智能服裝和智能服裝材料研究進展

孟琪潔

(東華大學 服裝與藝術設計學院,上海 210051)

隨著技術的發展,智能服裝逐漸成為紡織服裝領域的熱點話題,智能服裝結合了多種技術,是多學科多領域的交叉產物,在眾多領域均有應用,如健康醫療、軍事裝備、運動娛樂等領域。智能服裝滿足用戶更多需求,給予傳統服裝無限可能。同時智能服裝材料的研究也如火如荼,通過將導電材料、光纖織物等融入紡織材料從而實現多種功能。

1 智能服裝研究進展

智能服裝可以被定義為對某種刺激做出反應的紡織品,同時伴隨著其性能的變化。

智能紡織品可以監測一個人的健康狀況,如溫度、運動、化學物質、心率、呼吸、機械參數等。它們可分為兩類:被動智能紡織品和主動智能紡織品。被動智能紡織品能夠感知來自機械、熱、化學、電或磁源的環境條件和刺激,而主動智能紡織品同時具有傳感器和執行器,例如調節穿著者的體溫。智能服裝的基本組件主要有傳感器、執行器和電子(通信、計算和監控)單元[1]。

1.1 健康醫療領域

智能服裝在健康醫療領域的研究與應用最為廣泛,如用于定位監測以及情感感知功能。

隨著老齡化進程加快,安全監護服裝逐漸成為近年來智能服裝設計研究的熱點。2018年,美國弗吉尼亞理工大學團隊研發出的防跌倒智能褲[2],可以幫助阿爾茨海默病患者確定跌倒風險,從而減少跌倒導致的老年人受傷狀況。防跌倒智能褲實物圖如圖1所示。

圖1 防跌倒智能褲

2019年許黛芳團隊[3]提出了目前阿爾茨海默病老年人智能監護服裝中存在的設計問題,從系統、面料、工藝、服裝造型結構4個維度出發,將石墨烯柔性傳感器等器件布置在針織毛衫上,從而代替杜邦線、普通電路板及顯示器,很好地改善了服裝材料舒適性問題;同時輔以A-GPS定位功能、跌倒檢測功能、健康監測和語音提醒功能。

除了將傳感器與日常服裝相結合,2019年Francesco Alaimo團隊[4]開發了一種能將普通紡織紗線轉化為智能紗線的技術,并將其應用于步態監測的智能鞋墊。

智能服裝在防護保健方面的應用有Jaana團隊開發的適用于北極環境的智能服裝[5],幫助使用者在惡劣和苛刻的天氣條件下生存,為用戶提供通信、定位和監控等功能。防護服的監控系統由溫度傳感器、加速度傳感器、心率傳感器和電導傳感器組成,可以測量人體和環境的相關參數。根據這些測量值,可以自動發送緊急信息。

2020年,朱江波團隊[6]設計并開發了可水洗超薄智能溫控發熱保健服裝,通過應用智能柔性發熱系統、智能低壓供電系統和高精度柔性傳感器,開發了一系列可水洗的超輕超薄智能發熱保健服裝。

心理健康已成為嚴重影響人們生活質量的問題,交互技術可以提高人們之間的情感交流。

2018年,Weizhen Wang團隊[7]將微型傳感器和發光二極管(LED)嵌入情侶服裝原型,并做初步的情感評價。研究發現,交互式服裝與人類情感表達之間存在很好的相關性,實驗服裝能夠刺激參與者的情緒反應。

隨著科學技術的飛速發展,利用機器人與人之間的交互作用來提高心理健康水平成為一個全新的方向。但由于機器人設計有限且體積龐大,無法便捷攜帶。因此,2019年Jun Yang團隊[8]提出將個人機器人、智能服裝、云終端集于一體的情感感知系統,實現了一種新的“以人為本”的情感互動模式,即個人機器人與智能服裝互相彌補,與用戶共同互動。利用人工智能技術、知識圖設計情感感知和交互算法,包括智能推薦、關系識別、情感表達識別功能。同時,對不同的場景進行分析,結果表明,該系統可以廣泛應用于服務人群,提高人們的心理健康水平。

