智能服裝的應用現狀及發展方向

王朝暉， 程寧波

(1.東華大學 服裝與藝術設計學院，上海 200051；2.東華大學 現代服裝設計與技術教育部重點實驗室，上海 200051)

智能服裝是服裝、材料、電子信息、通信等多個領域交叉融合的產物，是當前的研究熱點[1-3]。從最新SG-2021第八屆寧波國際智能服裝服飾產業大會看，智能服裝種類繁多，從嬰兒到老人，從居家到運動，從日常到醫療、軍用等服裝均有涉及。智能服裝從最早電子元件和服裝的“物+物”組合形式逐步轉向纖維基傳感器件與纖維材料的柔性編織物形式，有效提高了智能服裝的柔韌性、舒適性和實用性。導電紗線編織織物極大提高了智能服裝的可穿戴性和舒適性，是目前智能服裝應用較多的一種材料[4-5]。隨著信息技術的快速發展，智能服裝將被賦予更多的功能，以滿足人們對更高生活質量的追求。文中從智能服裝的應用現狀出發，提出了智能服裝的技術難點，歸納了智能服裝面臨的挑戰，預測了智能服裝的發展方向，為智能服裝的進一步研究提供依據和參考。

1 智能服裝的應用現狀

近年來，隨著智能技術和智能材料的快速發展，智能服裝逐漸被應用于醫療健康、運動健身、國防軍事和時尚休閑等領域，為這些領域帶來了巨大的產業價值，并產生了深遠影響。

1.1 醫療健康領域

身體健康受到人們的普遍關注。智能服裝應用于醫療健康領域主要得益于嵌入織物中的各類傳感器，可以實時監測人體各種生理參數，包括體溫、血氧、心率、心電、腦電等，有利于疾病的發現、預防和診治，甚至減少死亡率[6-7]。早在2003年報道了一款呼吸和心臟功能動態監測的Life Shirt，服裝內置入的傳感器能夠同時監測體溫、呼吸速率、血壓和心率等多項人體生理參數，并能對監測的數據進行初步分析，為醫生的診治提供參考[8]。Owlet公司開發了一款智能襪子(見圖1)，用于監測兒童心率，并可以與手機APP連接，實時上傳監測數據，便于監護人了解兒童的呼吸和睡眠情況。瑞士Empa研究中心將光纖與紡織品集成，利用光纖傳感監測人體皮膚的血液循環，防止褥瘡的發生[9]。Smartlife公司將導電紗作為傳感器與織物結合，可監測人體信號，形成心電圖以測量心率，或形成肌動電流圖來監測肌肉活動，并將數據上傳至云端或醫生手機，這些大數據可輔助醫生診斷[10]。沈雷等[11]將NCF紐扣植入普通毛衫，若老年人走失或摔倒，將手機靠近傳感紐扣即可報警并及時將位置發送給緊急聯系人。智裳科技聯合Lightness共同研發了一款女性智能旋磁內衣，可加速血液循環，疏通乳腺，達到預防乳腺疾病的效果。從嬰幼兒體溫監測到老年人情感識別、防跌倒、風濕理療，從身體健康監測到疾病預防[12-13]，將電子產品或智能系統織入紡織品(如帽子、襪子、褲子、襯衫、毛毯和繃帶等)中，使得智能服裝能夠實時監測生理信號或執行特定的護理、理療功能，對人體健康狀態進行實時監控，對穿戴者予以相應的治療，保障人們的生命健康。

