電子信息類智能服裝的應用與發展

周 燕

（江蘇省紡織工業協會，江蘇 南京 210002）

隨著互聯網、物聯網在各行各業的深度應用，電子信息技術成為社會生活中具有普遍影響力的科學技術。與此同時，如何解決“人民日益增長的美好生活需要和不平衡不充分的發展之間的矛盾”，成為以時尚美為使命的服裝行業需要面對的共同問題。在探索時尚與科技相融合的道路上，基于電子信息技術智能服裝的迅速發展，裝有各種柔性傳感器的監測類智能服裝逐漸成為服裝細分市場的重要分支之一[1]。電子產品在服裝中的應用是服裝智能化的科技基礎，服裝是電子產品人性化的載體，兩者相輔相成、互相提高，日益深入人們的日常生活中。將電子產品如傳感器、通信元件等，通過一定方法植入服裝后，可以在不影響穿著的情況下賦予服裝信息感知、通信、計算等能力，兩者的結合促進了電子信息類智能服裝的發展，實現了科技和時尚的融合[2]。本研究在查閱已有電子信息類智能服裝材料、電子信息類智能服裝等相關文獻的基礎上，從基本定義入手，梳理總結了電子信息類智能服裝在醫療檢測、運動、休閑娛樂、軍工等相關領域的應用情況，分析了此類智能服裝在發展過程中尚未攻克的一些技術難點，簡要預測了電子信息類智能服裝的發展趨勢，旨在為電子信息類智能服裝的研究與開發提供參考。

1 基本定義

1.1 電子信息智能服裝材料

一般來講，材料科學的創新性成果是后續工程應用領域創新的基礎，同樣的，適用制作新型服裝的電子信息服裝材料是該類服裝的基礎。電子信息智能服裝材料是指將電子技術、信息技術等高新技術融入紡織服裝產品的高科技材料[3]，如導電纖維、導電復合紗（圖1）、光導纖維等。

導電纖維是指在標準狀態（20 ℃、相對濕度為65%）下，比電阻低于107Ω·cm的纖維，具有優良的導電性能，并能通過電子傳導和電暈放電來消除靜電，主要用于消除靜電、吸收電磁波以及探測和傳輸電信號等[4]。智能服裝在滿足“智能”的同時，也應保證服用性能不受影響。所以，電子信息類智能服裝要求服裝內電子器件的連接導線具備柔韌性及可織性。柔性可拉伸的導電纖維/紗線能夠滿足上述要求，因而有望成為傳統金屬導線的替代品[5]。西南大學毛翠平等[6]采用浸潤-還原方法制備了高導電蠶絲纖維，使蠶絲纖維可以應用于未來的智能服裝中。

圖1 導電復合紗

光導纖維是一種可將光能封閉在纖維中并使其以波導方式進行傳輸的光學復合纖維，亦稱為智能光纖[4]。由于其既可感知信息又可傳輸信息，柔韌性好，且易于加工，近些年來也廣泛應用于智能服裝領域。

上述兩類典型性研究具有普適性的啟發意義，即如何在傳統的易紡織纖維或紗線的表面或者內核進行導電性改造，使之能夠在不改變服用性能的基礎上，增加導電性能，進而將微電子、電子科學“嫁接”到服裝領域。

1.2 電子信息類智能服裝

智能服裝一般是指能模擬生態系統，感知外部及內部環境變化，通過反饋機制作出響應，且能夠保留服裝固有風格和服用性能的服裝[7]，即智能服裝同時具有感應功能和反饋功能。

將無生命的服裝與人體這一復雜的生命體進行關聯和類生物的“對話”，是電子信息類智能服裝試圖突破和達到的目標。

按照智能化所采用技術手段的不同，智能服裝可分為功能性材料類智能服裝和電子信息類智能服裝兩大類，后者的實現主要依托于電子信息智能紡織品[8]。通過植入或者嵌入的方式，將一些電子器件（例如電源、柔性傳感器、芯片等）與普通服裝結合，可制成電子信息類智能服裝[9]。電子信息類智能服裝具備采集、分析、監控和傳輸數據的功能，可以與使用者進行交互，種類繁多，功能強大[8]。

2 電子信息類智能服裝的應用

電子信息類智能服裝種類繁多，功能復雜，在運動監測、醫療健康、休閑娛樂、軍工、通信等多個領域都有應用，可為穿著者提供生活便利，在特殊環境下甚至能夠保證穿著者的人身安全。

2.1 運動監測

電子信息類智能服裝在運動領域的應用，主要集中在通過傳感器監測人體在運動過程中的心率、呼吸頻率等生理指標，目的是通過這些生理數據反映穿著者的身體健康狀態以及運動效果[10]，此外，還有一些學者致力于運動損傷防護服裝的研發。近年來，越來越多的人開始走進健身房鍛煉身體，訓練項目種類繁多，某些項目如果在缺乏科學指導的情況下進行，極易對人體造成損傷，如初學者在進行杠鈴硬拉訓練時，極易損傷腰部肌肉。針對這個問題，李檉安等[11]在綜合運用傳感器、數字信號處理、軟件算法等技術的基礎上，研發了一款腰部運動損傷防護智能服裝，能夠防止腰部肌肉過度疲勞。

