智能服裝的發展現狀與問題解析

黃豆豆,王 敏,2,*

(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)

智能服裝正隨著經濟的迅猛發展展露出其特點,它以驚人的影響力滲透于各個行業之中。智能服裝的出現是數字化信息時代的產物,它體現著人們對高效率高水平生活的追求和向往。智能服裝可以幫助人們感知人體自身和外界環境的變化和刺激,通過一系列信號的采集合成反饋到人們可視化的范圍,人們依靠反饋信息做出合理的調整措施,是集信息采集、收納、整理、反饋和調節于一體的多功能服裝[1]。從最基礎的纖維紗線到傳感器和電源,智能服裝的開發正邁出重要的一步。如今,各個領域都在大力開發智能微型設備和服裝,依據不同的功能要求設計研發可穿戴式的智能服裝,使其朝著輕量化、智能化、舒適化和多元化的方向不斷發展。

隨著科技的不斷發展進步,智能服裝的組成元件有了更廣泛的選擇,其應用領域也得以拓展。從智能服裝的設計元素出發,總結了其設計元素的發展現狀,并結合體育、軍事和醫療領域的需求現狀,對其在這些領域的應用加以分析,同時得出前階段智能服裝發展的問題所在。通過對智能服裝的發展和應用的論述,將進一步促進其需求化發展,以及智能組件和連接集成方式的進一步智能優化。

1 智能服裝的組成要素

1.1 智能導電紗線

電子紡織品所用的紗線要求有導電能力同時具備紗線本身的特性。智能導電紗線在生產合成過程中會增加一些特性,例如,親水性、疏水性、抗菌性能和屏蔽功能等。

當前智能紡織品和服裝中使用最多的導電紗線是銅、不銹鋼、銀、黃銅鎳及其合金制作的金屬紗線或纖維。這些金屬紗線滿足了較高電導率的要求,但通常比以錦綸、羊毛和棉花等材料為基礎的商業紡織紗線更重更硬。聚合物導電紗的應勢出現,改變了導電紗線的發展方向,這類聚合物紗線可分為三類:本質上導電的聚合物紗線、金屬絲纏繞或嵌入的聚合物紗線以及用導電添加劑填充的聚合物紗線,如炭黑、碳納米管或導電聚合物[2-3]。

1.2 傳感器

為了順利監測到身體的反應信號,在整個智能服裝系統中,傳感器發揮著極其重要的作用。可以說,智能服裝是將基于紡織品和服裝設計的傳感器和紗線等準確無誤地集成于服裝中,進而產生感知和積極反饋周圍環境的行為。根據其行為,智能紡織品可具備傳感、驅動和自適應等功能[4]。

為了實現紡織一體化,在保證紡織工藝可操作性的同時,也要兼顧生產過程中傳感器的集成。為了同時感知不同的刺激和影響,傳感器之間應該是可組合的。此外,模塊化的構造方法保證了對操作條件的最佳適應。根據這些模塊連接,加上材料的組合、生產纖維的方式和后整理等方式,使得傳感器擁有了更多的特性和可能性。

許多關于智能紡織品的研究項目集中在開發基于紡織品的傳感器和執行器上[5-6],這些傳感器和執行器可以綁定到防護服或醫用紡織品的可穿戴系統上。

1.3 連接技術

智能紡織品通常被描述為由兩個基本組件組成的復雜系統,包含有特定功能的織物結構和相應的電子部件。智能服裝的基本組件稱為智能服裝單元,其形態學在此類系統的開發中發揮著重要作用,通常一個單元具有多層結構,包括傳感器、電路、保護層和其他相關化合物,由此可知,連接技術在智能紡織品生產中發揮著至關重要的作用。連接的方法和相應的技術取決于所需要的功能,這些不同的功能,每個都有獨特的連接需求。

傳統的紡織品可使用引導電路導線和控制紡織品與微芯片、電阻和二極管等元件之間的電接觸,這些技術可以通過刺繡[7]、縫紉或打印等技術來實現。由于導電材料的多樣性,包括單絲金屬線和導電紗,導電電路可以通過編織等技術直接安放于紡織結構中。此外,紡織粘合[8]和電子接口能確保可預測、導電和可靠的布線線路,并可以設計為永久的或可逆的。

1.4 供電方式

事實上,將電子功能融入織物的電子紡織品或智能紡織品都需要電源的支持。目前使用較為廣泛的依然是蓄電池,除此之外,一些較為新型的供能方式正處于研發完善階段。新型功能方式包括太陽能、運動(如壓電轉換器)和熱量(如熱電轉換器)等。

