Science Advances | 东京大学联合理化研究所开发可穿戴织物：全新同轴屏蔽纱线技术可显著提高智能服装的抗噪能力

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对于可穿戴技术而言，终极目标之一是无感、精确地捕捉人体的生物信号。然而，理想与现实之间一直存在一道难以逾越的鸿沟——噪声。mV级、微弱的肌电信号（EMG）在传输过程中，极易受到来自外部电磁场、身体动作甚至他人触碰的干扰，导致信号失真，变得难以解读。这使得大多数“智能服装”要么只能要求使用者做无外部干扰状态下粗略测量，要么需要佩戴繁重、僵硬的传感器模块，牺牲了舒适性和自然性。

一项来自东京大学和理化学研究所（RIKEN）的新技术，10月15日在《科学进展》（Science Advances）上发表，为这个问题提供了一个优雅且极具潜力的工程解决方案：通过将高保真屏蔽电缆的原理微缩并融入可拉伸的纺织物中，开发了一种基于同轴屏蔽导电纱线的全身肌电监测系统。这项技术的核心，是将传统用于精密仪器的高保真屏蔽电缆，变成了一种可以像普通纱线一样编织、拉伸和穿着的“智能线”。解决了长期困扰可穿戴生物传感器的“噪声”难题。这项创新可能将精确的人体机能分析，从实验室真正带入运动场、康复中心和我们的日常生活。

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核心技术：为生理信号打造一条“降噪”高速公路

传统肌电图监测通常需要将电极直接贴在皮肤上，并通过短而粗的屏蔽线连接到附近的放大器，以最大限度地减少噪声。这种方法在实验室中行之有效，但在需要覆盖全身或进行剧烈运动的真实场景中则显得笨拙不堪。如果将线路延长并集成到衣物中，这些“天线”般的长导线会不可避免地拾取各种环境噪声。

论文团队的解决方案是重新设计信号传输的载体——纱线本身。他们创造了一种微型的、可拉伸的同轴电缆结构。

同轴屏蔽纱线的核心结构包括三层：

信号芯线（Signal Yarn）： 内部是一根市售的、本身具有良好导电性和弹性的导电纱线，负责传输从肌肉处采集到的微弱肌电信号。
绝缘层（Insulating Layer）： 中间层是热塑性聚氨酯（TPU），通过熔融纺丝工艺均匀地包裹在信号芯线外部，将信号与外部屏蔽层进行电气隔离。
屏蔽导体（Shielding Conductor）： 最外层是该设计的关键。研究人员将含有银片的氟弹性体导电油墨，通过浸涂工艺涂覆在绝缘层之外，形成一个可拉伸的导电屏蔽层。这个屏蔽层接地后，能有效地捕获并泄放外部的电磁干扰，如同一个保护罩，确保内部信号芯线的纯净。

图2：同轴屏蔽纱线的微观结构。

扫描电子显微镜（SEM）下的纱线横截面图清晰地展示了其三层结构：中心的导电纱线（信号线），中间的聚氨酯绝缘层，以及最外层的屏蔽导体。

这种设计的巧妙之处在于，它在微米尺度上复制了宏观屏蔽电缆的功能，同时保持了纺织物的核心特性——柔软和高弹性（可拉伸超过120%）。实验数据显示，这种屏蔽效果极为显著。在高达36千帕（kPa）的外部按压下——相当于用力按压纱线，其噪声水平依然能维持在0.1毫伏（mV）以下。相比之下，没有屏蔽层的普通导电纱线，在同样情况下噪声会急剧上升，完全淹没有效的肌电信号。

应用前景：从康复辅助到精英运动分析

这项技术的强大之处在于它在真实、动态且充满干扰的环境中的卓越表现。

在论文中，研究人员展示了两个极具说服力的应用场景：

1. 复杂上肢运动监测

研究人员让测试者穿戴集成该纱线的臂带，监测肩部三角肌的活动。在“被动运动范围”（Passive Range of Motion）测试中，由另一人辅助移动测试者的手臂。此时，辅助者的身体接触会给传统传感器带来巨大的噪声。结果显示，无屏蔽的纱线所采集的信号几乎被噪声完全污染，无法分辨肌肉是否在活动。而采用同轴屏蔽纱线的系统，即使在直接的身体接触下，依然能清晰、准确地记录下三角肌随着手臂角度变化的细微电活动。这在物理治疗和康复监测领域具有巨大价值，治疗师可以在不干扰信号的情况下，辅助患者进行康复训练并获得精确的肌肉反馈。

