智能運動服飾的研究現(xiàn)狀

孔建建，朱達(dá)輝，黃偉峰，代麗茜，孔文靜

(1.東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，上海 200051； 2.蘇州工藝美術(shù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215100； 3.煙臺南山學(xué)院 數(shù)字傳媒系，山東 煙臺 264000 ； 4.江蘇舜天國際集團創(chuàng)業(yè)有限公司，江蘇 南京 210012)

智能運動服飾能針對性地對運動者進行實時運動監(jiān)控、科學(xué)分析指導(dǎo)[1]，為其日常生活中運動健康[2]、運動矯正[3]、運動安全[4]、運動賦能等實際應(yīng)用保駕護航。智能運動服飾通過不斷的技術(shù)改良，目的是將智能裝置與運動服飾有效地融合一體，實現(xiàn)服裝智能化功能設(shè)想。

本文對近年來智能運動服飾及其技術(shù)和應(yīng)用加以分析，從智能運動服飾的關(guān)鍵功能及技術(shù)突破角度切入，綜述現(xiàn)有智能服飾的研究現(xiàn)狀，并對智能運動服飾及其核心構(gòu)件的發(fā)展趨勢進行了展望，以期為智能運動服飾的發(fā)展提供參考。

1 智能運動服飾的關(guān)鍵功能

智能運動服飾原理圖如圖1所示。智能運動服飾可分為三大端口，即信息監(jiān)測端、信息存儲端以及信息整理端，各端口的功能包括信息收集、分析、傳輸、存儲、反饋、顯示等。信息監(jiān)測端一般內(nèi)置集成模塊，通常由各式運動傳感器、電源、電子線路、顯示裝置等組成；信息整理端通過各種傳感器收集運動數(shù)據(jù)并加以分析；信息存儲端即遠(yuǎn)程服務(wù)器共享中心，其可將原始數(shù)據(jù)、分析形成的運動警示或運動建議方案進行儲存；最后將其反饋至智能運動服飾顯示端。

圖1 智能運動服飾原理圖Fig.1 Schematic diagram of intelligent sportswear

1.1 信息收集與分析

智能運動服飾可基于各式傳感技術(shù)收集心電圖檢測、呼吸監(jiān)測、脈搏監(jiān)測、血壓監(jiān)測、溫度監(jiān)測等所得的基礎(chǔ)運動生理數(shù)據(jù)。還可收集肌電監(jiān)測、動作矯正、GPS定位等動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)；然后對收集到的各項運動數(shù)據(jù)進行智能分析和決策支持。當(dāng)分析端數(shù)據(jù)顯示異常，便會通過聯(lián)動的芯片動作，如振動、黃燈警示等提醒運動者休息調(diào)理，嚴(yán)重的就會觸發(fā)警報建議就醫(yī)。這種機制能盡早發(fā)現(xiàn)人體潛在的機能危機，避免超負(fù)荷運動、帶傷運動等帶來的傷害。

1.2 信息傳輸與存儲

以智能運動服飾為載體，將監(jiān)測數(shù)據(jù)向存儲端進行傳輸時，無線通信技術(shù)[5]可發(fā)揮重要作用。無線通信技術(shù)主要包括藍(lán)牙(Bluetooth)、近場通信(Near Field Communication，NFC)、射頻識別(Radio Frequency Identifi cation，RFID)、紫蜂通信(ZigBee，一種應(yīng)用于短距離和低速率下的無線通信技術(shù))等，4種常用無線通信技術(shù)性能比較如表1所示。

表1 4種常用無線通信技術(shù)性能比較Tab.1 Performance comparison of four common wireless communication technologies

儲存模塊(包括云存儲平臺)、后臺服務(wù)器等1個或多個預(yù)設(shè)的接收端可以對原始運動數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)傳輸及儲存，其中較常用的云存儲平臺是在線存儲平臺，其在有網(wǎng)絡(luò)的前提下可隨時隨地存儲，幾乎不受存儲容量的限制。云存儲平臺的建立方便大量個人信息的存儲，便于人們隨時了解關(guān)于自身的各項生理及活動數(shù)據(jù)。