1.4.1 蓄電池

蓄電池是最簡單基礎的供能方式,它在加入智能服裝系統時,考慮最多的便是安全性和舒適性。為了增加服裝的利用率,蓄電池往往選擇可充電電池,而且接入電路多采取靈活便捷的形式,便于接入和拔出。因為體積的問題,電池的嵌入或多或少都會影響服裝整體的舒適性,未來輕量型可持續型的電池將是發展主趨勢。

1.4.2 光伏電池

太陽可以提供充足的輻射來滿足我們所有的能源需求。當然,輻照度的間歇性和變異性需要一種高度技術性的方法來收集和轉換它,最有效的太陽輻射轉換可由光伏電池提供。通常,太陽能電池會夾在堅硬的玻璃或聚碳酸酯板之間,或被玻璃片或聚碳酸酯板覆蓋[9]。玻璃和聚碳酸酯板相當重,而且玻璃很脆弱,因此,越來越多的注意力轉向了更輕、更靈活的電池構造,現在有大量的太陽能電池應用柔性塑料或金屬薄膜的例子[10]。

制作太陽能服裝的方法有多種,其中一種是將傳統的太陽能電池板附著在服裝上,例如,一些太陽能背包[11];另一種廣泛使用的方法是在織物上附加一層太陽能塑料薄膜。此外,將薄膜附著在織物上的方法,如縫紉、焊接或層壓,在商業上都已很成熟。

1.4.3 壓電電池

壓電現象指的是施加于壓電材料上的力轉化為電。壓電陶瓷是一類重要的壓電材料,是具有多晶結構的鐵電材料,壓電聚合物是一種極具吸引力的壓電材料,具有良好的壓電性能和比壓電陶瓷高得多的彈性。天然聚合物,如多糖、蛋白質和多核苷酸已經顯示出一些壓電性能[12]。

智能服裝中使用壓電電池的優勢在于可以將運動和呼吸等對服裝造成的形變收集起來,變成電子組件所需的電能。這種方式既節省了資源,同時也對人體自身的活動進行了利用,在保證安全可靠的條件下,這種供電方式是較好的選擇。

1.5 服裝材料

智能服裝中最主體的是服裝面料,使用具有功能性的面料可以配合電子元件完成監測和反饋的性能,例如,抗菌、防水、防輻射的材料。其次,一些特殊的纖維面料可以對外界刺激產生反饋,例如,吸濕發熱和光敏變色、電致變色等面料。當服裝面料具備了某種功能,集成于服裝中的電子設備就可以簡化設計,這樣對智能服裝的結構設計要求較低,同時簡化的布線線路會減少對人體的潛在傷害。

2 應用研究進展

2.1 軍事領域

目前對軍用智能紡織品的研究包括提高防彈水平,以及在服裝、背包或帳篷中開發具有集成傳感器和嵌入式傳感技術的新設計。智能紡織品正在取得進展的各種功能包括健康監測、通信(有線和無線)、增強的機動性、生存能力、減少熱應激、減輕后勤負擔和偽裝[13]。

智能服裝的環境感應要準確探測到敵人的存在或潛在的生化威脅。適當的傳感器可以識別爆炸情況并報告是否存在任何健康風險[14-15]。智能紡織品融入軍服有助于實現生理狀態監測、可穿戴電源和電阻加熱等復雜功能,健康監測有助于士兵更好地執行任務和及時提供醫療援助。

智能服裝融入軍事領域需要完成的最重要任務之一就是預警。其設計點在于各種系統提供的彈道導彈攻擊、空中攻擊或其他潛在威脅的早期預警[16]。預警系統的主要目的是在提前預知潛在威脅,這樣可以拯救士兵和平民的生命或防止其他類似的大規模破壞。

智能服裝的開發可以包括研制具有變色龍特性的偽裝制服。例如,當一個士兵從沙漠轉移到城市時,這種衣服可能會改變顏色,同樣,衣服的顏色也會隨著時間或其他環境因素而改變,這可以通過整合電子紡織品和形狀記憶材料來實現。

2.2 體育領域

運動服裝領域開發的一些產品,傳感器通常戴在胸部、手臂或手腕上。這些產品不僅能監測重要的信號,而且還提供性能分析,如燃燒的卡路里和位置、時間等信息。有些系統還可以根據收集到的生命體征和表現數據來指導個人培訓。

