基于兒童安全的智能服裝系統研發模式

薛哲彬， 沈雷， 任祥放

(1.江南大學 紡織服裝學院,江蘇 無錫 214122;2.江南大學 江蘇省非物質文化遺產研究基地，江蘇 無錫 214122)

基于兒童安全的智能服裝系統研發模式

薛哲彬1,2， 沈雷1,2， 任祥放1

(1.江南大學 紡織服裝學院,江蘇 無錫 214122;2.江南大學 江蘇省非物質文化遺產研究基地，江蘇 無錫 214122)

根據兒童身心的特殊性及人機交互理念，對兒童智能安全服裝的研發模式進行探討，提出一個切實可行的研究模型。根據消費者對童裝的多維度需求，結合智能元件的性能，探討智能可穿戴裝備與兒童安全服裝的結合方式，提出兼顧功能及美感的設計流程架構；通過對智能服裝與移動終端連接技術的分析，提出從單一式交互到多設備共聯的思想，建立基于能源優化配置和高效率信息傳輸的多交互式智能可穿戴設備研發流程。

兒童安全；智能服裝；多維度需求分析；智能交互

近年來，工業設計領域出現了智能可穿戴設備熱潮。智能可穿戴設備[1]是應用穿戴式技術對人們日常穿著、攜帶的產品進行智能化設計,開發出可穿戴設備的總稱，如時下流行的各種帶有智能概念和功能的眼鏡、手套、手表、服飾等。借助于各種智能設備，消費者在生活、工作中獲得了前所未有的便利。然而，任何一種智能可穿戴設備都不可能是全能的。目前，科研人員主要是針對特定人群，開發能解決特定問題的產品。兒童安全一直是全社會關注的熱點，但是兒童的生理弱勢決定了任何傳統的針對成熟肢體的安全設備都很難適應兒童需求。如何一方面為兒童提供適當的監護，另一方面不影響兒童健康成長和日常生活所必需的舒適性是兒童安全服裝設計的重要課題。而智能可穿戴設備研發的熱潮為兒童安全服裝的設計提供了更廣闊的空間。

文中通過對人機交互式可穿戴裝備的多維度需求、智能可穿戴裝備與兒童服裝結合方式以及智能可穿戴裝備與移動終端的多交互式三方面的研究成果進行分析歸納，試圖提出智能可穿戴裝備與兒童安全服裝結合的系統研發模式，希望為互聯網時代的兒童安全服裝設計與生產提供切實有效的理論指導。

1 智能可穿戴研究關鍵技術與發展現狀

智能可穿戴研究的發展與纖維、材料學的進步密不可分。近年來，各種由新型纖維經過特殊織造技術研制成的智能紡織材料(Smart textile)成為智能可穿戴領域(尤其是智能服裝領域)的主力軍[2]。Mondal S[3]利用相變材料和微膠囊技術生產智能紡織品，使其具有儲熱調節性能，可以大大提高穿著舒適性。Coyle S等[4]研發的智能Nano-textiles擴展了環境與服裝、織物的功能性和潛力。通過納米纖維研制的智能紡織品具有自動清洗、傳感、驅動和交流功能，佩戴者和周圍環境可以無害的方式進行溝通;同時系統還能不斷更新個人健康狀況或抵御環境危害。Shim B S等[5]通過用聚電解質包覆碳納米管制成人類生物監測智能電子紗線耐磨面料。這種材料與智能可穿戴設備的結合可用于血原蛋白的監測和遠程信息的傳輸。Lymberis A等[6]發現了智能織物和交互式紡織品的纖維狀結構，用于感知、驅動、發電、儲能及交互。Radetic M[7]提出銀納米顆粒與紡織纖維混紡為紡織品，電流可通過設置的具體纖維線路與可穿戴設備連接。Park S等[8]提出基于智能紡織品設計的可穿戴式生物醫學系統，通過增強實時生物醫學監測效果，提高個人的生活質量。

除了將導電元件與纖維結合并織造成智能紡織材料，還有一種更為典型的智能紡織品技術是將成形的服裝作為載體與智能模塊有機結合，配合特定通信技術，建立人體與外界的信息互通，從而實現相應的人體輔助功能[9]。此類研究主要涉及的是智能服裝技術。一個完整的智能服裝系統通常包括3個組成部分，智能模塊(包括智能(傳感)元件、信號傳輸系統、能源模塊等)、功能載體(服裝)、信息處理模塊[10]。智能模塊可用于獲取人體數據，同時也可將外部的信號傳遞給人體，實現人體與外部環境的雙向反饋，是智能服裝執行其特定功能的關鍵模塊；服裝是智能可穿戴技術的載體，因其與人體密不可分的關系，智能服裝在人機互動性(Human-machine interaction)上有著其他智能產品無法比擬的優勢；信息處理終端是智能服裝的大腦，承擔著對智能原件傳輸數據進行收集、分析、決策的任務。

