微機電系統在智能服裝領域的研究與展望

畢研偉, 潘力*

(1.大連工業大學 服裝學院，遼寧 大連 116034;2.大連工業大學 服裝設計與工程國家級實驗教學示范中心，遼寧 大連 116034)

智能服裝[1]通過先進的材料及紡織技術，在服裝中植入微型化、柔性化的電子元件裝置，使服裝具備信息感知、計算和通信等功能，因此越來越受到消費者的追捧。然而要想實現服裝的智能化則需要從纖維、纖維的結合體和電子元件上進行研究，三者的實現方式各不相同[2]。通過嵌入電子元件將信息技術和微電子技術引入服裝中，是實現服裝智能化應用較早、發展較為成熟的方式之一[3]。但由于電子元件與服裝材料間存在體積、材質等差異，使智能服裝在穿著、功能、價格等方面的問題都難以解決。

微機電系統作為微/納米技術研究的重要方向，是繼微電子技術之后在微尺度研究領域中的又一次革命[4]，已從初期的探索研究，轉向生產應用階段[5]。微機電系統在生物醫療[6-8]、電動汽車[9]、軍事偵察[10]等領域迅速發展，同時在服裝領域也逐漸得到重視。

文中對微機電系統的特性以及微機電系統在智能服裝設計上的應用方式進行分析歸納，試圖提出智能服裝與人體、環境間的信號轉換關系模型，梳理出微機電系統在智能服裝領域的發展瓶頸，從而展望其應用前景與發展方向。

1 基于智能服裝的微機電系統

1.1 功能及作用

微機電系統將傳感器、執行器與信息處理和存儲集為一體，這種微型集成系統具有“傳感—計算(控制)—執行”的功能[4]。微機電系統在智能服裝領域的研究主要體現在電子元件的微型化與集成化上，隨著研究的深入將會為智能服裝的發展提供更多的可能性。

微機電系統的加工尺寸在微米(μm)量級，元件尺寸在毫米(mm)量級，具有微小尺寸、系統集成與批量生產等基本特性[11-12]，可使電子元件微型化、集成化與批量化，從而解決智能服裝在舒適性、低成本等方面的問題。

1.1.1舒適性 舒適度是智能服裝設計中最大的挑戰之一[13]。服裝接觸大約90%的皮膚表面，在智能服裝上使用微型傳感器可以更好地提高其舒適度[14]。由于傳統的電子元件(如剛性印刷電路)，植入服裝內會造成人體不舒適感，電路不能隨著織物一起變形。電子元件的微型化與柔性化，可以更好地將電子元件整合到服裝中去，避免元件附著后所帶來的異物感。柔性化的電子元件在接觸皮膚時更加具有舒適性與服用性，并且用戶還有減少手機、電池等額外負重的需求，將會增強用戶對于智能服裝的體驗效果。

1.1.2功能性 由于微制造技術與微電子技術之間的高度兼容,微機械與微電子集成誕生了微機電系統[11]。微機電系統制造出可靠性、穩定性高的電子元件，可使服裝具有更加快捷的功能性與娛樂性。加拿大Athos推出的智能運動衣是目前比較成熟的智能服裝。這款智能服裝內置微型傳感器，可以檢測運動者的呼吸頻率、心率和肌肉運動情況，并將檢測到的數據通過藍牙實時發送到智能手機中；除為人體保健提供相關數據參考外，還會像普通衣服一樣保潔洗滌、烘干后多次使用。內置微型傳感器整體質量不到20 g，并且可以連續使用10 h以上[15]。

1.1.3低成本 智能服裝的價格高昂，產品性價比低，無法滿足消費者的真正需求，使得產品的用戶黏性低，難以被中低收入水平的消費者所接受[13]。例如Athos推出的智能運動衣官方價格在298美元；蒙特利爾(OMsignal)公司開發的可機洗的襯衫售價高達80 美元，只能適合極少數人穿戴[15]。微機電系統批量化生產的電子元件用于智能服裝上，將大大降低智能服裝的生產成本。

1.2 應用方式

智能服裝通過微機電系統使用的微小元件構成微電集成電路，實現服裝的各種功能。通過電子元件與服裝材料間依附關系的不同，將其分為穿戴型智能服裝與纖維型智能服裝。微機電系統在智能服裝中的應用形式如圖1所示。