智能服裝公司Athos開發了一套智能運動服裝，如圖2所示，這套智能服裝包括一件長袖上衣和一條彈性健身短褲。服裝中植入了Athos Core小芯片和多個肌電傳感器，可以監測穿著者身體各部位的運動狀態和肌肉疲勞程度等生理數據，這些數據可通過藍牙發送到用戶的手機中[12]。Aaron Belbasis等[13]研制了一款可以檢測運動員潛在身體損傷的智能緊身衣，原理是在服裝中置入壓敏電阻材料，測定穿著者在運動時的肌肉活動狀況。

圖2 Athos推出的全新智能運動衣和短褲

2.2 醫療健康

電子信息類智能服裝能夠應用于醫療健康領域，主要得益于服裝內嵌入的各類傳感器，可以實時監測人體生理參數，如體溫、心率、血壓等，能夠預防、監控各種突發性或長期性疾病。近些年來，人們的生活節奏不斷加快，生活、學業等造成的壓力與日俱增，因此，很多人都有飲食不規律、抽煙、熬夜等不良生活習慣，導致患高血壓、糖尿病等疾病的概率逐年增加[14]。此外，由于人口老齡化程度不斷加深，獨居的老人越來越多，人們對醫療健康類智能服裝的需求越來越高，以便能夠隨時監測自身身體狀況，及時發現潛在疾病，以免錯過病情的最佳治療時機。

MITSUFUJI纖維工業公司開發了一種服裝用智能纖維，命名為“AGposs T1”。這種纖維兼具高導電性、耐久性、彈性、伸縮性以及耐洗滌性能，利用該種纖維制成的服裝，可監測人體的心率、血壓、呼吸量等生理信息，從而獲取穿戴者的身體健康狀況。Vivometrics公司推出了一款“救生襯衫”，這款襯衫中嵌入的傳感器能夠監測人體皮膚溫度、呼吸頻率等30多種生理數據指標[15]，可以使用掌上電腦記錄這些數據，極大地提升了監測數據的全面性，有利于疾病的發現和預防。

2.3 休閑娛樂

休閑娛樂類智能服裝能夠加強人與服裝的交互性，提升服裝的趣味性。飛利浦公司曾研發出一種智能夾克，這款夾克衣領上裝有立體揚聲器，能夠播放音樂，播放裝置體積較小并且能夠拆除。通過改變領型，穿著者可以改變音樂的播放方式，如獨自欣賞或者與人分享；夾克面料內嵌有天線，可進行收音、接聽電話以及下載音樂等[16]。根據夜間騎行愛好者的需求，荷蘭科學家開發了一款可以連接手機的智能騎行夾克，騎行者只要在手機上設置好導航路線，智能夾克就可以按照規劃好的路線導航；在智能夾克的背部還裝有LED顯示屏，通過LED燈光顏色的改變來表征騎行者的騎行方向，提醒后方車輛，保證騎行者夜間騎行的人身安全[17]，減少交通事故的發生。比利時的研究人員通過在服裝內襯中置入微電腦芯片，使服裝具有接聽移動電話的功能，服裝中的傳感器還能感知環境噪音的大小，自動調節電話音量[18]。張乃中等[19]研發了一款能夠演奏音樂的電子智能服裝：先將導電紗線編織到面料中，制得導電針織面料，再結合控制芯片和計算機編程技術，使服裝具有演奏各種樂器的功能，這種虛擬演奏顛覆了傳統的樂器演奏方式，在某種程度上實現了“無實物”表演。

2.4 軍工領域

軍工領域對電子信息類智能服裝的需求十分廣泛，目前，這一領域的研究主要集中在受傷士兵的醫療救護方面。將一些電子智能纖維和微型傳感器置入作戰服中，使作戰服具備監測士兵血壓、體溫等生理數據的功能，還可以識別外界的有毒介質并報警，提高作戰服的信息化水平[20]。除此之外，智能化作戰服還能抵御武器、自然環境、火焰等戰場災難對士兵的侵害[21]。研究人員在襯衣中植入塑料光纖傳感器，使該襯衣能夠探測士兵心率；光纖斷裂后傳輸信號會發生變化，醫護人員根據這些信號的變化，就能判斷士兵的受傷部位及受傷程度[22]。除此之外，在服裝中嵌入超微感應器，能夠辨別受傷士兵體表出血點，結合微電腦和遠程控制技術，使出血點周圍的服裝面料自動收縮，形成繃帶，能夠起到止血功能[23]，第一時間對受傷士兵實施救援，提高士兵在戰場上的生存能力。