圖1 Owlet智能襪子Fig.1 Owlet smart socks

1.2 運動健身領域

智能服裝應用于運動健身領域主要涉及3個方面:①對運動者的生理信號(心率、體溫、血氧等)和運動數據進行監測；②對運動者予以一定的保護；③輔助運動者合理的、準確的訓練。Athos推出一種全新的智能運動衣和短褲，產品內置入大量傳感器，可以監測使用者的心率、呼吸頻率，甚至通過EMG傳感器可監測肌肉活動情況，并通過藍牙將數據發送到智能手機，受到了運動者的青睞[14]。Athos智能運動服裝如圖2所示。Ralph Lauren[14]推出的智能網球衫OMSignal，將可檢測心率、呼吸的心理壓力傳感器織入布料，并與防水且續航能力達到30 h的“黑盒子”連接，能監測人體情況，如勞累程度。OZLEM K等[15]研發了一種可穿戴傳感器，可測量運動員姿態，判斷姿態準確度，并可實時反饋以便運動員及時調整訓練方案，促進運動員提高成績[15]。Lumo Bodytech公司研發了Lumo Run智能跑步姿勢追蹤器，在智能跑步短褲內置入多種傳感器監測人體運動指標，例如穿著者的跑步節奏、足部與地面接觸時間、骨盆旋轉角度和步伐長度，追蹤器將數據發送到配套的接收器上，穿著者通過查看各種數據，及時調整運動姿態[16]。Hexoskin智能緊身運動衣采用智能織物，可監測運動心率、呼吸頻率等體征，并將數據發送到藍牙適配器上，應用范圍廣泛，如用于跑步、騎行等運動。目前運動領域較為成熟的智能服裝是將小型電子傳感器內嵌于運動文胸或運動衣中，用于監測心率或心電。考慮運動過程中皮膚移動對傳感器監測精度的影響，柔韌、彈性的傳感器成為當前智能傳感的研究重點。

圖2 Athos智能運動服裝Fig.2 Athos smart sportswear

1.3 國防軍事領域

變色服裝和紅外偽裝是軍事領域中常用的智能服裝，可隨周圍環境的變化改變顏色，不僅可防止被敵人發現，且可檢測到生化武器。與醫療、運動監測相似，軍用智能服裝將傳感器與衣物結合，對士兵心率、體溫、汗液等生理信號進行監測，還可對其定位，有效保障士兵的健康和安全[17]。智能溫控服裝在國防軍事領域也十分重要，尤其在極端環境下(極寒或極熱)，士兵需要將體溫維持在37 ℃左右，智能溫控服裝能實現在人體溫度過低過高時自動對其調節[18]。英國《每日郵報》報道了硅谷Omius公司設計的一款“會呼吸”夾克，該智能服裝能夠根據用戶體溫及室外溫度自動調節衣內溫度。英國Intelligent Textiles有限公司通過編織技術將電子設備織入可穿著的編織產品(如衣袖或潛水服等)，使其具有更好的保溫作用。智能編織物如圖3所示。軍用智能服裝不僅可實時監測士兵作戰狀態時的體征，還可根據環境和生理變化予以其相應的保護措施，對國防軍事具有重大意義。

圖3 智能編織物Fig.3 Smart knitting

1.4 時尚休閑領域

隨著人們生活質量的不斷提高，精神追求也日益受到重視，智能服裝的發展給生活帶來了新趣味和新生機。柔性智能發光材料的出現，豐富了智能服裝的功能性和趣味性，如光致變色材料、智能光纖材料和溫感變色材料等，可實現色彩和圖案動態變化。東華大學研發了一款發光科技旗袍，通過多形態、多色彩的電致變色材料，達到旗袍圖案根據環境變化動態轉換的效果[19]。倫敦設計師以“閃亮”為基調設計了一款發光禮服，該禮服將LED集成到新型織物中，并與手機相連，用戶可控制禮服的亮度和動畫形象，豐富了禮服的穿戴形式。深圳智裳科技有限公司設計了一款自發光可變色的婚紗，具體如圖4所示。該婚紗采用特殊面料，是利用光的傳導原理結合特殊的紡織工藝制成，可用APP遠程控制，讓其色彩隨音樂閃爍變幻。

圖4 智裳科技變色婚紗 Fig.4 Color changing wedding dress of AI-clothing

2 智能服裝的關鍵技術

運用在智能服裝中的關鍵技術包括傳感技術、智能新材料技術、集成技術和交互技術，而智能服裝關鍵技術的突破，可以促進智能服裝多功能、多場景的實際應用。

2.1 傳感技術

傳感器作為智能服裝的核心組成部分，是人體與電子系統之間的接口，它可將生理或環境信號轉換成電學信號，從而實現對人體、環境等的智能監測。目前剛性傳感器的研究已比較成熟，但無法滿足人們對智能服裝的柔軟舒適、可彎曲變形等要求，柔性傳感器具有體積小、延展性優良、柔軟性好等特點[20-21]，故成為當前的研究熱點。根據柔性傳感器信號轉換機制與工作原理的不同，可將其分為柔性壓阻式傳感器、柔性壓電式傳感器、柔性電容式傳感器、柔性電感式傳感器和柔性光纖傳感器等[22-23]。隨著人工智能、運動健康等領域的快速發展，人們對智能服裝的要求不斷提高，為了滿足人體穿戴舒適性的要求，具有柔韌、可拉伸、可彎曲、可回復特性的彈性傳感技術極具發展潛力。

