柔性智能紡織品與功能纖維的融合

楊晨嘯, 李 鸝

(香港理工大學 紡織及制衣學系， 香港 999077)

柔性可穿戴智能紡織是近年來最炙手可熱的研究熱點，是智能紡織中最重要的一個分支。智能制造是中國制造2025的主攻方向，紡織企業的智能制造、智能產品開發將是實現行業技術升級、變革產業發展模式于轉變經濟增長方式的重要途徑之一，是近年來政府和行業大力推進的系統工程[1-2]。柔性可穿戴智能紡織技術經歷了漫長且坎坷的發展，經過十余年的積累，于2014年迎來了大爆發，這一年也被稱為穿戴元年，各種新潮的穿戴產品紛紛上市，其中以智慧手環、手表、眼鏡為主流。在2014—2016年發展初期的3 a中，大多以娛樂應用和運動歷程記錄為主要功能，而預計在未來的10 a中，隨著母嬰市場和老年化市場的不斷擴大及不斷提高的消費者訴求，健康管理功能將成為可穿戴智能紡織技術的主要發展方向。可穿戴的智能紡織技術與生物電子跨領域的結合，使得技術和商業模式門檻和產品利潤都大幅提升。有研究指出，穿戴式的應用產業分成醫療照護、運動健身、 資訊娛樂、工業及軍事5類，可穿戴智能紡織的應用范圍幾乎涵蓋了生活所需的全部產業。據IntertechPira預測，柔性可穿戴智能紡織在2021年的市場可望逾25億美元[3-4]。

柔性可穿戴智能紡織的發展得益于新興導電紡織材料方面取得的重大突破，現在可將導電材料、電子和傳統非導電紡織靈活結合，顛覆了電子元件僵硬外殼的傳統設定，使其變得柔軟、彈性、輕便、靈活，甚至可隱藏于輕薄面料的圖案結構之中。而這里的導電紡織材料，包括新興的柔性導電紡織材料，例如超細鍍銀導電纖維，納米銅超微粒子導電纖維、不銹鋼導電纖維、導電高聚物纖維、碳納米導電纖維等新原材料等。在之前的眾多學術研究中，普遍將可穿戴智能紡織定義為：一種具有傳感、伺服、通信記憶、自適應、自修復、自我供能和自我學習等智能功能的纖維集合體器件，可感知外界刺激并做出響應。而對于什么是可穿戴和其柔性舒適的優勢提及甚少，同時隨著新興導電智能材料的涌現和新興紡織制作技術的開發掌握，許多新品種的可穿戴智能紡織品涌現，可穿戴技術的運用場景也被大大拓寬[5-7]，因此，之前的定義已不能涵蓋如今最前沿的技術和未來發展方向，尤其是在最新潮流的柔性化的可穿戴產品、纖維化的電子元件和整體智能化的處理系統和紡織品與穿著者的交互機能方面。同時，隨著消費者所提出的越來越高的產品要求和使用體驗，可穿戴展品的舒適性能、靈活的多功能化和產品外觀美感被一再強調，而應對這3種要求，如何將傳統僵硬的產品柔性化、智能化，進而提供更多的產品設計可能，成為了將來的技術突破點[8-10]，鑒于此，面對現存的問題，為抓住未來發展的機遇，本文將對最新的柔性可穿戴紡織技術領域的發展現狀和技術成進行綜述，結合最新的技術發展并對產品市場門檻提出新的定義，同時分析從學術研究轉向產業生產的重重障礙所在，并給出了針對性的解決方案。

1 柔性智能紡織

1.1 優 勢

柔性是智能紡織技術的最大特點，得益于此的特點，產品輕盈，可大面積接觸皮膚，貼合人體皮膚型態，可隨意大幅度變形而不影響人的活動與產品功能，并可實時長期穿戴。產品設計也變得更加時尚、舒適，是一項顛覆性的科技。實現這類產品柔性化的轉變，纖維材料科學是基礎，而可穿戴器件是以這類纖維材料為基礎的柔性電子、光子等技術的集合。得益于這種柔性特征，可穿戴技術實現了更穩定、更多樣化、更安全的功能[11-12]。

三維的探測范圍：柔軟面料可在三維方向隨意揉搓，因此可測更大范圍內的應變，尤其是拉伸和彎折性能，可探測的刺激范圍大大拓寬，獲取更多的外界環境或穿著者狀態信息。

輕薄和快速的反應：柔性傳感器獨創的彈性體材料硬度大大降低，甚至可達到無縫貼合穿著身體部位，接觸面積大大擴大，快速而精準地探測外界的刺激，因此，無論當穿戴者是處于靜止狀態還是處于高速、大幅度的運動中，產品均可達到高度精準的測量性能，尤其是運用于醫科理療方面的高精度儀器。

