，从而可以适应不同的应用和监测场景。Althoefer等[42]开发了一种集成了刺绣肌电电极的慢跑紧身裤，如图7所示，并成功地测试了在不同跑步状态人体肌肉的疲劳程度，与一次性Ag/AgCl医用凝胶电极相比，使用刺绣电极测量表面肌电信号会遇到更高的噪声水平，与预期的线性行为的相关性约为90%，然而力的变化仍然可以区分。实验结果表明使用刺绣肌电电极进行体力和步态分析等应用是可行的，其不仅可以为被监测者提供更高水平的舒适性和易用性，也能保证肌电信号的准确收集。
图7 慢跑紧身裤
2.3 物理传感
纺织品传感器可以提供压力、应力、温度和湿度等通用参数的评估，在结构监测和医疗保健方面有很大应用价值。目前国内外很多学者已经通过刺绣技术制备出效果良好的物理传感器。大多数物理传感器是基于对电阻和电容变化的测量，这些测量数据可以用于评估各种物理、生理过程和环境现象等[43]。下面将分别介绍刺绣技术在应变传感器、温度传感器、压力传感器3个方面的应用。
2.3.1 应变传感器
织物应变传感器的工作原理通常是根据结构变形中刺绣复合材料的电阻率变化来估计的。电阻式柔性应变传感织物在拉伸形变过程中，导电纱线之间的接触电阻或纱线自身会发生电阻变化，因此可将织物所受到拉力或应变转化为电阻变化信号，输出到信号处理装置，从而进行目标监测。
刺绣技术可以为织物应变传感器在结构监测方面提供相对针织和机织法更高效和低成本的解决方案，可以根据具体的结构和技术要求灵活调整设计和加工参数，并确保监测结构内部和物体表面的应力变化效果。织物应变传感器与智能服装的集合是一项具有发展前景的研究方向。Vena等[44]通过采用刺绣技术将共振散射体与导电线缝制在可伸缩织物上，开发了一种用于结构变形监测的无线无芯片传感器，如图8所示，两个散射体的组合可以在2D平面中检测应变，利用频率步进连续波雷达技术，能够检测出后向散射响应随频率的变化，雷达也可通过扫描两个正交偏振实现检测功能。
图8 无线无芯片刺绣应变传感器(左)及散射体放大图(右)
2.3.2 温度传感器
温度传感器可以实现对体温实时、准确的监测，在人体健康监护、疾病诊断及治疗等方面有着重要的作用[45]，在智能可穿戴领域有线温度传感器占有较大比例，关于智能温度传感器的研究近年来也逐渐增多。
Polansky等[46]采用刺绣法将导电线刺绣到载体面料上，研发了一种新型刺绣温度传感器，导电线由含有聚酯纤维的股线和一根电阻不锈钢微丝组成，刺绣结构呈螺旋形的曲折图案，如图9所示，该传感器主要应用于消防员或其他专业人员使用的智能防护服中，为他们提供热风险保护，如高温、火灾或烧伤。电阻温度系数和传感器灵敏度的计算值以及长期热稳定性测试的实验结果验证了该传感器在目标应用中的适用性。
图9 绣花温度传感器
2.3.3 压力传感器
压力传感器目前在运动、医疗保健和工程等领域有着广泛应用。刺绣式压力传感器不仅可以测量施加压力的大小，而且可以监测被测物表面上的压力分布情况。下面将分别介绍基于电容变化和摩擦电效应实现对压力感知的两种织物压力传感器。
Zhao等[47]采用刺绣技术开发了一种基于纳米摩擦发电机的织物压力传感器，该压力传感器具有优异的透气性，且刺绣所用的复合纱线为自主研发，纱线表面覆盖层成分为聚对二甲苯，纱线内芯是利用聚合物辅助沉积法得到表面镀铜的聚丙烯腈纱线，通过研究织造结构与传感器主要性能的关系还发现，纺织结构类传感器的灵敏度、工作范围和可洗性等都高度依赖传感器的纺织结构，不同纺织结构的纱线间形成的接触、初始力学状态和整体结构稳定性的表现的特征是不同的，因此可以通过适当的器件设计提高传感器性能。Meyer等[48]开发了一种空间分辨率为2 cm×2 cm的刺绣式电容式压力传感器，如图10所示，这种纺织传感器在0～10 N/cm2的测量范围内平均误差小于4%，该传感器通过集成到服装中来测量人体压力，应用涵盖所有需要具有高局部分辨率柔性传感器领域，如在康复和肌肉活动引起的运动检测方面，这种压力传感器在未来有望安装到内裤和坐垫上，以期能够实现测量臀部的压力分布，研究臀部压力和压疮迹象的关系。