1.2 軍事裝備領域

智能服裝在軍事裝備中的應用也十分廣泛,從敵我識別到對傷員的健康監測和簡易治療,以及評估士兵精神狀態等各個方面[9]。

美國麻省理工學院為美軍開發了一款敵我智能識別作戰服[10]。他們在織物中加入一種特殊的光學纖維,用該織物制成的軍服經照射且被激光器識別后,能夠發射出“友好”信號,因此士兵可以據此迅速辨別對方身份,從而使誤傷概率大大降低,提高協同作戰的效率。

防彈衣往往由40多層面料構成,笨重且缺乏機動性。2014年,德國亞琛工業大學研究所為安全執法人員開發了一款輕便、靈活的智能防護服裝[11]。該服裝由健康監測和傷害控制系統組成。健康監測系統可以實現人體基本生理數據的采集。傷害控制系統可以通過傳感器的損壞位置來監測和判斷對應器官的受傷情況。此外,該服裝還能實現地理定位信息和傳感器數據的遠程傳輸。

為了實時評估士兵在作戰中的心理壓力,西班牙國防部的研究人員開發了一款由織物非侵入設備和傳感服裝組成的測試系統[12]。該系統可以實時采集穿著者的心率、呼吸頻率、皮膚電反應及外周溫度等指標數據。據此來判斷士兵的精神狀況,從而評估其是否適合進行某種軍事任務。

1.3 運動娛樂領域

在運動領域,可穿戴服裝傳感器系統可以測量用戶的運動負荷,并提供計算所得的熱量消耗量,從而鼓勵用戶進行體育鍛煉。如NIKE公司在2012年推出Nike+Basketball和Nike+Training運動鞋[13],該運動鞋可追蹤用戶的運動并為用戶的表現打分。同時,通過iPhone和iPod touch的Nike+應用程序APP用戶可以共享得分并與朋友分享排行榜,從而使用戶在競爭環境下更加努力地訓練。

隨著肌電圖等復合傳感器技術的進步,智能服裝可以感知并監測肌肉和身體運動的負荷,從而實現運動護理和指導功能。如Electric foxy的智能瑜伽服Bend series[14],該智能瑜伽服會在用戶姿勢錯誤或有潛在危險時通過觸覺反饋通知用戶,該防護服配有4個彎曲和拉伸傳感器,可以準確確定錯誤姿勢發生的位置。因此它可以幫助用戶在運動中學習正確的姿勢,該瑜伽服還可以將有關瑜伽輕度鍛煉的報告隨時發送到智能手機或平板電腦。

在游戲領域,2016年,聯想推出一款可以控制手機游戲的智能跑鞋[15],該跑鞋可以與手機游戲配合使用,用戶可以用腳作為控制器來回移動;同時,這款鞋子可以計算用戶的步數并追蹤燃燒的卡路里;此外,該款跑鞋采用3D打印技術定制的鞋墊,將其放在鞋子大小的充電面板上,可以進行無線充電。

2020年,Hyunseung開發一款運動服[16],實現了后方檢測功能,同時可以實時測量用戶心率,通過藍牙連接到智能手機。在滿足功能性的的同時考量了智能服裝的美觀時尚度。此外,在寒冷環境下,該運動服還能提供加熱功能,以維持用戶身體的熱量。

2 智能服裝材料研究進展

隨著智能服裝的迅速發展,與其相結合的新一代材料也正在開發中。在開發初期,智能紡織品所需的組建單元由傳統的電子元件覆蓋在紡織品上得到,隨后智能導電材料、光纖織物、納米材料、相變材料、光致變色材料等作為智能服裝材料被廣泛運用。

2.1 導電材料

智能服裝往往要結合電子元器件,這些電子產品分布在一件或幾件衣服上,不同電子模塊間需要用導線連接。普通電線由于長時間使用會僵硬,漸漸被導電纖維替代。Jaana團隊[17]研究導電纖維紗線在智能服裝中的應用,其往往作為通信介質或電極材料。通過加速試驗和抗拉強度試驗表明采用合適的導電纖維材料和焊料可以實現可靠的連接。

2015年,韓瀟[18]設計了一款可用于智能監測的無縫內衣,采用鍍銀錦綸導電紗線,并運用提花添紗技術編織柔性針織傳感器。

2018年,Sadeqi團隊[19]研制了一種易于拉伸和可水洗的智能紗線,它可以被縫進可穿戴紡織品中,用于制作智能可穿戴織物,并且能夠監測人體的生理運動。該團隊使用聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)膨化紗線作為基材,并通過簡單卷筒涂層工藝使其對應變敏感。PBT本身是用不易拉伸的紗線制成,但通過拉伸紗線打開細絲可以賦予其延展性。在PBT紗線涂上電阻碳墨水將它們轉換成應變傳感器。而該紗線的耐水洗性是通過涂覆一層薄薄的PDMS實現的。

