智能服裝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及建議

呂秀君，孫艷麗，齊曉曉，徐 鳴

(1.浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 寧波 315211； 2.河北美術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050700；3.愛慕股份有限公司,北京 100102； 4.中國紡織工程學(xué)會，北京 100025)

基于“中國制造2025”的背景及服裝產(chǎn)業(yè)智能化的發(fā)展[1], 智能服裝逐漸成為研究熱點。智能服裝是服裝與各領(lǐng)域技術(shù)融合產(chǎn)生的一種新型服裝，其可感知外部及內(nèi)部環(huán)境變化，模擬生態(tài)系統(tǒng)，并通過反饋機(jī)制做出響應(yīng)，且能夠保留服裝固有風(fēng)格和服用性能[2]。隨著移動技術(shù)與傳感技術(shù)的發(fā)展，智能服裝逐漸普及且不斷向小型化方向發(fā)展[3]，給人們的生活帶來了很多便利。

智能服裝產(chǎn)業(yè)具有多學(xué)科、多領(lǐng)域交叉的特點[4]，特別是在技術(shù)要求方面，具有很強(qiáng)的跨學(xué)科特點。本文闡述了智能服裝在運動健身、醫(yī)療監(jiān)測和野外生命監(jiān)測領(lǐng)域3個方面的應(yīng)用，總結(jié)了智能服裝發(fā)展的技術(shù)難點與挑戰(zhàn)并給出了發(fā)展建議，對促進(jìn)智能服裝產(chǎn)業(yè)發(fā)展、加快智能服裝的市場化應(yīng)用具有一定的現(xiàn)實意義。

1 智能服裝的研究現(xiàn)狀

智能服裝應(yīng)用范圍非常廣泛[5]，如醫(yī)療保健、生命體征監(jiān)測、運動健身、生活方式監(jiān)測、資訊娛樂、工作場所及條件分析等。

1.1 運動領(lǐng)域

智能服裝在運動領(lǐng)域的應(yīng)用主要涉及2個部分：一是針對普通戶外人員的運動服裝，二是針對專業(yè)運動員優(yōu)化后的智能服裝。可幫助運動員提高訓(xùn)練效率并保證安全的智能運動服裝具有較好的應(yīng)用前景。

美國加州智能運動服創(chuàng)業(yè)公司Athos的智能運動衣和短褲產(chǎn)品，其內(nèi)置1枚 Athos Core 小芯片和多個傳感器，可監(jiān)測消費者的心率、呼吸頻率以及肌肉活動情況，便于監(jiān)測運動員日常訓(xùn)練,可根據(jù)監(jiān)測到的生理數(shù)據(jù)分析消費者的鍛煉模式并給出鍛煉意見[6]。

Ralph Lauren公司[7]的OMSignal智能網(wǎng)球衫將心理壓力傳感器和導(dǎo)電銀線一起編織到面料中，可以監(jiān)測心率、呼吸頻率，傳感器將收集數(shù)據(jù)進(jìn)行整理并傳輸。Catapult公司[8]推出的Playertek智能背心，可以幫助足球運動員獲得一系列訓(xùn)練指標(biāo)，包括沖刺距離以及折返距離等。芬蘭Polar公司推出的Team Pro T恤，采用無袖設(shè)計，通過在織物中嵌入傳感器實時追蹤心率指標(biāo)。Vivometrics公司推出智能遠(yuǎn)程監(jiān)測T恤，能夠監(jiān)測穿戴者的皮膚溫度、呼吸頻率、活動姿勢和心率[9]。

綜上所述，智能服裝在運動領(lǐng)域的研究主要集中在監(jiān)測人體心率、皮膚溫度、呼吸頻率等。目的是用數(shù)據(jù)反映消費者的身體健康狀態(tài)以及運動效果。

1.2 醫(yī)療健康領(lǐng)域

身體健康是人們普遍關(guān)注的問題。可穿戴醫(yī)療監(jiān)測服裝可低負(fù)荷、長期連續(xù)地獲取消費者各種生理信息，及時感知身體的預(yù)警信息[10]，從而達(dá)到提前預(yù)防疾病及時治療的目的。智能服裝在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也是目前研究熱點之一。