長久的使用壽命：織物具有自身的彈性和自我恢復性能。同時，因為紡織材料具有良好的拉伸、彈性恢復、彎折性能，一些產品的疲勞壽命已可超過150萬次，意味著如果將柔性壓力傳感器植入運動鞋，穿戴者可自由奔跑500 km，性能依舊穩定如初。

柔性的連接及穩定的性能：電子器件之間相互連接方式目前有剛性連接、柔性連接2種。剛性連接是指電子器件之間采用金屬導線直接連接，這種連接的缺點是會對服裝外觀設計、舒適性及電子器件在服裝中的配置部位有影響，例如在穿戴過程中，金屬導線因受拉伸、壓縮、剪切等力的反復作用導致金屬導線斷開。而柔性連接是指采用柔性的導電材料連接。如采用電子印刷技術將導電材料印刷在服裝上或將金屬絲縫制在服裝上，巧妙地解決了剛性連結存在的不穩定性的問題，同時為了進一步提高電子服裝功能穩定性，研制了具有導通單元結構的織物連接件，因此一些柔性產品已達到可連續穿著365 d的要求，其性能依舊穩定如初[15-17]。

安全的導電功能(如電磁屏蔽、防靜電等)：由導電纖維織造而成，市場化的產品經過OEKO-TEX Standard 100生態紡織品認證，符合ISO 9001—2008《質量管理體系要求》標準，孕婦兒童同樣可以適用，且不會引起過敏等安全問題。

舒適和透氣性能：如將柔性智能紡織纖維和運動類服用面料技術相結合，可得到舒適透氣的柔性織物電子元件，即使是柔性織物電極，植入貼身衣物，如若無物，帶來全新的穿戴舒適性。

可水洗性能：可普通機洗壽命超過35次，科技與生活完美融合。

1.2 進化過程

柔性可穿戴智能紡織技術已經歷了3個發展階段。第1階段以服裝作為載體，將普通電子器件簡單依附結合于服裝之上。第2階段的特點是多學科技術的交叉融合，例如纖維技術、機械電子技術、無線通信、計算機網絡等技術的有機融合，實現人機交互的目的。第2代技術的特征是主要采用模塊化技術、嵌入式技術、基于纖維的傳感技術這3種方法。模塊化技術主要是運用微電子技術最新成果，使電子元件在體積上變小，有利于將電子器件隱藏在服裝中，使得電子器件在紡織面料的媒介上更加自由配置，而服裝的外觀設計表達更加自由，但所用的電子載具的性質仍為微型硬式其電子元件和電路板是各自獨立的元件，透過焊接、黏合、印刷、鍍膜等組合方式來進行，在技術層面的上較為簡便；嵌入式技術是將電子元件織入到紡織面料媒介上的某一部分之中，如將光纖傳感器、壓電傳感器、微型芯片傳感器等織入面料等，其電子載具方式為軟式載具，軟式載具的電路板需具備輕薄、柔軟、可水洗性等特性，包含軟性刷電路板和電子織物電路板2種，嵌入式是將電子元件透過印刷、縫制、貼合、涂布等方式附加于紡織品之上；基于纖維的傳感技術是傳感器直接由纖維和織物構成，其電子載具方式是整合式的，一種將紡織結構或纖維達成電子元件所需的功能的技術，以紡織的技術轉化成與電子元件相同功能之整合形式，如熱敏纖維、光敏纖維、織物壓力感測、拉伸感測傳感器等，讓電子元件不再只是附加在電路板上，而是達到是織物也是電子裝置的階段，由于纖維和織物柔軟，因此采用基于纖維傳感技術制備的電子服裝舒適性良好。

而現階段，柔性可穿戴智能紡織技術剛剛邁入第3階段，特點是基于網絡技術、藍牙、GPS技術，與手表、眼睛、手套、服飾及鞋等穿戴式智能設備共同配合使用，實現各種功能，它是廣義的“第三代智能服裝”，是目前最前沿的領域[18-19]。

綜上分析，柔性智能紡織品與其基礎纖維科學可被界定為可穿戴技術的未來發展閃光點。同時，近年來也愈來愈多的學術研究利用高分子、纖維等材料，模仿人類的中樞神經或是電腦的自控系統，嘗試借助智慧材料使紡織品與通訊、資訊處理、醫療、偵測等功能相結合，得到高科技與傳統紡織技術有效結合的產物，市場前景廣闊，尤其在服裝、建筑、軍事等方面都有不可小覷的應用潛力[20-21]。

2 柔性導電紡織材料

柔性導電紡織材料是智慧衣發展的重要基礎技術，由導電纖維打造而成的導電紡織品，其技術限制點在于電性(電阻、電容等)，而導電紡織品的表面電阻特性取決于所用的導電材料或導電纖維的百分比、所成織物結構以及制造方法等因素。縱觀近年來在學界和業界取得的成果，依據原材料和導電性能的不同，將柔性導電紡織材料進行分類，如表1所示。