2.2 智能新材料技術

服裝具有柔軟、質輕、可彎曲、可洗滌等特性，是智能可穿戴設備的理想載體，也是智能可穿戴技術的終極形態。傳統的電子器件一般為剛性，使人穿著不適，一定程度上限制了智能服裝的發展。近年來，一些新型智能材料不斷涌現，極大促進了智能服裝的開發、設計和應用。智能材料的種類繁多：①智能發光變色材料，如溫敏變色材料、LED光纖材料、電致變色材料、光敏變色材料、壓敏變色材料等，此類材料在不同的應用環境或是外界刺激下，帶給人們新奇的娛樂方式或保護[24-26]。日本Kanebo公司將光敏物質包覆在微膠囊中，采用印花工藝開發智能光敏變色織物，制備光敏變色短袖。②形狀記憶材料，如形狀記憶合金、形狀記憶聚合物、形狀記憶陶瓷等，此材料受外界刺激的影響在兩種狀態下發生可逆變化，在防燙傷、防摔倒、智能調溫等智能服裝中具有廣闊應用前景。馬里蘭大學開發了一種紅外輻射動態“門控”織物，可有效增強人體和環境的熱交換，是智能調溫服裝的理想材料[27]。

2.3 集成技術

智能可穿戴器件的柔性化、小型化、無線化是電子器件與服裝集成開發智能服裝的基礎。用于智能服裝的智能器件包括柔性傳感器、柔性傳導電路、柔性電極、柔性能量收集儲存設備、柔性顯示器等，這些電子器件需要相互配合完成智能監測、智能防護[20]。作為智能服裝的組成部分，智能可穿戴器件需具備柔軟、可彎曲、可水洗、長時間續航等特點，以滿足服裝基本的服用性能。智能纖維或紗線通常采用編織、刺繡、涂層、浸漬等方式與服裝集成，且需盡量減少連線，以提高智能服裝的舒適性和便攜性[28-29]。在信號傳輸和通信技術的集成方面，無線化是主流，對信號端口進行集中整合，使測試和監測更加靈活、方便，擴展性更強，也是智能服裝集成技術需要突破的難點之一。此外，智能柔性器件的放置應結合人體工程學和服裝工效學進行設計，遵循以人為本的原則設計和開發智能服裝。

2.4 交互技術

智能服裝應以穿戴者的需求為出發點，并以滿足人們的需求為落腳點。交互技術是人體與服裝進行溝通、回應的主要途徑，也可稱為人衣交互。人衣交互最常用的媒介是手機APP，穿著者給服裝傳遞相關信號，包括語音、圖像、文本、觸控等，智能服裝根據人體需求或環境條件的限定，做出相應的反饋和行為，與穿戴者產生運動交互、情感交互、認知交互、審美交互等。如智能心率監測衣，可對人體生理信號進行監測，將監測數據反饋給穿戴者或醫生，使其根據監測結果采取相應的措施或行動，實現對疾病的預防和健康的管理；智能姿勢監測矯正運動服，通過傳感器監測運動姿勢，以振動或語音的方式提醒運動者矯正運動姿勢，從而有效指導運動者進行合理、正確的運動；人體生理信號監測衣通過柔性顯示技術及時告知監測結果，為檢測者采取措施提供參考；智能情緒感知衣物根據多種生理信號監測分析穿著者的情緒，通過柔性顯示器展示積極圖像并播放合適的音樂幫助穿著者消除不良情緒，安撫心靈。

3 智能服裝面臨的挑戰及發展方向

3.1 面臨的挑戰

3.1.1安全性問題 雖然智能服裝的科技性極具吸引力，但智能服裝的安全性仍是人們關注的焦點，尤其是嬰兒和老人用智能服裝。安全性問題主要包括智能服裝中嵌入的電子設備、導線、電池等帶來的安全隱患，以及信息數據存儲安全問題，然而許多傳感器需緊貼人體皮膚才能準確監測生理數據，或不能接觸水，因此對智能服裝的安全性提出更高的要求。人們對信息數據的安全意識還比較薄弱，且目前也缺乏智能服裝安全規范和行業標準，然而在大數據時代，個人信息數據安全問題亦不容忽視。