智能服裝用于醫(yī)療行業(yè)主要得益于柔性傳感器。柔性傳感器將傳統(tǒng)的電生理監(jiān)測融入到衣服，利用導(dǎo)電纖維，實現(xiàn)多種生物電信號的監(jiān)測，如心電圖、肌電圖等。智能服裝通過導(dǎo)電纖維形變引發(fā)的電信號、光學(xué)傳感器監(jiān)測血流流速等實現(xiàn)對高血壓、癲癇、中風(fēng)、呼吸暫停綜合征等多項生理指標(biāo)的動態(tài)監(jiān)測[11]。目前典型案例是將心電監(jiān)測設(shè)備做成智能服裝的形態(tài)，結(jié)合智能服裝的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以創(chuàng)建基于人體心電數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)和驅(qū)動反饋系統(tǒng)，從而幫助消費者預(yù)防心臟方面的疾病。

Hexoskin公司研發(fā)的心電監(jiān)測服，具有監(jiān)測心率變化、運動步數(shù)、消耗熱量等數(shù)據(jù)的功能，同時還開發(fā)了睡眠追蹤功能，包括對睡眠姿勢的追蹤[12]。美國微軟公司的Healthgear為實時可穿戴人體呼吸信號健康看護(hù)平臺[13]。2016年，中國愛邦公司研究出一款名為“寸草心”的心電監(jiān)測服，監(jiān)測服以內(nèi)衣為載體，致力于老年人心電健康監(jiān)測，可監(jiān)測實時心電數(shù)據(jù)[14]。

由于醫(yī)療產(chǎn)品進(jìn)入市場需要大量的臨床實驗和專業(yè)的醫(yī)療器械檢測認(rèn)證，如歐洲的CE認(rèn)證、美國的FDA 認(rèn)證等，故目前銷售的醫(yī)療監(jiān)測智能服裝產(chǎn)品較少。

1.3 野外生命監(jiān)測領(lǐng)域

智能服裝在民用紡織品領(lǐng)域和野外生命監(jiān)測領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，如用于提升野外人員對外部環(huán)境的感知能力、高效處理數(shù)據(jù)信息和指揮通信的能力[15]。目前，智能服裝已經(jīng)成為新的野外生存裝備發(fā)展的一個重要方向，在防止受傷、傷口監(jiān)測、健康(生理、心理)監(jiān)測等功能方面都有較大探索價值，對保護(hù)使用者身心健康、提高生存率、增強(qiáng)使用者整體對環(huán)境的感知度等有重要意義。

2 智能服裝發(fā)展的技術(shù)難點

智能服裝的設(shè)計涉及多個學(xué)科及領(lǐng)域，需要考慮消費者需求、服裝材料、傳感技術(shù)、生產(chǎn)技術(shù)、服用性能等多種因素。多個學(xué)科領(lǐng)域的交叉應(yīng)用是智能服裝技術(shù)發(fā)展的難點。

2.1 人體生理信號監(jiān)測技術(shù)

智能服裝將人體生理信號監(jiān)測技術(shù)與服裝技術(shù)相結(jié)合，對監(jiān)測技術(shù)提出了新的要求。首先是監(jiān)測速度方面，要求智能服裝能夠?qū)崟r監(jiān)測和處理數(shù)據(jù)，并利用服裝內(nèi)置數(shù)據(jù)收集反饋裝置和算法生成即時數(shù)據(jù)[16]。其次，智能服裝監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集與分析過程需可靠，保證監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此人體生理信號監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸分析準(zhǔn)確性成為技術(shù)要點，在此基礎(chǔ)上制定數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、完成數(shù)據(jù)的交互操作、確保隱私和數(shù)據(jù)安全等問題都需要進(jìn)一步的技術(shù)探索。例如：如何構(gòu)建適合嵌入衣服的傳感器、如何連接傳感器以及如何高效而準(zhǔn)確地檢索和分析監(jiān)測到的人體生理信號數(shù)據(jù)。