3 電子信息智能服裝發展的難點

以上各類電子信息智能服裝的研制，在不同的應用導向下進行了富有價值的探索。從其創新探索的邏輯思考來看，“做加法”是出發點和實現方式，思維起點是將生命檢測前移，試圖通過將成熟的生命體征監測技術融合到服裝中，實現對生命體征數據的實時讀取與檢測，進而與大數據檢測、疾病預測、生命安全警示等傳統醫學、醫療科學方面的內容相結合，實現服裝由傳統的“保暖”到“保命”的質變。該類研究的核心有兩點，一點是生命信息的準確感應，多涉及柔性傳感器的領域；另一點涉及傳輸電路和分析電路的問題。前者主要需要解決電信號傳輸需求與服裝穿用環境條件之間的矛盾，后者需要確保對生物電信號的準確分析，并確保數據分析模型的準確性和科學性。

由于紡織品類柔性材料天然且不具備良好的導電或其他滿足電路設計需求的性能，在與生物、電路、微電子科學相結合的過程中，存在諸多需要解決的難題，主要包括3點。

3.1 服裝制作工藝

電子信息類智能服裝的面料在織造過程中可能會加入導電纖維、導電紗線或光導纖維，或者服裝中會置入一些電子元器件，這些電子信息智能服裝材料的存在會加大服裝縫制成形的難度。此外，怎樣在不損害服裝美觀性并保證人體穿著舒適性的情況下，將電子元器件植入服裝中，也是一個尚未完全攻克的技術難點。

3.2 電子元器件的能源供應

盡管目前許多電子元器件變得越來越微型化、輕質化，但仍然需要搭配電池使用，以保證能源供應。目前，電池存在續航能力不足、體積過大等問題，電池體積過大會降低智能服裝的服用舒適性能，隨著使用時間的延長，電池還會出現供電不均勻的現象，使數據處理準確性以及信號傳遞穩定性下降[24]。因此，需要進一步提升電池性能，改善電子元器件的能源供應。

3.3 跨領域產品設計的專業技術障礙

電子信息類智能服裝的研發依托于電子信息類智能紡織品，而智能紡織品是跨領域技術結合應用的產品，物理、化學、生物、材料、電子、信息通信等領域的研究學者需要緊密合作才能進行智能紡織品的研發。在合作過程中，如何向不同學科背景的研究人員詮釋不同的專業知識并融會貫通，是一個亟待解決的問題。

4 電子信息類智能服裝的發展趨勢

隨著人們對于品質生活的要求日益提高，人們會更加關心生命存活的狀態，對于能夠反映生命體征、提高生活質量的科技產品的需求正在由隱性走向顯性。服裝作為與人體關聯時間最長、與人體關系最為密切的產品，天然具有滿足這一需求的優勢。因此，電子信息類智能服裝的研究應該關注相關需求及其發展趨勢，加大科技創新的力度，滿足人們的心理需求。

4.1 功能更加多樣

由于目前技術尚存在不足之處，大部分電子信息類智能服裝的功能比較單一。隨著相關領域技術的不斷發展與交流，未來的智能服裝將集多種功能于一體，如一件服裝可兼具運動監測和休閑娛樂功能，能夠避免運動過程中的枯燥乏味，提升運動的趣味性，達到一物多用的效果。多功能的智能服裝能夠更好地滿足消費者的需求，吸引消費者購買，促進智能服裝的商業化和大眾化。

4.2 更加注重綠色環保

智能服裝中含有的導電纖維、光導纖維、傳感器、電池等電子設備如果不能妥善處理，將會對環境造成極大的污染，不利于智能服裝的發展。智能服裝廢棄后，應盡可能回收電子設備中的稀有元器件和金屬材料進行循環再利用[25]。隨著人們環保意識的不斷增強，未來在設計智能服裝時，會盡量選用天然、可降解的原材料減少污染物的排放，也減少智能服裝產品在設計、制造過程中對環境的破壞。

4.3 服用性能更加完善

服用舒適性能是智能服裝在設計制造過程中必須要考慮的問題，包括選用舒適的面料，同時服裝結構設計也要合理，不能影響穿著者的日常活動。電子信息類智能服裝在設計制作時除了考慮服裝款式、結構、面料這些服裝本身的設計要素之外，還要考慮基于硬件模塊的電子產品與人體皮膚接觸的舒適性，而且部分電子器件的體積過大，不適合嵌入服裝中[26]。盡可能減小電子元件模塊的體積與重量，進一步研發可穿戴的柔性電子元器件，是電子信息類智能服裝發展的趨勢。

5 結語

電子信息類智能服裝是目前的研究熱點，作為新興的一類智能服裝，應用領域十分廣泛，在醫療健康、運動監測、軍事領域等都能看到電子信息類智能服裝的身影。盡管我國在這一方面的研究起步較晚，但隨著紡織服裝行業、醫療行業、計算機行業等多領域研究成果的結合，跨領域產品設計的專業技術障礙被打破，越來越多的電子信息類智能服裝會被研發并投入市場，實現商業化和大眾化，促進智能服裝多樣性發展。