图3：有无屏蔽层在“被动运动”中的信号对比。

上图为无屏蔽纱线的信号，在辅助者接触时（P-1至P-4阶段）基线噪声显著升高。下图为采用同轴屏蔽纱线的信号，基线稳定，清晰地反映了肌肉活动。

而在“主动运动”的情况中，同轴屏蔽纱线的肌电采集性能与无屏蔽线路相当，均可实现高精度测量，噪声水平始终低于0.1mV。

2. 动态下肢运动分析

研究人员制作了一套智能紧身裤，在股四头肌、胫前肌、腘绳肌和小腿三头肌等八个关键肌肉群上放置了电极。测试者穿着它进行了原地纵跳、慢走和高速跑步等剧烈运动。系统成功地捕捉到了这些复杂动作中各个肌肉群的激活顺序、强度和协调模式。例如，在跑步时，可以清晰地看到左右腿肌肉交替发力的节律。这种覆盖大范围、多肌肉群的同步高保真数据，对于运动员的技术分析、训练优化和伤害预防，以及人体工效学研究，都是前所未有的强大工具。

图4：跑步过程中的多肌肉群肌电信号。

产业化与市场竞争

产业化前景：

这项技术走向市场的路径相对清晰。它依赖于一些成熟的工业技术，如自动化针织、熔融纺丝和浸涂工艺，这为规模化生产奠定了基础。核心材料，如导电纱线和TPU，也已商业化。

主要挑战在于提高生产效率，特别是屏蔽层的多次浸涂和退火过程。研究团队提出，使用挥发性更强的溶剂和开发自动化涂层系统是可行的解决方案。此外，要成为一款成功的消费级产品，还需解决耐用性和可洗涤性（论文建议增加橡胶外层来保护屏蔽导体）、长期穿着的舒适性（如集成排汗和温度管理功能）以及实现无凝胶干电极的稳定连接等问题。

市场竞争格局：

目前市场上的肌电监测方案主要分为三类：

实验室级设备： 如Delsys、Noraxon等公司的系统，精度最高，但设备昂贵、操作复杂，将人限制在实验室内。
便携式无线模块： 如MyoWare或一些商用无线EMG传感器，它们将单个或少数几个通道的传感器做成小型模块贴在皮肤上。虽然便携，但当需要监测多个肌肉群时，身上需要贴满模块，既不方便，其重量和体积也会干扰自然运动。
其他智能纺织品： 此前已有不少智能服装的尝试，但大多受困于信号质量问题，尤其是在长距离布线和动态干扰环境下。它们通常只能用于心率、呼吸等相对较强的信号监测，或仅用于肌肉活动的粗略定性评估。

与这些方案相比，论文作者团队的技术核心竞争力在于首次将实验室级的信号保真度与全身覆盖、穿着舒适的纺织品形态完美结合。它不是在衣服上“附加”传感器，而是让衣服本身成为高精度的传感网络。

分析与评论

这项研究的真正突破性意义，不在于又创造了一件新奇的“智能服装”，而在于它从应用的角度实际考虑了微型纺织线路的电磁干扰工程问题——这一在宏观线缆的医疗应用领域极其常见的情况，并解决了阻碍大型可穿戴生物传感网络发展的物理学难题——信号完整性。通过将同轴屏蔽结构微型化、柔性化和纺织化，研究人员成功地将高保真仪器的设计哲学“编织”进了衣物里。

这带来的影响是深远的。高精度的生物力学和电生理学分析，是提供有效医疗的基础：

在体育领域，教练可以实时看到运动员在赛场上每一次发力的肌肉协调细节，进行精准的技术指导。
在医疗康复领域，中风或术后患者可以在家中进行康复训练，医生可以远程获取他们精确的肌肉恢复数据，并调整方案。
在人机交互领域，它可能催生出更无缝、更直观的控制方式，例如通过肌肉的细微意图来控制假肢、外骨骼，甚至是虚拟现实中的化身。

当然，从实验室原型到人人可穿的商业产品，依然有成本、耐用性、数据解读等一系列工程和商业挑战需要克服。但这项工作无疑为整个领域指明了一个清晰、可行的方向。它证明了，通过巧妙的材料科学和结构工程，未来的智能服装可以不再是记录步数的“玩具”，而是能够读懂人体复杂语言的严肃科学工具。

▼参考资料

[1] Sunghoon Lee et al.,A body-scale textile-based electromyogram monitoring system with coaxially shielded conductive yarns.Sci. Adv.11,eadx4518(2025).DOI:10.1126/sciadv.adx4518