近年來，智能服裝技術發展十分迅速。Park S等[11]提出將微型監控設備和傳感器植入普通襯衫,使遠程醫療監控成為可能；M?ntyj?rvi J等[12]探討了系統研究智能服裝和可穿戴設備的方法;Radetic M[13]提出可穿戴式天線的設計，為穿著者提供全方位的監測和通信。D-Shirt運動服[14]是法國Cityzen Sciences公司研發的高科技運動服裝，其面料嵌入的傳感器與藍牙收發器相連，可跟蹤用戶活動，并將收集的數據傳輸到智能手機中。收發器取出后，可洗滌、熨燙，運動服質量和普通T恤并無區別。不少公司推出老年智能服裝，將智能手機、傳感器、定位元件等結合起來，通過無線通信手段(如藍牙等)存儲并處理信息，為老年人提供實時安全保護[15]。LI Hongqiang等[16]研究一種新型智能服裝的可穿戴式傳感器，用于人體溫度測量；英特爾公司聯手服裝設計師Chromat推出可根據用戶的提問、腎上腺素或壓力水平變形的所謂“響應式服裝”[17]；丹麥設計公司Ohmatex設計出一種智能襪子，能夠檢測腿腳水腫，提前預測心臟衰竭和癲癇先兆[18]。

兒童因其身心特殊性，屬于相對弱勢群體，是智能可穿戴設備的重要服務對象。目前市場上可見的針對兒童的智能裝備主要是從安全監護的角度出發，如帶有定位功能(即防走失功能)的智能書包、鞋、腳環、手表、電話，尿濕感應短褲，嬰幼兒生命體征監護內衣、睡衣等[19]。另有一些智能可穿戴設備側重于關注兒童的心理成長，如會講故事的T恤、會發光的裙子、會唱歌的睡衣等[20]。各類兒童可穿戴產品的相繼問世體現了整個社會對兒童身心健康的關懷與重視。然而，目前出現在市場上的兒童可穿戴產品大多功能單一，質量參差不齊[21]；其他稍有前瞻性的產品也因為技術尚不成熟，或不甚適應兒童的實際需求而無法體現其應有的價值。除此之外，智能配飾的市場占有量遠超過智能服裝。這也從某種程度上揭示了當今智能可穿戴產品的技術瓶頸。因為，相比智能配飾(如手表，鞋襪，配飾等)，智能服裝在開發過程中還需要考慮技術與服裝的相容性，需要在滿足特定功能的前提下，保證服裝的基本服用性能(這一點很難實現)，這對于兒童智能服裝而言尤為重要。由于嬰幼兒身心發展尚不成熟，相對于成年人，他們對服裝的舒適度及安全性要求更高，這無疑增加了智能服裝開發的難度。至今，兒童智能安全領域尚未出現一套系統的、具有較高可行性的研發模式(或思路)為智能可穿戴技術與兒童服裝安全性研究的良好結合提供指導。

2 基于兒童安全的智能服裝研發模式

在廣泛的市場調查以及對以往及現有相關研究深入剖析的基礎上，文中提出了兒童智能安全服裝研發所涉及的3個主要方面，即兒童智能安全服裝的需求，智能可穿戴元件與兒童服裝結合方式及智能兒童安全服裝信息交互方式。

2.1 兒童智能安全服裝的需求

智能服裝的研發屬于典型的人因產品設計(Human-centered Product Design)[22-23]。其研發過程中很重要的一個環節是對產品使用者(即智能服裝穿用者)的多維度需求(Multi-dimensional need)即人的因素(Human factor)進行深入調查與分析。只有準確把握使用者的需求，才能設計開發出令人滿意的產品。兒童智能安全服裝的研發需要考慮到穿用者(兒童本身)、其監護人(家長)以及社會對產品在服用性、功能性、安全性、美觀度，以及社會接受度等多方面的需求。

具體地，智能服裝作為一類特殊的功能性服裝，首先需要滿足設計者對其預設各項功能的要求，同時保證智能元件安裝的穩定性、交互的便捷性、信息傳達的有效性、數據采集的準確性、能耗的持久性等。其次，由于智能服裝與人體結合的緊密度，智能服裝的設計還需要滿足其作為服裝本身所應具備的各項基本特性，如舒適性、美觀性、安全性、耐用性(如洗可穿性)[24]，有時甚至還需考慮智能穿戴及其使用行為的社會接受度等。