3 電子器件工藝分類

上述柔性導電纖維皆具有良好的可紡性能，可與單一或多種不同導電材料混紡，或與不導電材料混紡得到不同規格和不同導電性能的柔軟紗線，而后可根據不同的運用場景和產品設計等因素，選擇合適的紗線制造成為多功能，而不僅局限于導電的柔軟智能面料，運用于不同的智能服裝設計中去。與此同時，服裝的設計制造也非局限于面料的裁減縫制，輔料的添加、裝飾的細節、飾品的搭配等，都是不可獲缺的環節，因此，新興的導電材料也可運用于其中，如將導電紗線鑲嵌于拉鏈、魔術貼、襯里等服裝輔料中去，而這些新型的導電拉鏈、魔術貼不僅能幫助形成完整的導電回路，也可充當開關的功能，而導電襯里或黏劑，可以實現多層結構的柔性導電材料，實現電池、電容、傳感器、制動器等不同功能的柔性電子元件。運用這些導電材料，應不同開發電子樣品的不同特點和規格要求，將采用不同的工藝，而這些工藝分類如圖1所示。

通過這些技術可制作：1)智能電子紡織品元件，纖維集合體器件，如纖維場效應管和紗線超級電容；2)微電子與纖維集成器件，以實現可視、可聽、可傳感、可通信的多功能性能等；3)微電子與纖維集合體集成器件，如嵌入式柔性可拉伸電子器件；4)纖維基合體微電子器件，其中包括3種電子元件電子紡織部件。①纖維織物形式的電路功能元件，如纖維晶體管、織物天線、織物顯示器、織物電路板；②傳感器與傳感網絡，壓力和剪切應力、大平面內應變、生物電勢、人造電子皮膚；③可穿戴的能量采集與能源存儲設備，基于纖維結構的納米發電器可轉換環境、人體運動產生的能量為電能，如單纖維型超級電容器、織物型超級電容器，儲存并應用于可穿戴微電子系統和柔性紡織電池。其中，柔性紡織電池可基于低成本的石墨烯材料制成，外部采用簡單的絲網印刷技術，電機會因為油墨和紡織品之間的強烈的相互作用而表現得十分穩定，并具有良好的操作安全性和長久的循環壽命，以及支持快速充電和允許水洗的優點[22-23]。

表1 柔性可穿戴智能紡織材料Tab.1 Categories of soft conductive textile materials

圖1 纖維基電子器件制備工藝分類Fig.1 Various production technologies of conductive textile electronic components

4 最新的柔性可穿戴智能紡織技術

基于上述新型靈活導電紡織材料的開發、電子元件不同纖維化的組建、消費者對可穿戴技術的互動體驗和舒適性的要求，柔性可穿戴智能紡織需要被重新定義：新型的電子元件和紡織技術相結合形成柔軟靈活的、扁平化的纖維集合體微電子器件，越來越貼合穿戴者身體且達到高度的舒適感，無縫成為日常穿著服裝的一部分，探測感知外界環境或穿著者的信息或刺激，通過運行系統的信息傳遞和處理，向使用者提供實時反饋，甚至智能自主地對外界刺激做出調節反饋，甚至在將來，這種探測和反饋的過程是操作處理系統不斷學習升級的過程，人機智能交互深入。此項技術可對人體的溫度和濕度舒適安全程度進行調節管理，對身體健康情況進行檢測和實時反應和多端共享，保護人體生命健康安全，提高穿著者體育運動成績，提供更高效便捷的醫療康健治療，豐富日常生活娛樂等。

4.1 成功合作項目例子

4.1.1微型表皮電子紋身

這種柔性可穿戴技術被廣泛運用在健康保健方面。這是一種非入侵式的監測技術，如上述提到的臨時轉印紋身技術，將碳納米管纖維均勻添加到紋身墨水中，形成導電電極。通過這種紋身圖案設計和墨水改良，傳感器將可被很好地隱藏于這種可穿戴技術中。例如英國MC10公司和東京大學推出的不同功能的電子回路紋身，如圖2[25]所示。 MC10傳感器紋身可讀取腦電波、肌張力、身體溫度、肢體動作，甚至是皮膚含水狀況，這項技術甚至被運用到美容產品中，例如巴黎歐萊雅和英國MC10公司合作，結合紫外線光明材料和此項智能技術，用于檢測紫外線照射的強度。此項技術還可被運用在其他美容產品中，如日本SOOMI PARK公司，將此項技術和LED發光技術相結合，制作具有放大眼睛，隨轉頭動作閃爍的電子發光假睫毛。現在，已經可通過納米技術，將導電材料通過涂層印刷的技術把微型表皮電子圖以紋身的方式貼附到皮膚上，監測佩戴者的健康狀況。這種納米級的紋身電子技術是微型的，更多是將這種傳感設備以繃帶的形式依附于穿戴者的皮膚上，以獲得更準確的身體信號。這種納米可穿戴技術未來可能將這些感知設備運用在美妝、四肢、毛發等用品上，以一種舒適的方式來監測穿著者的健康情況，類似的研究項目有Conductive Makeup, Tech Nails, FX e-makeup, 和Hairware[24]。