2.2 傳感元件與服裝平臺集成技術(shù)

電子元件的柔性化、微型化是其與服裝結(jié)合形成智能服裝的基礎(chǔ)。服務(wù)于智能服裝的電子元件很多，包括柔性電極、傳感器、傳導(dǎo)電路等。這些電子元件需要相互配合完成數(shù)據(jù)監(jiān)測，但目前這些電子模塊的集成技術(shù)大都處于實驗室階段，還未達(dá)到規(guī)模化生產(chǎn)。

作為智能服裝的一部分，電子元件同樣必須滿足服裝的服用性能[17]，例如長時間續(xù)航、可水洗等；盡量減少連線，提高服裝舒適性；合理優(yōu)化布局，增強(qiáng)美觀性。另外，心電監(jiān)測、呼吸頻率、溫度等傳感器應(yīng)根據(jù)人體生理信號的監(jiān)測原理準(zhǔn)確放置于人體相應(yīng)位置。同時，信息處理模塊在設(shè)計和放置時應(yīng)考慮人體的可穿戴面積，避免因消費者體型差異而錯位，選擇運動時相對固定及承載表面積較大的區(qū)域，減少消費者著裝負(fù)擔(dān)[10]。

2.3 信號處理及其系統(tǒng)通信技術(shù)

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸也將逐漸無線化和集成化。集成于服裝上的各種傳感器及電極，如果采用無線信號傳輸，將極大地減少導(dǎo)線的使用。通過對信號端口進(jìn)行集中整合，使得測試更加方便、靈活，且端口還可進(jìn)行擴(kuò)展，為以后添加功能提供可能。故信號處理及其通信技術(shù)的無線化與集成化，也是智能服裝產(chǎn)業(yè)需要突破的難點之一。

2.4 服裝與皮膚之間的動態(tài)作用研究

人體在活動時皮膚與服裝之間會產(chǎn)生滑移[18]，消費者穿著智能服裝極易造成柔性電極、傳感器等電子元件與皮膚產(chǎn)生相對位移和接觸壓力的變化，這種變化會影響到監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，從而影響數(shù)據(jù)信息處理結(jié)果的準(zhǔn)確性。從服裝工效學(xué)和技術(shù)角度，研究具有彈性的傳感器和增強(qiáng)其對身體的黏附，可最大限度地減少皮膚與傳感器的位移，對增強(qiáng)智能服裝的實際應(yīng)用非常重要。

3 智能服裝發(fā)展中面臨的挑戰(zhàn)

3.1 安全問題

裝有新型人體可穿戴設(shè)備的智能服裝的安全性是人們重點關(guān)注的問題[19]，主要涉及2個方面：一是產(chǎn)品本身存在物理安全隱患，二是信息數(shù)據(jù)存在安全隱患。

為了確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，例如需要提取人體心率、血液溫度等生理數(shù)據(jù)的智能服裝會要求貼體穿著，這對產(chǎn)品安全有更高的要求。同時，信息時代已積累的個人信息保護(hù)等安全技術(shù)[20]與智能服裝結(jié)合有一定難度，人們在智能穿戴設(shè)備方面的安全防范意識也相對較低，無法準(zhǔn)確有效地應(yīng)對個人信息數(shù)據(jù)的泄露。國家有關(guān)部門也缺少對智能可穿戴設(shè)備安全規(guī)范以及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的制定。

3.2 成本高昂難以普及

智能服裝產(chǎn)品因其可穿戴系統(tǒng)在運動、醫(yī)療等方面的便捷性應(yīng)用受到國內(nèi)外關(guān)注[21]。智能服裝的發(fā)展基于大量的電子傳感元件集成及復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳輸分析系統(tǒng)，這些都需要耗費大量專業(yè)成本。同時長期的數(shù)據(jù)傳輸分析也需要專業(yè)人才維護(hù)。這些原因使得智能服裝成品的價格十分高昂[22]，不利于大面積的市場普及。目前領(lǐng)先世界的智能服裝研究成果多出于高校、研究機(jī)構(gòu)等，例如意大利米蘭理工大學(xué)研究人員研究的傳感編織內(nèi)衣織物等[23]。但由于成本居高不下，市場環(huán)境也不充分，這些成果都僅限于實驗室中。