兒童智能可穿戴產品的研發往往從安全監護的角度出發。所謂安全監護不僅涵蓋生命安全的監護，還包括對兒童心理健康成長的關注。前者包括各種有助于防止兒童走失、受傷及得病的智能可穿戴產品，而后者則包括各種給兒童帶來心理撫慰及智趣引導的產品等。因此，基于兒童身心的特殊性，兒童智能服裝的研發在滿足其功能性、服用性等要求以外，還需考慮信息互動的可視化程度，電子元件的安全等級(比成人要求更高)等一系列特殊要求。

就研究方法而言，需求研究分需求的獲取和需求的分析兩個方面。獲取需求的方法除了文獻學習(literature study)以外，最常用的是一些心理學的研究方法，如調查問卷，個人訪談，專家討論等。在此基礎上，需求分析是對所獲得的定性的(Qualitative)或者定量的(Quantitative)需求數據通過分析總結或者數據挖掘的方法進行研究，最終提煉出對后續工作具有指導意義的一系列研究依據[25-26]。

2.2 智能可穿戴元件與兒童服裝結合方式

智能可穿戴設備按佩戴方式，主要可以分為頭戴式、腕帶式、攜帶式和身穿式4類[27]。無論是哪種設備，研究目標都是在滿足元件預設功能的前提下，根據兒童生理、心理及生活情境的特殊性，提高產品的便攜性、可穿戴性(某種程度上，即舒適性)以及服用性能。

智能服裝屬于上述智能可穿戴設備的第4類，也是相比之下實現難度更高的一類智能可穿戴設備。目前，大多數智能服裝是以傳感器為基礎元件。隨著傳感器集成性、功能性和智能化的提升，可穿戴元件的位置已不僅僅局限在人身體的某個部位，而正在向全身布局，使其除了信息交互和通信外，更具備了醫療意義，甚至具備了對外部環境、建筑等數據的收集、監控和傳輸功能[28]。

如何將智能可穿戴元件與服裝合理結合，從而在發揮特定功能的同時令穿著者感到身心舒適，是智能服裝研發的關鍵和難點所在。文中提出了如圖1所示的研究思路。簡單地說，智能兒童安全服裝研究的出發點是滿足兒童在特定安全情境下對服裝的多維度需求。經過分析總結，除去元件本身的功能性，本研究提出了智能元件與兒童安全服裝相容性的6個指標，即外觀接受度、生理貼合度、生理有害度、穿著舒適度、對活動的妨礙度以及對元件的安全性及可靠度的考慮。于是，智能兒童安全服研發的關鍵即是在全面考慮這6個技術指標的基礎上，根據所需實現的功能即研發構想選擇合適的智能可穿戴元件(功能類型、性能參數、形狀、大小等)，必要時對元件進行合理改造，而后探索其與兒童服裝的具體結合部位和結合形式。

智能服裝系統以服裝為載體，以智能可穿戴元件為功能實現模塊。為了將功能模塊與載體有機結合，研究者需要運用到服飾美學，生理、心理學、人體工學、電子信息學等多學科知識。

關于智能元件與服裝結合方式的研究是智能服裝設計的中心環節，在所提出的整個研發模式中起著承上啟下的作用。

2.3 智能兒童安全服裝信息交互方式

隨著智能手機和平板電腦(PAD)等移動終端的普及，大多數可穿戴式智能設備依托移動終端進行數據的傳輸和分析，傳感器檢測節點與移動終端一般是通過短距離無線傳輸的方式進行數據通信，如低功耗藍牙(Bluetooth),ZigBee,WiFi等。智能可穿戴設備和移動終端的交互方式通常是單一化的，即僅傾向于建立設備與移動端之間單一的連接，信息共享程度較低(直接導致低下的信息利用率)，從而影響智能產品的功能最大化。因此，為了更好地實現智能信息處理效率從而最大程度地為特定人群(設備穿戴者)服務，有必要對信息在智能設備間、 智能設備與移動終端間的傳輸和交互方式進行多樣化研究，即對多交互方式(Multi-interaction)的研究。為此，文中提出了如圖2所示的智能服裝研究框架。