圖2 暫時傳感器紋身樣品Fig.2 Temporary conductive electronic tattoo on skin. (a) MC10 conductive tattoo sample;(b) Conductive tattoo sample of University of Tokyo; (c) Electric LED false eyelashes

4.1.2谷歌和李維斯的可穿戴設備項目

導電線于微型電路相連結，可捕捉穿著者的觸摸互動。被這種互動的生物系統所啟發，越來越多的新方法被探究來將生物感應器與可穿戴系統相結合起來，以感觸外界的環境刺激變化。新的一項研究BioLogic將細胞結構和紡織材料結合在一起。在穿戴者運動身體溫度升高時，細胞結構會感知并反應張開，以此來調節濕度變化。

這些項目都致力于提高這種智能設備的可穿戴性能。雖然這種可穿戴性能對于每種產品和每個應用場景而存在不同，但是在總體的要求是存在一致的：柔軟且舒適。

4.2 可穿著性能的設計(組合因素)

可穿戴技術將不再局限于可配戴的服裝裝飾，而應該作為穿戴者日常穿著衣服的保護層的一部分，感知周圍環境的一部分，濕熱環境管理系統的一部分，甚至是身體免疫系統衍生的一部分，即無障礙的人和技術之間的交互；同時，可穿戴設備也需重新思考其科學技術與時尚融合的特點，達到多功能性、舒適性、時尚性3方面的平衡，這種平衡也直接決定著是否能贏得消費者的青睞。考慮穿戴者2種不同佩戴可穿戴技術的方式：隨身攜帶式和貼附于皮膚2種方式，其產品特點和種類如圖3所示。

圖3 柔性可穿戴智能紡織技術和穿著者的交互方式Fig.3 Modes of interactions between soft wearable smart textiles and wearers

隨身攜帶的技術，如手機，需要使用者時刻的關注，將其配戴或隨手攜帶。依附于皮膚載體上的技術，不需要穿戴者過多精力，解放雙手，同時會與身體通過不同方式的接觸，如皮膚、頭發、指甲等；往往這種柔性可穿戴技術可以被加載在衣服和配飾內。通過這種方式建立舒適的可穿戴技術，需要對穿著者的體型、肢體動作、與周圍人和物的交互有清楚的了解。

為了更好地了解互動，多方人士正在探究這種柔性可穿戴技術中的技術元素：人與人之間的距離、執行語言、人體肢體動作、身體尺寸、依附穿著者的方式、依附位置、依附質量、和電子元件的互動方式、外觀設計、耐用性，和它們相互之間的聯系與制約。對于運用于服裝和飾品設計上的柔性可穿戴技術，這種舒適的可穿性存在于此種功能服裝的設計、保溫透濕性能、移動性能、靈活性、耐穿性、尺寸和后期護理中。而用于直接貼附皮膚的柔性可穿戴技術，則主要考慮的因素是各個項目的實施部位和其人體工程學、設備材料、皮膚的兼容性、設備類型、設備的能源和信號的輸入以及信息的輸出、技術和人體之間的交互和信息處理方式等。表2示出柔性可穿戴紡織技術與穿著者交互之間的設計因素[26-28]

表2 柔性可穿戴紡織技術和穿著者的交互之間的設計因素Tab.2 Design factors between soft wearable smart textiles and wearers

無論是將技術融合在服裝飾品設計或直接依附皮膚上，為創造一種舒適的穿著適用體驗，最大的挑戰是如何將彈性較小、材料較硬的電子回路與柔軟彈性的皮膚或人體肢體(或是電子元件依附的媒介)完好地結合在一起，同時人機之間的交互和消費者的接受程度(例如對原始元件的隱形程度的接受范圍)被認為是柔性可穿戴技術的最大技術難題。

附加位置：選擇可穿戴技術的附加位置，有3個考慮參考的標準：1)雖然是不同的穿戴者，但可選擇個體尺寸差異不大的身體部位加載柔性可穿戴技術；2)選擇即使在穿戴者進行大幅度的運動或工作時，也產生相對較小形變或者位移的部位；3)選擇與穿戴者身體接觸面積較大的部位，同時，應考慮身體皮膚和所用柔性導電材料二者的彈性與拉伸性能和貼合程度，確保獲取信息的準確性。

身體活動：身體運動可分為微小的活動和大幅度的活動。微小的活動包括：眼睛的轉動，面部表情，肌肉的收縮和舒張等。大幅度的活動包括：雙腿行走、四肢的運動和各種姿勢的調整等。通過對柔性可穿戴紡織設備尺寸變化的限定或是擴大其性能穩定且可承受拉伸程度的范圍，都可以應對上述的2種身體活動。