圖1 微機電系統在智能服裝的應用形式Fig.1 Application form of MEMS in intelligent garment

1.2.1穿戴型 穿戴型智能服裝是將電子元件隱藏或是嵌入服裝織物表面，依附于服裝面料表面而不改變服裝內部屬性[16]。由于結合方式不同，將其分嵌入式與薄膜式。

1)嵌入式是將電子元件以嵌入手法與服裝復合。根據嵌入手法的不同細分為以下兩種：①附加型。服裝作為電子元件的載體，通過特殊封裝，使用物理方式直接附加到服裝上，達到特定的功能。2014年Mino公司生產的嬰兒連體衣，便將所搭載的英特爾Edison芯片隱藏在可拆卸的塑料烏龜內。②刺繡、編織型。通過刺繡、編織等手法將電子元件附著在服裝上。刺繡與編織技術發展成熟，現已成為目前應用最廣的電子元件連接技術[17]。

2)薄膜式是將電子元件通過織物涂層技術實現與服裝材料的復合。根據涂層技術的不同細分為以下兩種：①模塊型。通過織物涂層技術，實現信息傳遞和轉換,有效連接獨立的電子元件，并將可操作的電子元件的接口整合到服裝內部，再利用柔性電子設備實現服裝的智能化[18]。如香港理工大學通過對織物表面進行PPY聚合物涂層，研制出導電柔性織物傳感器，并將其縫于服裝的膝部或肘部，由此制得配合演員動作引發相應音樂的“跳舞衣”。②復合型。利用復合技術將電子元件嵌入導電性塑料薄膜內，使其像織物一樣可以任意扭曲折疊。

1.2.2纖維型 電子智能纖維主要有導電纖維和抗靜電纖維兩種，其中以導電纖維最具代表性[1]。導電纖維是纖維型智能服裝的關鍵材料。通過導電纖維類別的不同，將這類智能服裝分為以下幾種：

1)均一型。由均一型導電物質(如金屬纖維、碳纖維、導電聚合物等)構成纖維材料,與傳感器、微電源接口連接后用于服裝。

2)包覆型。將合成纖維外層涂覆導電成分構成導電纖維，與傳感器、微電源接口連接后用于服裝。

3)復合紡絲型。成纖高聚物與碳黑或金屬化合物復合紡絲構成導電物質[19]，與傳感器、微電源接口連接后用于服裝。

纖維型智能服裝是將電子元件融入到服裝織物內部，與導電纖維相結合。根據不同的使用目的連接相應設備，使服裝具有不同的功能[17]。

2 微機電系統信號接收和轉換流程

基于微機電系統的智能服裝是以服裝為物理載體，在其基礎上增加傳感器、控制器、電源等微型電子元件，構成微機電系統，從而實現某種特定功能。服裝與環境、人體之間由于微機電系統的嵌入，構成了新的信號關系，具體如圖2所示。只有明確信號的轉換及傳遞關系，才能更好地把握微機電系統在智能服裝上的研究方向。

2.1 信息轉換

基于微機電系統的智能服裝與環境、人體之間有著錯綜復雜的關系，而微機電系統中的電子元件是實現信號接收和轉換的關鍵?；谖C電系統的智能服裝通過傳感器對自然界信號進行感知，并將其轉化為可被識別與處理的電子信號，再通過執行器轉換成可被人體接收的信號；信號作用于人體后，使人體產生相應的物理信號。一方面通過傳感器轉換為電子信號，使服裝產生光、聲、電等信號，可以提示、響應，直接作用人體；另一方面通過無線傳感系統將人體產生的物理信號轉換為數據，顯示在手機APP等終端平臺上，對人體進行監控，間接作用于人體。由此形成智能服裝信號轉換的系統。

微機電系統是由傳感器、執行器和微能源以及導線連接而成。在系統流程中為保證微機電系統的完整性與可用性，必須保證導線的連接與能源的持續供給，因此基于微機電系統的智能服裝導線與能源問題成為重要的研究方向。