2.2.1 生命監測服裝

LifeShirt?是21世紀初較早進入市場的可穿戴健康監測系統,該系統包括服裝、手持設備和基于電腦端的分析軟件。這種衣服通常以背心或胸帶的形式出現,持續監測心電圖、呼吸、活動和姿勢的傳感器與手持設備連接,將采集的數據上傳至數據庫進行分析。腦電圖、皮膚溫度、血氧飽和度和血壓傳感器可通過插入系統內的其他端口獲取,以實現多種功能。

2.2.2 智能膝蓋套筒

智能膝蓋套筒是一種用于預防傷害的設備,它為佩戴者提供關于膝蓋角度的即時反饋。智能護膝的主要市場是運動領域,如籃球和足球,其中膝蓋由于經常性的跳躍和著陸活動受傷頻繁。該系統幫助運動員和教練員預防損傷,特別是韌帶損傷,也可作為損傷后的康復輔助,在治療過程中反復教導患者正確進行關節運動。

2.3 醫療領域

智能服裝在醫療衛生領域的應用包括健康監測、防護修復和安全監護。針對老年人開發的智能服裝要求更加嚴格[17],在面向老年人群體的時候,考慮舒適性和功能性需要更加全面。例如,許黛芳等[18]設計的阿爾茨海默病老人針織智能安全監護服裝,從各個層面分析,設計出具有輔助全球衛星定位系統、跌倒檢測、語音提醒功能和健康監測的適用于特殊群體的服裝。其中石墨烯柔性材料的制備與應用是智能服裝材料使用的新目標。老年人面臨的另一大難題便是骨質疏松,張樹梅等[19]研究出骨質監測傳感器,并采用合適的方法放置在服裝上,達到骨質健康監測和反饋的作用。

最貼近人體的衣物是最容易收集身體信號的,智能內衣的發展和完善將會對我們的生活產生更加積極的影響。智能內衣在長期監測人體信號的過程中,可以有效預防疾病和解決突發事件[20]。腰部肌肉勞損是日常生活中運動時可能會遇到的情況,李檉安等[21]提出結合表面肌電信號與肌肉疲勞的聯系,在肌肉疲勞到損傷時及時做出預測和反應以此來保護腰部。

3 問題分析

3.1 技術模式

智能服裝紡織品研發的關鍵問題之一是研究如何將各電子組件集成于紡織品中。設計的產品應該結合諸如紡織品的可洗滌性和耐穿性以及電子產品的智能等特性。智能服裝開發商面臨的另一個挑戰是電子元件的微型化和柔性化以及生產方式的改變。此外,智能服裝的傳感系統和供電系統材料的選擇、靈敏度和安全性也是需要慎重考慮的方面。

3.2 可持續利用

現階段,大力倡導綠色經濟和可持續發展,建設環境友好型社會。智能服裝中所使用的各種元件以及智能服裝本身的加工生產存在著污染環境的危害因素,同時,紡織品的回收也是一個比較棘手的問題。在此后的設計中,智能服裝系統的供電方式由傳統的蓄電池轉變為環保的光伏供電和壓電供電是必然的趨勢,在解決了技術問題之后,這一供電方式的轉變將在很大程度上實現資源的節約。同時,智能服裝的各個元件以及面料在后期都要保證高效率的回收。

3.3 服用性能

智能服裝中所用的大多數電子產品在使用時會靠近人體,這樣可能會存在一定的安全隱患。穿著智能服裝時,安全是首要考慮的問題。其次,穿著過程中有關舒適感覺的各個層面在前期設計中都需要考慮到。

智能服裝穿著舒適性的測試指標可能與普通服裝不同,因為有電子產品的加入可能會使得檢測方法變得更加復雜,成熟完善的監測手段和方式需要進一步研發。同時,使用過程中紡織品和電子設備的磨損老化也是真實存在的問題。

4 結語

從智能服裝系統的組成要素出發,分析了智能服裝開發的關鍵技術及其發展,闡述了智能服裝在軍事、運動和醫療等領域的發展。目前智能服裝的技術仍有待完善,其市場需求也在不斷變化。隨著可穿戴式傳感系統的飛速發展,技術集成程度不斷提高,未來可穿戴式傳感器的發展也將順應這一趨勢。前沿技術的進

一步發展,技術集成的程度將成為智能服裝產品的關鍵問題,降低產品的侵入性和笨拙性,從而提高用戶友好性和適銷性。未來柔性材料、壓電材料等會廣泛應用于科技服裝領域,以便于解決智能服裝舒適性和可持續性發展的問題。