图10 纺织压力传感器
2.4 其他刺绣类智能纺织品
除了上述三方面的应用，刺绣在智能纺织品领域还有其他一些重要应用，例如理疗纺织品和调温纺织品等。
近几年来，国内外的研究者们对于将理疗功能赋予到智能纺织品越来越感兴趣，理疗即物理疗法，是利用微弱的外在物理因素引起人的生理反应，通过这些反应影响人体的功能，实现克制病因、促进伤病的恢复等功能。智能理疗纺织品不仅能确保在医院外连续治疗，也能够帮助改善患者的生理和心理上的舒适度。经皮电刺激(Transcutaneous electrical stimulation，TES)便是一种常用于物理治疗或神经假体的技术，它的工作原理是将特定类型的电极放置在皮肤表面，然后从皮肤表面激活人体内的可兴奋组织，如神经细胞、皮肤受体、其他感觉器官或运动单位。针对不同的激活对象，工作电极的形状、大小及电极的其他配置都可按需调整。Keller等[49]开发了一种TES刺绣阵列电极，这种电极由多层织物组合而成，与皮肤接触的表层是由等离子涂层金属线刺绣而成的织物电极，第二层设计有电极布线，多层电极的结构是为了防止发生短路，如图11所示，且这种TES刺绣电极设计灵活、加工简便，很大程度地简化了电极阵列的制作工艺，所使用的等离子涂层金属线上的银涂层具有较高的稳定性，能够经受住多达30次的洗涤。
图11 经皮电刺激刺绣电极
智能调温纺织品也是一种很有市场的特殊纺织品，它能够实现在非正常外界温度环境中维持人体表皮适宜温度的功能，例如户外工作者或登山运动员，温控服装可以在高温或严寒天气中保障其生命安全，避免发生中暑、失温等危险情况。李思明[16]开发了一种智能温控夹克，能为人体提供适宜的温度环境，采用刺绣技术在腹部、胸部、背部、颈部和耳朵部位制备了用复合金属线制作的刺绣电路，用来加热户外夹克，刺绣技术可以针对夹克的每个应用部分定制最合适的形式，这种刺绣纺织品可以方便而不显眼地嵌入到衣服上的任何地方，形成任何所需的形状。由于该设计具有体积小、重量轻、灵活性和透气性等优点，佩戴者也会感觉到更加舒适。
综上，刺绣技术在智能纺织品上的应用十分有发展潜力，不仅具有强大的个性化定制和便捷的织物表面美化装饰功能，还具有良好的工艺再现性和结构尺寸稳定性等优点，可确保设计产品的快速成型，推动新型智能纺织品的量化生产。但刺绣技术在智能纺织品的应用中仍存在导电绣花线供给种类单一、打版软件功能对智能纺织品设计适用性不足等问题，最重要的是推进刺绣与医学、电子、通信、材料、纺织等学科的领域合作，不断增强、不断完善产品的功能性与实用性。在此进行了以下几点展望：
a)国内外对刺绣专用导电纱线的研究较少，加强对刺绣用导电纱线的研究与开发，对提高刺绣技术在智能纺织品中的应用具有重要意义。刺绣纱线不仅需要优良的导电性，还需具备足够的韧性与光洁度，导电材料的选择也需要符合生物安全规范。
b)刺绣打版软件的功能是针对普通绣花花样设计便捷性而开发，存在对智能纺织品设计适用性不足的问题，鉴于刺绣技术在智能纺织品的应用价值和广泛性，可以按照智能纺织品的应用领域分类，开发用于设计智能纺织品的刺绣打版软件和刺绣装置，提高设计制备智能纺织品的效率、工艺灵活性和产品质量。
c)在生物传感方面，通过刺绣技术的跨领域合作，研究出线路噪声更低、运动伪迹对检测结果影响更小的生物医用织物电极，目前大多智能纺织品还存在重复性低和稳定性不高的问题，制约了纺织传感材料的直接应用。因此，设计和开发高性能智能纺织品是需要重点研究的方向。
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