穿著體特征：不同穿著個體的年齡、性別、尺寸、體重、表面型態和體能力量等因素都會影響柔性可穿戴設備的設計。同時，穿戴時的溫濕舒適度也是一個重要影響因素，當挑選產品的材料時，可穿戴的導電材料的柔軟度、保暖性、透氣透濕性能等都需要被考慮。此外和皮膚直接接觸的可穿戴設備，還需要考慮皮膚出汗出油、表面細紋、疙瘩、水分、皮膚敏感程度和健康等情況因素。這些因素都會影響如何設計可穿戴設備和皮膚接觸、感受外界變化刺激的方式。

產品質量：過重或是偏移中心位置的產品會引起穿著時的不舒適感，尤其是在長時間穿戴的情況下，因此，這種具有一定質量的可穿著設備被建議配戴在腹部、腰部、臀部或是身體重心附近位置。同時，產品的質量還會影響如何將這種可穿戴設備連接或是依附于身體皮膚的方式方法。質量需要和穿戴方式被一起考慮納入設計方案。

穿戴方式：人體是一個柔軟、有彈力、拉伸性能極好的有機體，因此，可穿戴設備在被擠壓、拉伸和受壓的情況下產生破損。物理性掛鉤嵌扣式的連結方法可承受較大的質量，而相對化學物質的導電膠水黏貼方式則只能承受較小的重量，卻可以獲取更準確的身體信號。由于穿戴個體的體制差異，長時間與皮膚接觸的可穿戴設備和連結膠水會引起皮膚過敏等情況，尤其是老人、小孩、病人等群體，因此，通信電子和導電材料方面的技術創新突破就顯得尤為重要。

接觸和交互方式：根據不同的產品目的和運用場景，產品設計需要考慮導電穿戴設備是如何在視覺、觸覺、聽覺、肌肉動覺的多維度上和穿戴者產生互動，而這種互動可以分為被動和主動：被動方式通過傳感器來探測穿戴者身體或外界的信號，主動方式通過制動器對外借刺激做出反應，這種反應可為光學信號、振動、聲音、電刺激、濕溫調節等。

外觀設計：產品的外觀和社會文化、審美接受程度息息相關。一方面，將這種可穿戴技術外露化可以直接得將專業高端的技術展現給消費群體，獲得認同感；而另一方面，這種外露的可穿戴設備則不易被大眾群體所接受，尤其當隱私因素被涉及時。例如，可穿戴智能設備—谷歌眼鏡，因為可攝影記錄周圍人群，侵犯隱私而被禁止在公眾場合佩戴。

柔性導電紡織材料：為得到功能穩定、抗強干擾的、舒適的可穿戴電子電路，導電材料需要具備柔軟、彈性、可拉伸、導電性能穩定的特點。為具備這些特點，柔性的高導電紡織材料變成新的研究重點和技術突破點。在以往的可穿戴設備設計和制作中，研究者直接將已有的、具有一定尺寸規模的、硬性的電子元件加載在衣物或皮膚上，穿戴的不適感和尷尬不言而喻，因此，將這種電子設備的微型化顯得及其重要。抑或是這種導電材料可通過機織、針織、刺繡、縫紉、涂層、打印等方法和衣物等柔軟織物無縫連結，達到隱形電路的目的，例如以金屬化纖維取代漆包線、以針織紋路取代電子回路、以織物電池取代固形電池等整合科技，讓傳統的纖維機能技術成功融合類微處理技術的運作機制。根據其各自不同的導電性能和紗線規格與性能制作成具有不同導電性能的導電織帶、面料、輔料等紡織服裝材料。與此同時，運用這些柔性的有彈性的材料，以往硬性的傳感器，例如拉力傳感器、壓力傳感器、電容性傳感器等，可被重新置換、運用于智能可穿戴服裝上，與人體形狀更好地貼合，獲得更準確的刺激信號。隨著研究進程的不斷推進，這種柔性技術還將被運用于電池、制動器等電子元件的制作中去。

除上述的導電纖維、紗線、面料之外，導電墨水、膠水也成為延伸的研究熱點。這種材料通常會被打印或是涂層在尺寸穩定性好，柔軟的非導電面料上，直接繪制導電工作電路。如今，這種柔性的高導電的紡織材料正是推動可穿戴智能服裝設備發展的主要助力。

電池續航能力：截止到現在最新的研究，電池是制約柔性可穿戴服裝設備發展的一個主要因素，因為其有限的電容能力和對電池本身尺寸質量的妥協，因此，高頻率的充電就成為可穿戴設備使用中實際存在的一個問題。同時，電池的僵硬和質量也是目前的一大難題，故超薄柔性電池也成為研究熱點之一。現階段，鋰-聚合物(Li-Po)電池因為其可以被設計制作為不同的尺寸規格，而成為最為廣泛接受的可穿戴電池。同時，因頻繁充電的限制，如何有效地收集人體向周圍環境釋放的能量而為電池充電也成為研究重點之一[29-31]。

