[論文レビュー] Multi-material Direct Ink Writing and Embroidery for Stretchable Wearable Sensors

Lukas Cha, Ryman Hashem+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2026

Advanced Sensor and Energy Harvesting Materials被引用数 0

ひとこと要約

この論文は、シリコーン–カーボン系グリースのストレインセンサをテキスタイル上に直接印刷し、自動刺繍で機械的固定と電気的インターフェースを組み込むハイブリッド製造ワークフローを提案する。伸縮性のあるウェアラブル動作センシングを実現し、機械的耐久性、60%ひずみまでの線形応答、肘・膝関節角度モニタリングへの適用を示す。

ABSTRACT

The development of wearable sensing systems for sports performance tracking, rehabilitation, and injury prevention has driven growing demand for smart garments that combine comfort, durability, and accurate motion detection. This paper presents a textile-compatible fabrication workflow that integrates multi-material direct ink writing with automated embroidery to create stretchable strain sensors directly embedded into garments. The process combines sequential multi-material printing of a silicone-carbon grease-silicone stack with automated embroidery that provides both mechanical fixation and electrical interfacing in a single step. The resulting hybrid sensor demonstrates stretchability up to 120% strain while maintaining electrical continuity, with approximately linear behaviour up to 60% strain (R^2 = 0.99), a gauge factor of 31.4, and hysteresis of 22.9%. Repeated loading-unloading tests over 80 cycles show baseline and peak drift of 0.135% and 0.236% per cycle, respectively, indicating moderate cycle-to-cycle stability. Mechanical testing further confirms that the silicone-fabric interface remains intact under large deformation, with failure occurring in the textile rather than at the stitched boundary. As a preliminary proof of concept, the sensor was integrated into wearable elbow and knee sleeves for joint angle monitoring, showing a clear correlation between normalised resistance change and bending angle. By addressing both mechanical fixation and electrical interfacing through embroidery-based integration, this approach provides a reproducible and scalable pathway for incorporating printed stretchable electronics into textile systems for motion capture and soft robotic applications.

研究の動機と目的

• スポーツ医学とウェアラブル技術のためのテキスタイル適合の伸縮センサの製造を動機づけ、可能にする。
• センサを布地へ直接統合するハイブリッド印刷–刺繍ワークフローを開発する。
• 繰返し荷重と動作適用下での機械的・電気的・耐久性を評価する。

提案手法

• シリコーン–カーボン系グリースの多材料直接インク書きにより、プリンタープラットフォーム上に抵抗式ストレインセンサを成形する。
• センサを機械的に固定し、導電糸で電気的インターコネクトを作る自動刺繍。
• 引張試験と繰返し荷重で抵抗とひずみの関係、線形性、ヒステesis、ドリフトを測定。
• モノトニックな伸長限界試験で最大伸長性と破断モードを決定。
• 肘・膝サポーターで、OpenCVの基準値に対する関節角度に伴う抵抗変化を較正。

Figure 1: (1) Multi-material direct ink writing of silicone and conductive ink to form a soft, stretchable strain sensor. (2) Automated embroidery mechanically anchors the printed sensor to a textile substrate while simultaneously creating electrical interconnects. (3) The integrated system enables

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直接インク書きの多層シリコーン–導電インクセンサを刺繍でテキスタイルへ頑強に組み込み、固定とインターコネクトを両立できるか。
• RQ2 繰返し変形下でのセンサの機械的・電気的性能（線形性、感度、ヒステesis、ドリフト）はどうなるか。
• RQ3 統合センサはウェアラブル衣料で正確な関節角度を測定できるか。
• RQ4 刺繍・繊維統合センサの反復ひずみによる破壊モードと耐久性の限界は何か。

主な発見

Metric	Value
Linearity R²	0.990
Sensitivity	31.42
Hysteresis [%]	22.90
Stretchability [%]	120
Rel. Baseline Drift/Cycle [%]	0.135
Rel. Peak Drift/Cycle [%]	0.236

• センサは120%の伸長性を示し、約60%ひずみまで直線的応答（R² = 0.99）。
• ゲージファクターは31.4、ヒステesisは22.9%。
• 80サイクルの繰返し荷重で基線ドリフトがサイクル当たり0.135%、ピークト driftが0.236%/サイクル。
• 伸長破壊は120%ひずみで発生するが、製造界面は健全のまま、布地が先に破れる。
• 肘・膝のデモは関節角度と正規化抵抗変化が相関、膝のMAPEは約17–18%、線形領域は約60%ひずみで制限。

Figure 2: Fabrication and integration of the printed strain sensor. (a) Direct ink writing process of the sensor (b) Embroidery step used to stitch and mechanically anchor the printed sensor to the fabric. (c) Front view of the integrated strain sensor showing the printed and stitched structure. (d)