3.3 大數(shù)據(jù)應(yīng)用及其分析的準(zhǔn)確性

智能服裝心率監(jiān)測設(shè)備，需要有附著于人體表面的電極傳感器，通過傳感器層獲取數(shù)據(jù)并分類分析。同樣的數(shù)據(jù)樣本，對于不同人群、不同使用環(huán)境的判斷結(jié)果都是不同的，這需要不斷更新消費者身體狀態(tài)的數(shù)據(jù)并綜合分析消費者的使用場景、使用背景的數(shù)據(jù)。在此過程中如何應(yīng)用大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以提升監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性[24]，是一個非常值得思考和關(guān)注的問題。

4 智能服裝發(fā)展建議

4.1 尋求技術(shù)突破

智能服裝的基本要求是電子設(shè)備與服裝紡織品二者之間聯(lián)系的穩(wěn)定性，也是負(fù)責(zé)監(jiān)測身體信號的傳感器所輸出數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。需要消費者身體與傳感器的形狀、尺寸和位置方面互相匹配。目前傳感器的穩(wěn)定性需要進(jìn)一步提升，尋求技術(shù)突破。例如智能服裝涉及到材料的選擇以及傳感器設(shè)備的定制，可根據(jù)運動需求或消費者年齡的需求形成對應(yīng)解決方案。

4.2 制定智能穿戴裝備的安全規(guī)范

智能服裝作為新形態(tài)電子用品[25]，除了需要滿足基礎(chǔ)服用性能外，還需要進(jìn)行人體生理數(shù)據(jù)信息的收集工作。這就涉及到物理安全與“互聯(lián)網(wǎng)+”大數(shù)據(jù)模式下的個人信息保護(hù)[26]。需要國家有關(guān)部門制定關(guān)于智能服裝詳細(xì)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)安全規(guī)范以及信息安全保護(hù)措施，有效促進(jìn)智能服裝產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展。

4.3 整合智能服裝所涉及領(lǐng)域

智能服裝產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展需要服裝工藝設(shè)計、電子信息技術(shù)應(yīng)用等多種專業(yè)領(lǐng)域知識，紡織服裝行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、計算機(jī)行業(yè)等多種圍度的資源整合。其包含了數(shù)字制造、生物技術(shù)、柔性電路以及可穿戴技術(shù)等先進(jìn)的設(shè)備與技術(shù)[27]。多領(lǐng)域研究成果的結(jié)合，可促進(jìn)智能服裝發(fā)展的多樣性。為了促進(jìn)不同領(lǐng)域?qū)I(yè)資源的整合，可為不同專業(yè)領(lǐng)域的人才創(chuàng)建一個交流與溝通的專業(yè)平臺，為智能服裝產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供助力。

5 結(jié)束語

本文從智能服裝在運動、醫(yī)療、野外生命監(jiān)測等領(lǐng)域的應(yīng)用入手，對智能服裝發(fā)展的技術(shù)難點、面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行研究。智能服裝發(fā)展的技術(shù)難點在于人體生理信號監(jiān)測技術(shù)、傳感原件與服裝平臺集成技術(shù)、信號處理及系統(tǒng)通信技術(shù)以及服裝與皮膚之間的動態(tài)作用研究等。同時，智能服裝目前面臨產(chǎn)品安全、成本高昂、使用場合限制、大數(shù)據(jù)應(yīng)用等問題。除了科研層面上的關(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)一步研究外，在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方面，需要統(tǒng)一制定智能服裝安全規(guī)范，才能對這個智能服裝的發(fā)展起到良好的引導(dǎo)和制約作用，同時需要進(jìn)行紡織產(chǎn)業(yè)整合，因為只有全面的產(chǎn)業(yè)整合才能形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，進(jìn)一步促進(jìn)智能服裝降低成本，走向大眾。