圖2中整個框架由3部分組成：功能端、分析端及共享端。功能端即智能元件與服裝的結合端，是整個智能服裝的功能實現單位，負責信息的檢測和反饋。其中各類傳感器成為功能端的重要組成部分，同時也是整個智能服裝系統的核心元件之一。分析端即信息終端，是對智能元件傳輸數據信息進行讀取及分析的單位。如果把智能服裝系統視為人的神經系統，功能端是感受器官(傳感器即感受器Receptor)，分析端則是神經中樞(大腦)。功能端與分析端的信息互通通過各種有線、無線通信技術，如目前常用的近場(NFC、iBeacon技術等)、遠場通信方式(藍牙、FM技術等)實現。信息從智能元件(傳感器等)經過通信網絡傳輸到分析端，如同感覺信息從感受器通過感覺通路(Sensory pathway)傳入大腦一般。市場上常見的信息終端有手機、手表、手環、移動PC端、平板電腦等。目前，大部分智能可穿戴設備都是由功能端和分析端組成。

在此基礎上，文中提出智能服裝系統的第3個重要模塊，即共享端。通常，一對一(即一個功能端、一個分析端)的信息交互模式導致信息利用率較低。共享端可以是遠程的服務器，也可以是虛擬的數據中心。共享端的作用包括兩個方面；①通過通信手段使多個數據終端互聯形成多交互式網絡，最大程度地實現信息互通，提高信息利用率。具體地，移動終端通過內部決策模塊(如智能手機內安裝的具有各類功能的App應用)的作用，對信息作出適當的決策和反饋。反饋信息會通過預先設定的模式在在無線網絡中分享到預先關聯的網絡社區上，即不同類型的移動終端，或為多設備共聯，實現信息共享。通過共享端，智能設備所獲取的信息將可以輕松分享給朋友，家人，醫療機構等。信息共享的意義不僅在于提高信息的利用率，還意味著智能服裝的可控性和安全性也隨之提高。②共享端的存在還意味著智能服裝的分析端得以擴展。共享網絡不僅可以把分析端的信息分享給不同的用戶，還可以將不同的智能系統互聯，實現智能服裝功能的最大化。不同分析端的數據通過交互技術匯總在遠程數據中心形成海量數據庫。根據統計學原理，一定程度下，樣本容量越大，分析結果的準確度(Accuracy)和可靠性(Reliability)越高。擴展后的分析端能夠更大程度提高智能服裝系統的決策精準性(Decision precision)。在如今的大數據時代，云計算等海量數據存儲及分析技術是建立智能服裝系統共享端的理想手段[29-30]。

以上框架適用于不同類型的智能服裝、智能可穿戴設備的研發。基于著裝者的身心特殊性，研發者在智能交互方式的設計中還應考慮以下幾個方面因素：①限于兒童較差的情境判斷能力及感知表達能力，兒童智能服裝應該加強輔助決策、實時監控、自動反應等功能的設計。②智能服裝通常配備各類電子元件，在運作過程中極易產生聲、光、電污染，從而對人體產生傷害。兒童身心嬌弱，尤其易受侵害。因此，兒童智能服裝的研發應該對元件的安全性提出更高的要求，尤其在信息交互方式的設計中，應考慮使用低功耗、低輻射的元件。③針對兒童的心理需求，智能服裝在人“衣”交互方式和交互界面的設計中應該盡量遵循簡便、美觀、童趣等原則。

2.4 智能兒童安全服裝研發模式的構建

文中提出如圖3所示的兒童智能安全服裝研發模式。

圖3模式遵循了“需求決定設計” (Needs determine design) 的基本原則。首先，根據智能童裝的功能需求，綜合考慮兒童穿用智能安全服裝的多維度需求，即需求研究。在需求分析的基礎上，制定兒童智能安全服裝研發的技術(設計)指標，探討智能元件與童裝的結合方式，即確定兩者結合的形式、位置等具體設計參數。將功能性、設計美感以及舒適性有機融合，設計研發符合兒童身心特殊性及服用需求的智能服裝。研究模式的第3部分涉及交互方式研究。童裝的智能元件通過各類通信技術(近場或遠距離傳輸技術)與智能服裝系統的分析端互聯實現信息交互，完成預設功能；同時為智能服裝系統設置共享端，將分析端數據通過通信網絡分享到更廣泛社區(Community)，實現不同信息終端共聯，提高信息的利用率，增加智能服裝系統的可控性和安全性，還將實現不同智能服裝系統的共聯。海量信息中心的建立配合大數據分析手段，將大大提高智能服裝系統的決策效力和功能性。