除了將傳感器與日常服裝相結合,2019年,Francesco Alaimo團隊開發了一種能將普通紡織紗線轉化為智能紗線的技術,并將其應用于步態監測的智能鞋墊。制作過程中使用墨盒在裸露的紗線上涂上導電墨水,然后在加熱室中干燥。將智能紗線排列在二維網格中,該網格由16個水平線和8個垂直線組成,并伴有一個氣墊間隙,從而實現智能鞋墊。通過對二維網格實時應變信息的進一步處理,可以生成精度為16×8像素的二維壓力腳圖,這些腳圖可以直接監測足部的活動強度和其他身體活動。結果表明,該鞋墊對步態監測具有良好的靈敏度和精度。

智能服裝中除了導電紗線外,2014年重慶大學和美國佐治亞理工學院聯合研制了一款能自動供電的織物,該織物能在收集光能的同時通過摩擦發電儲能[20]。其導電原理是在聚酯纖維表面鍍金屬層和半導體涂層。將該智能纖維與普通纖維混合編織,可用于制作各種款式的智能服裝。

2.2 光纖織物

光纖和紡織物結合形成復合織物,即光纖織物,是一種新型智能材料。光纖織物采用聚合物光纖,因此兼具紡織品的柔軟性和光纖的導電性。光纖傳感織物是光纖織物的一種應用,其往往將光纖作為傳感器進入到織物中[21]。

光纖織物在醫療領域中的應用很廣,2009年和2010年,Jonckheere團隊[22]和Silva團隊[23]分別用刺繡和涂層工藝將光纖光柵結合到織物結構中,制作可以監測心跳和呼吸等生理特征的傳感織物。2017年,王飛翔團隊采用襯緯的方式[24],將光纖織入經編織物結構中,開發的光纖傳感織物主要用于對呼吸信號的檢測;由于經編針織結構可以提高傳感織物的柔軟性,因此這種方法大大提高了織物表面平整度,同時也提高了織物使用的適形性和舒適性。

除了將光纖織物用作傳感器,光纖發光織物是光纖織物的另一種應用,在醫療領域,光纖發光織物用于光動力療法裝置進行某些疾病的治療,如在2017年,Oguz團隊[25]將光纖和織物一起編織,研制出一種發光織物,通過彎曲光纖可使其獲得發光的效果,并將光線照射到患者的皮膚上,用于角化病等皮膚病的治療。

2.3 納米材料

近幾年,納米技術也逐漸被引入紡織領域。其中涉及微膠囊的納米粒子或納米產品,可與各種各樣的產品一起使用,這些產品具有與封裝產品性質相關的不同特性。

2007年,Becheri團隊[26]合成了納米尺度的氧化鋅顆粒并將其應用在棉毛織物上用于防紫外線。在不同溫度(90或150℃)和反應介質(水或1,2-乙二醇)下制備納米顆粒。之后將納米氧化鋅應用于棉花和羊毛樣品,使處理后的紡織品有防曬活性。通過紫外-可見分光光度法和紫外防護因子(UPF)的計算來評價處理效果。

2009年,Abramov團隊[27]設計的裝置是為了放大各種納米顆粒在織物上的聲化學輔助涂層。該裝置每次可在連續50 m的棉織物上涂覆Cu O或ZnO納米粒子。分析涂層棉織物表面金屬氧化物的結構和形貌,發現其為納米晶氧化物(粒徑約10～20 nm)。該涂層均勻、穩定,且至少20次清洗循環后依然能保持其生物殺滅性能。含CuO涂層的棉織物對大腸桿菌具有良好的抗菌性能。

2013年,Sundarrajan團隊用納米顆粒和納米纖維代替防護服中的活性炭。金屬氧化物納米粒子,如Mg O、Al2O3、Fe2O3、ZnO和TiO2能將化學和生物戰劑(CWA)降解為無毒產品。它們還增強了各種性能,如機械性能、耐化學品性、阻燃性、抗菌性和自清潔性。