5 目前存在的技術問題

1)現階段推向市場的商業化產品附加價值和技術門檻皆偏低。在國際數據資訊(IDC) 報告中指出，雖然穿戴式裝置市場全球總出貨量繁多，設計簡單、技術門檻低、價格低廉的配件產品類型最多，并且仍需連結手機或其他連網裝置才能運作，多為被動性智能產品，而非主動或是十分智能的可穿戴柔性紡織產品。鑒于上文提及對新柔性可穿戴智能紡織品的定義和要求，此項技術期望可獨立執行連網傳輸和自我運行的核心價值，因此，目前市場的產品智能交互性能亟待提高。同時，市場中大部分的可穿戴技術依托于手表、首飾等配件，無法擺脫硬性連結方式和硬性的承載體，大大影響了其穿戴的舒適性能，并且因為硬性連結和載體的限制，目標技術無法安置在最理想的探測位置，獲得信號的準確度受影響，因此，需要改變電子載具的性質或形式，將纖維科學成果用以提升可穿戴式電子裝置的電子元件和其組合系統中，濃縮其體積，使其變輕薄變柔軟，設計出多元化的穿戴式產品與不同的應用功能。

2)電子器件的能源供應。由于常規鋰電池體積、質量大，需頻繁更換或充電，使用笨拙且不適，因此，如何高效地收集穿戴者周圍的能量進行實時無限充電，獲取可持續能源十分關鍵，例如周圍的太陽能、風能、溫差勢能、穿著者的動能等。同時，研發低功耗的微型電子芯片及電子元件，才可提高其服用性。例如從實踐運用場景來說，1天服裝穿著時間至少可達10 h，如過于耗能則不得不時常充電或休機狀態，嚴重影響其服用性和產品認同。

3)第三代柔性智能服裝的造價成本高，技術復雜，難以大眾普及。隨著移動互聯網的發展、技術的不斷迭代，用戶需求的變遷，可穿戴式智能設備的形態與其應用熱點也會不斷更替迭代，因此，柔性可穿戴智能紡織產品正朝著功能多樣化、器件柔性低功耗化、新能源及能量儲存方式多元化、健康舒適化、信息智能化、設計時裝化、價格低廉化等方向發展。

4)跨領域產品設計和技術的專業技術障礙。過去的產業界線已被打破，過去紡織業和電子業有各自定位，習慣以自己熟知的技術知識進行產品開發，但柔性穿戴智能紡織品是跨領域技術的產品， 是結合應用物理、應用化學、生物、材料、電子、信息通訊，等產業的新型態產業。在這個新型態產業中，如何向不同背景的設計師和技術人員詮釋不同的專業知識，達成共識和親密的合作，來推動智能紡織的產業化已經顯得尤為重要。

6 建 議

6.1 具體技術限制

對研發技術進行改進或者尋求技術突破：1)提高智能纖維的使用性能，尤其是提高導電纖維的細度、導電穩定性能、拉升斷裂強度和可紡織性能。如通過設計改造高端加工設備以改善智能纖維的質量，包括纖維紗線的均勻度、柔軟度和服用舒適性；2)高分子合成技術的進步，加強高分子聚合物材料功能性的創新和研發，尤其在如何提供導電紗線的導電性能，與低電阻值的電子元件無縫連接，組成柔軟舒適的可穿戴電子電路是當今急需解決的技術難題之一；同時紡織材料的可選擇性(無毒害，生物相容)在一定程度上限制了纖維基可穿戴電子器件的發展，也由于制備工藝的局限性，可穿戴電子器件采用的纖維或者織物的表面結構限于微納米級，尺度不匹配很大程度上限制了其在當前傳統集成工藝上的應用。纖維型可穿戴電子器件的耐久性，抗疲勞性以及可加工性依然面臨巨大的挑戰，因此，需要持久深入的基礎科學、應用科學、技術研究的相結合。3)利用日益發展成熟的納米技術、生物技術和太陽能電池技術，對智能纖維內部和供能結構進行形態和聚集態的改進和調整進促進技術攻關和產品創新。

6.2 紡織品所涉及領域的整合

例如，“紐約制造”是一個混合時尚孵化器，擁有齊全的生產設備，以及研發未來科學和紡織品的實驗室。融合了先進的數字制造、柔性電路與可穿戴電子以及生物技術與化學實驗設備。通過執行多項研究項目及取得的成果，躋身于多方參與的研究平臺上，堅持促進多樣性發展。同時，在這種多維度的平臺上，多重領域的人才可進行高頻度的溝通和交流，跨越不同領域專業知識之間的障礙。多重領域和生產線的上下游可在水平和垂直2個維度上進行整合以降低產品研發生產的反應速度。其中，時尚設計師們將大有可為，因為他們更了解人體需要，更了解紡織品的特性，更了解服裝怎樣進行直覺上的交互，更重要的是，他們可能具有更廣泛的創造力和審美能力[32 -34]。