整個研發模式的最后一個環節至關重要，即對研發所得的兒童智能安全服裝進行效能評測，驗證其是否滿足了研發初期制定的各項指標及構想。測評環節包含兩部分內容：①服裝的功能性測評。研究者需要從客觀、機械的角度，對產品的功能性指標進行測試評價，即測試方法由智能服裝系統各功能模塊的性質和功能決定。如果智能系統的預設功能是對著裝者進行生命體征檢測，那么此測評環節需要在真人(或模擬真人)著裝的條件下，對各傳感器(如溫度、心跳、血壓傳感器等)的工作狀態，分析端數據的精度，信息反饋系統的效率和準確度等進行評測。②舒適性測評。智能服裝系統是以服飾為基本載體，故需要滿足穿用者對其身心舒適性方面的各項要求。感官評估研究(Sensory evaluation)是舒適性測評常用的方法[31-32]。感官實驗參與者通常包括紡織品(服裝)設計、生產領域的專家以及普通穿著者。前者從專業的角度(如生理學、心理學及人體工程學等)對服裝設計及制作的合理性進行評價；后者從自身需求的角度對服裝的美感及舒適度進行評價。文中研究對象為兒童，通常不具備成熟的感知表達能力，故需要設計一套適用于兒童的感官實驗方法，同時根據兒童的身心特殊性，還需采取兒童感知與家長干預相結合的方式獲取著裝者對服裝的美感及舒適度的感知評價。

如果產品滿足研發構想，則研發終結；如果產品未通過測評，則研究者須分析問題存在的具體環節及原因，并對出現問題的具體技術指標進行再設計，直至指標符合要求為止。

3 結語

基于對智能可穿戴設備的發展現狀和趨勢的把握，文中提出了兒童智能安全服裝研發的一般模式。整個模式遵循“需求決定設計”的基本理念。

1)將智能服裝穿用者(在此為兒童)的需求作為研發的動力。把握兒童著裝者的多維度需求，并將其轉化為關鍵技術參數。

2)對智能服裝進行設計。根據功能指標對智能元件進行選取和合理改造，探尋元件與載體(即安全服裝)的結合方式，令產品兼備“功能性、美感、舒適性”。

3)對智能服裝系統的信息交互模式進行設計。包括功能端(智能服裝)與分析端的一對一的信息交互設計(信息傳輸與分析反饋)，多設備共聯設計實現智能服裝系統的多交互式控制，在提高信息的可控性、安全性以及利用率的基礎上，通過海量數據存儲與運算技術改善智能服裝系統的決策精度及效率。

4)對所研發獲得的智能服裝進行功能性和舒適度兩方面的驗證。

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(責任編輯：邢寶妹)

Study on Research Mode of Intelligent Safety Clothes System for Children

XUE Zhebin1,2， SHEN Lei1,2， REN Xiangfang1

(1.School of Textile and Clothing,Jiangnan University,Wuxi 214122,China;2.Jiangsu Non-Material Culture Heritage Laboratory,Jiangnan University,Wuxi 214122,China)

Based on the distinct features of children's physical and psychological needs,and the principles of human-machine interaction,the current study is aimed to propose a scientific and systematic model for the design of intelligent and interactive wearable device for children.The current study collected and analyzed consumers' multi-dimensional needs towards children's intelligent wearable devices.The interactive methods as well as their different features have been studied between intelligent wearable devices and human body.Based on our various physical and psychological needs for children's safety clothes,and the different features of various intelligent components,the method that can well integrate each intelligent wearable device and children's safety clothes has been studied.A set of design principles have been proposed to meet consumers' need on the realization of good function,comfort and aesthetic satisfaction during the production of children's safety clothes.On this basis,a so-called multi-interactive communication method has been proposed to communicate the information between intelligent wearable devices and mobile terminals.The development of this method can lead to the best use of the available intelligent resource and the high efficiency of information communication during the work of an intelligent safety clothes.It is hopeful that our study can provide the researchers who work in the relevant domain with a set of highly practicable guiding rules,and have positive impact on structural improvement of the nation's huge market of children's wear.

children's safety,smart clothing,multi-dimensional need analysis,intelligent interaction

2016-07-25；

2016-09-26。

國家自然科學基金青年科學基金項目(61503154);中央高校基本科研業務費專項資金項目(JUSRP11503);常州市智能化安全服裝工程技術研究中心項目(CM20159009)。

薛哲彬(1984—),女,副教授，博士。主要研究方向為智能服裝設計及紡織品感官分析。 Email:zhebin.xue@hotmail.com

TS 941

A

2096-1928(2016)05-0470-07