2.4 相變材料

通過加入相變材料可以促進智能服裝的熱調節從而提高其舒適性,尤其是運動服和休閑服。這些材料在醫用紡織品領域也有著廣闊的應用前景,消防隊、賽車隊和汽油泵服務人員的形狀記憶防護服正在開發中。后者含有形狀記憶材料,在一定的高溫下有助于絕緣層的形成,通過恢復原始形狀來分層,這樣就可以防止人體過熱。

2007年,Sarier團隊[28]開發了基于原位聚合的制造技術,以實現相變材料(PCMs)的微膠囊化,并將這些產品融入多組分非常規織物中。他們用該技術制備了4種不同蠟含量的聚脲醛微膠囊,此外,還基于多層織物系統模型,重點研究在指定寒冷天氣和物理活動條件下,微膠囊化PCMs對具有一定被動隔熱特性的織物熱性能的貢獻。

2.5 光致變色材料

2015年Arun Kumar介紹了一種制備經太陽光激活的綠色發光Eu2+/Dy3+摻雜鋁酸鍶(Sr1-x-yAl2O4:Eux2+/Dyy3+)的研制途徑。通過定制的固態反應溶液澆鑄方法獲得持久、透明、柔韌和防水的磷光層。發光涂料的這些顯著特性及柔性透明磷光層可用于光學顯示和國防應用。

2018年Tawfik團隊[29]研制了一種基于涂料印花的光致變色熒光棉織物。這種織物是由水基涂料黏合劑印花配方制成的,其中含有具有良好光穩定性和熱穩定性的無機顏料熒光粉。其最佳激發波長(365 nm)可導致織物表面顏色和熒光的變化。

3 討 論

智能服裝一直是全球紡織服裝消費市場的熱點,但在智能服裝能夠廣泛使用之前,一些技術挑戰如電池容量、組件體積、重量、系統成本以及與服裝融合性均需要改進。這些問題使得智能服裝的時尚性有待提高,因此很多學者都在致力于這方面的工作,并積極開發相關智能服裝材料。

從上述文獻中也可以發現,將傳感器集成到日常穿著中,未來將徹底改變醫療保健和健身領域服裝行業。在交互式服裝設計過程中,技術功能應與人類情感表達同步,因此交互式服裝的研制可以填補人類情感與可穿戴技術之間的鴻溝,以實現交互式時尚創新。

因此如何將時尚與科技相結合是智能服裝領域研究的一個熱門話題。科技與時尚交融的產品未來應用廣泛,且具有較大的銷售市場。

對于研制智能服裝材料而言,目前涉及多學科技術,如導電技術、光電技術、化學化工技術、納米技術、生物技術等。這些材料的應用也極為廣泛,如傳感線是智能織物的基礎,可以跟蹤人體運動并用于實時生理監測;將這些智能紗線與服裝結合可以檢測人體形態(如坐姿與站立)和人體運動(如跑步與步行)。將該智能纖維與普通纖維混合編織,也可用于制作各種款式的智能服裝。

目前,光纖織物在醫療領域的應用主要集中在人體生命信號的檢測、傳輸和光動力治療等方面。但目前絕大多數情況下光信號在實際使用時還需要與電信號進行轉換,由此所需的信號連接、處理,以及光源、電源等裝置帶來的空間占用和重量承載已經成為制約光纖織物及其最終產品進一步發展的主要障礙。這些裝置的小型化、輕量化和集成化必將為光纖織物在醫療領域的應用起到助推作用。印刷樣品的光穩定性、熱穩定性、高可逆性和抗疲勞性,使其在未來有望成為品牌保護、軍事偽裝和安全印刷等特定領域的通用智能服裝。

新型智能服裝材料的研制使很多功能得以實現,未來可以結合智能服裝廣泛應用于醫療、體育、軍事和時尚產業中。

4 結束語

通過整理歸納在健康醫療、軍事裝備、運動娛樂領域的智能服裝的研究進展可知,智能服裝的主要功能以定位、監測、交互為主;通過分析近幾年智能服裝材料的研究進展可知,通過不同技術如光電技術、化學化工技術、納米技術等可以改變材料性質,從而實現其多功能化。

智能服裝在當今紡織服裝行業已成為研究熱點,目前已有相當多的研究成果,但依舊存在不少技術問題,需要各界學者協力共同克服阻力,使智能服裝能夠在未來廣泛使用。