6.3 訂立穿戴式裝置的安全規范

柔性可穿戴式智能紡織產品是新形態穿在身上的電子產品，除了要符合穿戴產品的基本安全需求外，包含電子產品對人體的傷害及生產制造過程是否殘留影響人體健康的有害物質都符合嚴格的規范，愈早制訂相關規范，愈早決定其行業地位，更影響未來的商業戰略[35]。

7 結束語

柔性可穿戴式智能紡織技術已在不同消費群體所需的不同領域展現了許多新的可能，并在其應用中展現了巨大潛力。為協助傳統紡織企業的更快速更穩健地實現產業轉型，柔性可穿戴式智能紡織技術將是一個必然的技術突破點，基于智能纖維材料，圍繞傳感器和制動器的設計與制造，突破能源供給與信息處理系統，開拓電子信息智能技術與紡織科學融合創新的技術路徑，實現可穿戴服裝與時尚設計、紡織產業相互之間的協同，期待纖維制品和電子產品真正融合到一起，為不同的消費群體，如嬰兒、老人、傷病人員、特殊工種人員等，提供更貼心、更全面的多功能化的柔性可穿戴式智能紡織技術。

參考文獻：

[1] 周濟. 智能制造是中國制造2025的主攻方向 [J]. 中國機械工程，2015，26(17): 2273-2284.

ZHOU Ji. Intelligent manufacturing-main direction of ″Made in China 2025″[J]. China Mechanical, 2015,26(17):2273-2284.

[2] 王友發，周獻中. 國內外智能制造研究熱點與發展趨勢[J]. 中國科技論，2016(4):154-159.

WANG Youfa，ZHOU Xianzhong. A review of research on domestic and international intelligent manu-facturing [J]. Forum on Science and Technology in China， 2016 (4): 154-159.

[3] Patent intelligence and R&D strategy analysis for wearable device-through observation of product trends from the substrate change. STPI NAR Labs, [EB/OL]. (2016-05) [2017-11-20]. https://payment.narlabs.org.tw/stpibooks/tryout/books/00000000534 0d84201547fda81bc38d6/?r=20171123135904.

[4] 陳志龍. 導電紡織品于穿戴式電子元件之運用[EB/OL]. 世界材料網. (2015-07-05) [2017-11-20]. https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=22659.

CHEN Zhilong, Development Trend and Challenge for Production Equipments of Wearable Devices. Materialsnet. [EB/OL] . (2015-07-05)[2017-11-20]. https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=22659.

[5] 高端紡織裝備技術課題組. 高端裝備主攻“數字化、智能化”[J].中國紡織， 2015(6):101.

Research group of high-end textile equipment technology. digitalization and intellectualization for high-end textile equipment [J]. China Textile， 2015(6): 101.

[6] YORAM Koren. The Global Manufacturing Revolu-tion [M]. Beijing: China Machine Press，2015: 1-20.

[7] 朱劍英. 智能制造的意義、技術與實現 [J]. 機械制造與自動化，2013(3): 1-6.

ZHU Jianying. The Significance，technologies and implementation of intelligent manufacturing [J]. Machine Building and Automation，2013(3): 1-6.

[8] 熊有倫. 智能制造[J]. 科技導報，2013，31(10): 1.

XIONG Youlun. Intelligent manufacturing [J]. Science & Technology Review，2013，31(10): 1.

[9] 朱森第. 我國智能制造與智能制造裝備的發展 [J]. 冶金管理，2015(9):9-17.

ZHU Sendi. The development of intelligent manufacturing and intelligent manufacturing equipment in China [J]. China Steel Focus，2015(9): 9-17.

[10] 傅建中. 智能制造裝備的發展現狀與趨勢 [J]. 機電工程，2014，31(8): 959-962.

FU Jianzhong. Development status and trend of intelligent manufacturing equipment [J]. Journal of Mechanniac & Electrical Engineering,2014,31(8):959-962.

[11] 張如全. 電子服裝的應用研究.[J/OL]. 服裝導刊.(2015-03-02)[2017-11-20]. http://qk.fsdk.net.cn/ch/reader/create_pdf.aspx?file_no=20150103&flag=1&journal_id=fsdk&year_id=2015.

ZHANG Ruquan. The applied research of electric Clothing[J/OL]. Fashion Guide, (2015-03-1) [2017-11-20] .http://qk.fsdk.net.cn/ch/reader/create_pdf.aspx?file_no=20150103&flag=1&journal_id=fsdk&year_id=2015.

[12] TAO Xiaoming. Handbook of smart textiles [M]. New York：Springer, 2015:255-292.

[13] Tech Republic. Wearables and fashion: blending the two will be a key to success [EB/OL]. (2014-04-25) [2017-11-20]. http://www.techrepublic.com/article/?wearables-and-fashion-blending-the-two-will-be-a- key-to-success/. ?

[14] 李昕.電子智能紡織品的研究進展 [J].輕紡工業與技術,2013,165(6):51-54.