2.2 信息傳遞

基于微機電系統的智能服裝通過信號接收單元、通信接口單元實現自然信號從環境到人體的傳遞；在人體產生物理信號后通過無線、藍牙等傳感技術將人體信號傳遞到終端平臺后將轉化成數據，并對數據分析，從而間接對人體狀態進行監控與分析。

通過電子信息技術制造的電子元件，可使智能服裝功能性更為突出，但電子元件與服裝的完美融合問題卻較難解決[20]。在系統流程中必須保證微機電系統的介入不能對服裝的舒適性產生影響，因此基于微機電系統的智能服裝的材質與傳感技術將是另一重要研究方向。

圖2 基于微機電系統的智能服裝與環境、人體的關系Fig.2 Relationship between intelligent garment as well as environment and human body based on MEMS

3 微機電系統的應用瓶頸

微機電系統在智能服裝領域的應用體現在電子元件微型化與集成化等方面，增強元件與服裝間的融合度，通過傳感器、執行器等實現信號間的轉換。微機電系統使智能服裝在舒適性、功能性及低廉性上都得到很大改善，然而基于微機電系統的智能服裝仍面臨以下問題。

3.1 電源的配置

微機電系統需要能源的提供與儲存[19]。現階段智能服裝上使用的電源多是利用移動電源的方式，這種外接電源續航能力有限，并嚴重影響服裝的美觀性與安全性。如果將人體熱能、機械能、化學能或生物能轉換成電能儲存起來植入微機電系統，那么電池的體積大、壽命短、需要更換等問題，便可以迎刃而解[21]。

3.2 材質的選擇

智能服裝選用材料主要包括以服裝為載體的功能材料和服裝面料[15]。由于微機電系統的材料和工藝特殊性，使原有的服裝特性發生變化，給人以異物感，舒適性下降。就服裝而言，材料應保持原有柔軟、易變形、舒適等特性；從微機電系統角度分析，在服裝面料環境下，電子元件的可靠性是主要關注點之一[22]。特別是接口元件[23]與外界有線連接，如何在不同的運動環境下確保其性能、使用壽命與可用性，是微機電系統在智能服裝領域發展的關鍵問題[24]。而連接方式的無線化與內置化，將使智能服裝更具時尚化、智能化[25]。

3.3 元件的磨損

電子元件的摩擦與磨損行為對于微機電系統的性能與可靠性具有重要影響，如導線易損毀，則會破壞系統的完整性。智能服裝中的電子元件在運動過程中會產生摩擦與磨損。如何保證微機電系統在服裝上的正常運用，而不受機械作用的影響也是其研究難點之一。利用涂層材料進行保護，探究降低摩擦系數的方法是研究的重點[26]。

3.4 質量的檢測

通過嵌入電子元件可使服裝具備特殊功能，但由于電子元件的特殊性，容易引起消費者對智能服裝安全性能的擔憂。目前，智能服裝沒有相應的檢測標準，只能暫借紡織品與智能產品的。然而,智能產品的檢測標準遠無法滿足智能服裝的安全需要[27]，因此需要通過效果評價以確保其安全性，從而進一步完善其標準[28]。智能服裝的功能性、可靠性、可洗性等都能通過檢測進行認證，從而被市場所接受，所以對智能服裝檢測標準的完善是智能服裝發展急需解決的問題。

3.5 市場的需求

智能服裝在提供電子設備功能性的同時也應滿足服裝的舒適性和時尚性[29]。智能服裝注重功能，但缺少對智能服裝本身設計的重視。服裝的功能性固然重要，它可以增加智能服裝的價值，卻不是消費者購買智能服裝的主要原因[30]。由于智能服裝設計者對消費者需求尚不明確，故難以滿足消費者在功能、價格、設計與使用上的需求。

4 前景展望

隨著智能服裝的關注度逐漸提高，其銷量將從2014年的約2.12億美元增長到2021年超過18億美元[31]。微機電系統與智能服裝的結合，已成為相關學者的研究重點。盡管智能服裝的研究還處于初級階段，但隨著微機電系統的深入，智能服裝必將得到快速發展。未來微機電系統在智能服裝領域的研究將從以下5個方面展開。