3.1.2穿著舒適性問題 將微型電子器件嵌入紗線、織物、服裝中，或通過導電纖維編織成的柔性電子器件與傳統服裝結合，使得服裝具有智能性。電子器件一般為剛性，即便是柔性器件其柔韌性也不足，但通常這些智能器件被安裝在胸部、腰部或是關節部位，均為人體敏感或活動幅度較大的位置，會給人帶來不適感，甚至影響穿戴者的活動，同時也會影響智能器件監測的準確性，或損壞智能器件。滿足人們對服裝舒適性的要求，也是智能服裝需要解決的重點問題。

3.1.3耐水洗性及耐久性問題 雖然許多柔性器件已用于智能服裝，但耐水洗性仍是智能服裝面臨的挑戰之一。電子元件、柔性器件等經水洗易發生變形和損壞，且在穿戴過程中，智能織物或柔性器件容易發生磨損，甚至損壞織物或器件，尤其以線路連接的智能服裝更容易損壞，因此實現智能服裝的耐久性仍是智能服裝面臨的難題。

3.1.4能源供應問題 從SG-2021第八屆國際智能服裝服飾產業大會看，目前大部分市場化的智能服裝仍需要外接電源來維持智能器件的運行，如智能加熱服飾。現已報道了一些柔性電池、太陽能電池、納米發電機等，這些能源器件是解決智能服裝續航的潛在方案，但這些材料的性能、結構以及與織物的集成等仍需進一步優化。

3.1.5成本高昂且產業化困難 智能可穿戴在醫療和運動領域應用最為廣泛，智能服裝的設計和開發涉及多學科，需投入大量成本，制備工藝繁雜，難以真正走出實驗室進行產業化生產。目前許多智能服裝研究來自高校、研究機構，要想真正市場化，普及大眾，仍是一個巨大的挑戰。

3.2 發展方向

3.2.1安全舒適 隨著生活水平的提高，人們對服裝的舒適性要求也越來越高，對身體健康管理意識隨之增強，這將進一步推動智能服裝的發展和市場應用。將來，服裝智能逐漸普適化，甚至每件衣服都會內嵌各種傳感器，并采集各項生理數據，因此穿著舒適、安全是需要解決的首要問題。

3.2.2多功能集成化 現有智能服裝的功能性較為單一，監測或是加熱功能的產品較多。目前市場較為成熟的智能可穿戴產品主要包括手表、眼鏡等電子產品[30]，而智能服裝產品以加熱智能服飾、心率文胸、壓力鞋墊居多，功能較為單一。隨著科技的進步和生活質量的提高，智能服裝將沿著多功能集成化方向發展，智能監測可同時獲得各種類型的信號(如體溫、心率、肌電圖、心電圖、腦電圖和皮膚電活動等)，并進行處理反饋給接收平臺。可將智能高新纖維材料與柔性電子設備、能量收集設備等集成，實現具有多種功能的新型智能紡織品，使智能服裝具備熱舒適性、傳感、計算、電子控制和自供電等功能。

3.2.3降低生產成本 雖然智能手表、智能眼鏡等剛性智能可穿戴在市場已相對成熟，但智能服裝多數仍停留在實驗室，走入市場較少。要想智能服裝得到實際的、廣泛的應用，應盡量降低智能服裝的成本、優化其生產工藝，建立自動化智能服裝生產線，實現低成本的產業化。

3.2.4節約能源、綠色環保 綠色、環保是各行各業都關注的問題，未來的智能服裝應考慮可持續發展問題。原材料應盡量選取可降解、可循環利用的材質，遵循可重復利用的標準。在設計智能服裝時應堅持綠色環保理念，采用模塊化設計，并對可多次循環使用模塊、可回收模塊進行說明，盡量減少污染，節約資源。

4 結 語

智能服裝仍處于發展階段，在多個領域具有廣闊的應用前景，但仍需要多學科、多領域結合，共同促進智能服裝的發展，實現其產業化生產。隨著社會的進步和科學技術的發展，智能服裝的設計會根據消費者的需求發生變化，但仍需堅持以人為本的原則，并符合可持續發展的要求。