LI Xin. The Present state of E-smart textile research[J]. Light and Textile Industry and Technology, 2013,165(6):51-54.

[15] 張龍女. 電子服裝技術的特點和發展趨勢[J]. 服裝技術, 2010(12):92-93.

ZHANG Longnv, Features and development trends of wearable electronic clothing [J]. Apparel Technology, 2010(12):92-93.

[16] 施楣梧. 智能紡織品的現狀和發展趨勢[J]. 高科技纖維與應用, 2010,35(4):5-8,9.

SHI Meiwu, The present state and perspectives of the smart textiles [J]. Hi-Tech Fiber & Application, 2010,35(4):5-8,9.

[17] 魏守一. 健康監護用智能服裝研究新進展[J]. 中國醫療器械信息, 2009,15(9):18-23.

WEI Shouyi. The advanced research development of the intelligent clothing for healthcare [J]. China Medical Device Information, 2009,15(9):18-23.

[18] 趙永霞.新型電子智能紡織品的開發及應用 [J]. 紡織導報，2010 (7):106-110.

ZHAO Yongxia. Development and application of novel E-smart textiles [J]. China Textile Leader, 2010 (7):106-110.

[19] PEROVICH L. Awakened apparel: embedded soft actuators for expressive fashion and functional garments[C]//MOTHERSILL P, FARAH J B. 8th International Conference on Tangible, Embedded and Embodied Interaction. New York:ACM 2013： 77-80.

[20] 吳迪. 把握行業特點 大力推進紡織智能制造 [J]. 紡織服裝周刊，2015(20): 12-13.

WU Di. Grasp the characteristics of the industry and vigorously promote the textile intelligent manu-facturing [J]. Textile Apparel Weekly，2015(20): 12-13.

[21] 呂佳. 智能服裝的應用及發展趨勢 [J]. 成都紡織高等專科學校學報，2016(3): 211-213.

Lü Jia. Application and development trend of smart clothing [J]. Journal of Chengdu Textile College，2016(3): 211-213.

[22] 封順天. 可穿戴設備發展現狀及趨勢[J]. 信息通信技術，2014(3): 52-57.

FENG Shuntian. Wearable devices development status and trend [J]. Information and Communications Technology，2014(3): 52-57.

[23] 田苗. 智能服裝的設計模式與發展趨勢[J]. 紡織學報,2014,35(2):109-115.

TIAN Miao. Design mode and development tendency of smart clothing[J]. Journal of Textile Research,2014,35(2):109-115.

[24] VEGA, K. Beauty technology: body surface compu-ting [J]. Computer 47, 2014(4)： 71-75.

[25] TUCKER E. Japanese research group develops wearable sensor that stays on the skin for a week[EB/OL]. [2017-08-14].https://www.dezeen.com/2017/08/14/japanese-research-group-develops-tattoo-style-sensor-lasts-on-skin-for-week-technology/?li_source=LI&li_medium=bottom_block_1.

[26] ROLAND Barthes. The Fashion System[M]. California: University of California Press Ltd, 1990:246-276.

[27] BERZOWSKA J, Kinetic electronic garments [C]//M Coelho, VILKAS K. Ninth IEEE International Symposium on Wearable Computers. Osaka: IEEE, 2005: 82-85.

[28] BIRKMEYER P. CLASH: Climbing vertical loose cloth[C]//GILLIES A G, FEARING R S. International Conference on Intelligent Robots and Systems. San Francisco: IEEE, 2011:5087-5093.

[29] CHARMAZ K. Constructing Grounded Theory: a Practical Guide through Qualitative Analysis [M]. New Delhi: Pine Forge Press, 2006:177-183.

[30] CHEN G. Rubbot: Rubbing on flexible loose surfaces [C]//LIU Y, FU R, SUN J, et al. RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems. Tokyo: IEEE, 2013: 2303-2308.

[31] CNET. Kovert connected jewellery is high-tech and high fashion [EB/OL]. (2014-07-04) [2017-11-20]. https://www.cnet.com/news/?kovert-connected-jewellery-is-high-tech-and-high-fashion/. ?

[32] CNET. Nixie lets you wear a selfie-taking drone on your wrist [EB/OL]. (2014-09-26) [2017-11-20]. https://www.cnet.com/news/?nixie-wear-a-selfie-taking-drone-on-your-wrist/.

[33] JUNG Heekyoung, STOLTERMAN Erik. Material probe: exploring materiality of digital artefacts[C]//International Conference on Tangible, Embedded, and Embodied Interaction. New York:ACM, 2011: 153-156.

[34] Laibowitz M. Parasitic Mobility for Pervasive Sensor Networks [C] // PARADISO J A. Third International Conference on Pervasive Computing. Berlin: Heidelberg,2005: 255-278.

[35] LEIGH Sangwon, Body Integrated Programmable Joints Interface [C]//MAES Pattie. Conference on Human Factors in Computing Systems. New York: ACM, 2016: 6053-6057.