4.1 智能服裝的新型化

針對能源問題，需要打破傳統能源技術，趨向于微能源技術的研究。太陽能電池作為新型能源，是最具潛力的重要能源之一[31]。柔性太陽能電池的使用可解決智能服裝的供能問題[14]。太陽能發電技術具有環保等優良特性，但輕便性能及轉換率依舊有待提高[32]；體能發電、溫差發電等自生電技術，可利用人體運動、內環境等變化，實現微弱電流的轉換，為微機電系統提供所需能源。北卡羅來納州立大學的研究團隊研制的熱電式發電裝置，則利用空氣與人體溫度的差異產生電能，能夠將人體的熱能轉換成為電能，并證明將熱電發電裝置嵌入衣服中具有可行性。

4.2 智能服裝的柔性化

針對材質與連接問題，智能服裝上柔性材料的使用主要分為柔性傳感器、柔性儲能元件、柔性連接材料3個部分。傳統的傳感器、儲能元件與連接材料存在柔軟性差、金屬厚重感強以及涂層手感差、不能機洗等缺點，影響了服裝原本輕質、柔軟、舒適等特性，難以達到設計目標和使用性能的要求。柔性材料的使用直接影響到智能服裝性能，這是基于微機電系統智能服裝的研究重點。如石墨烯及衍生材料[33]，由于自身的特殊性能成為智能服裝的柔性材料及能源的重點研究對象。

4.3 智能服裝的復合化

在智能服裝領域，涂層和復合技術賦予服裝諸多的特殊功能。如中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所[34]從事于智能穿戴納米技術的研究，在納米墨水、納米芯片與織物的集成、納米纖維柔性超級電容器等領域均有涉及。利用納米材料的分散性、穩定性、物理化學活性等優良性能實現智能服裝的系統集成與智能應用。另外，由于石墨烯纖維具有高電子遷移率、高導熱系數、良好的彈性和剛度等多種特質，通過創新設計石墨烯與普通纖維的復合可研制出石墨烯改性導電纖維，它具有良好的柔性和可紡性，穩定性高，經水洗、皂洗、酸堿汗漬、干摩擦、濕磨擦后仍然保持良好的導電性能[35]。

4.4 智能服裝的標準化

對于智能服裝的安全性，現階段在市場上尚未有具體的檢測標準，相關標準的研究已成為智能服裝亟待解決的問題。只有遵循檢測標準進行設計，才能讓消費者信服其智能服裝的安全性。目前，深圳市計量質量檢測研究院針對智能加熱服裝的熱效應評價方法與智能壓力傳感鞋墊的檢測提出了相關的檢測標準，為智能服裝在熱效應與壓力傳感方面提供了檢測依據[36]。

4.5 智能服裝的市場化

智能服裝正逐步由概念轉變成現實消費市場，消費者已從過去的盲目從眾逐漸走向理性購買。智能服裝也將隨著市場的發展，形成自己的市場秩序[36]。智能服裝作為服裝的同時也擁有物聯網、大數據等概念，在發展過程中要明確消費者需求，從傳統的“生產”“銷售”為中心向 “消費者”為中心轉變[37]。如國內羽絨服品牌艾萊依在宣傳本品牌的智能恒溫服時通過對智能服裝產品說明書和吊牌進行重新設計，講述品牌故事，試圖使消費者與產品建立聯系，以一種新的方式滿足消費者需求，受到消費者的一致好評[38]。

5 結語

盡管基于微機電系統的智能服裝在研究過程中依舊存在諸多難點與瓶頸，但微機電系統與智能服裝相結合的課題，對于智能服裝的發展具有深遠影響。文中通過對微機電系統的特性分析，梳理出微機電系統在智能服裝領域的發展現狀，總結出微機電系統在智能服裝設計中的應用形式。提出了智能服裝與人體、環境間的信號轉換關系模型，從而明確微機電系統在智能服裝上的研究方向。對研究中存在的瓶頸問題進行梳理，并針對性地提出微機電系統在智能服裝領域的“五化”趨勢?；谖C電系統的智能服裝改變了消費者對服裝的傳統認知，并滿足消費者對服裝功能性、娛樂性的各類需求。隨著電子信息技術的不斷進步，基于微機電系統的智能服裝也必然會得到長足的發展。