1.3 信息反饋與顯示

信息整理端對運動數(shù)據(jù)進行分析整合后，可基于這些數(shù)據(jù)對運動者的運動情況進行科學(xué)判斷，即運動者在運動過程中有無突感不適、意外受傷、情緒低落的情況；此外還可為運動者制定周密、合適的運動計劃，生成個性化運動建議方案。這些判斷結(jié)果和建議方案會以語音或者圖像的形式反饋至智能運動服飾的接收端，如平板電腦、智能手機、智能服飾顯示端等。提取數(shù)據(jù)的過程中一般可根據(jù)需要設(shè)置一定的加密限制，以蔽免個人隱私數(shù)據(jù)被人竊取。

（2）當(dāng)施工地點位于交叉區(qū)域時，在施工場所的前后都應(yīng)放置減速慢行的標(biāo)志，除此之外還應(yīng)放置限速的標(biāo)示牌，如果標(biāo)示牌出現(xiàn)位移的狀況，應(yīng)及時進行調(diào)整，恢復(fù)原樣。

2 智能運動服飾的技術(shù)突破

傳統(tǒng)的智能可穿戴產(chǎn)品受技術(shù)上的限制長期穿戴并不舒適，且具有交互復(fù)雜等諸多缺陷。為使傳統(tǒng)可穿戴產(chǎn)品與服飾更好地匹配融合，現(xiàn)階段與智能運動服飾相匹配的電子元件朝著精巧化、柔性化、電子皮膚化的趨勢發(fā)展。此外智能交互、終端顯示、可持續(xù)儲能和熱管理的技術(shù)應(yīng)用亦是技術(shù)亮點。

2.1 超微精巧化監(jiān)測元件

動態(tài)信息收集一般利用適配在紡織品上的新式監(jiān)測元件來達(dá)到對人體長期且隱匿性的動態(tài)監(jiān)測。超微精巧化監(jiān)測元件示意如圖2所示[6]，其一般被隱藏在智能運動服飾的紐扣、拉鏈及各式裝飾部件中，再通過微電路進行連接，具有裝飾性效果的外觀很難被發(fā)現(xiàn)，這為智能運動服飾的發(fā)展應(yīng)用提供了多種方案。

圖2 超微精巧化監(jiān)測元件示意Fig.2 Schematic diagram of ultra-fine and exquisite monitoring elements

2020年，Vikas等[7]研究發(fā)現(xiàn)，微電子元件尺寸可突破毫米級，且精度和可靠性大幅度提升，開發(fā)的電子元件具有超微體積、輕量化等特點。但微電子元件經(jīng)反復(fù)使用易脫落的問題還未得到解決，這反應(yīng)了不同材質(zhì)、性能差異大的電子元件與紡織品在有效結(jié)合等方面，還需借助學(xué)科交叉深入探究。

2.2 柔性化及電子皮膚化電子元件

傳統(tǒng)基于金屬和半導(dǎo)體的應(yīng)力傳感器不足以滿足智能運動服飾的需求，新式運動可用電子元件須具有良好的柔軟性及彈性以適應(yīng)人體運動時產(chǎn)生的彎曲和拉伸。通過紡織品結(jié)構(gòu)設(shè)計可改良元件特性，實現(xiàn)柔性、可拉伸的電子元件的制作。圖3示出柔性紡織品結(jié)構(gòu)設(shè)計方案：圖3(a)示出柔性基底[8]上直接鍍覆薄導(dǎo)電材料[9]；圖3(b)示出通過紡、織[10]、鉤、繡入金屬纖維、金屬化纖維、碳系導(dǎo)電纖維、混紡紗(包覆紗、包芯紗)的織物；圖3(c)示出多層復(fù)合電磁織物；圖3(d)示出三維立體結(jié)構(gòu)織物。

圖3 柔性紡織品結(jié)構(gòu)設(shè)計方案Fig.3 Structural design scheme of flexible textiles.(a) Direct coating of thin conductive material on flexible substrate；(b) Weaving,spining,hooking and embroidering conductive fibers in the fabric；(c) Multilayer composite electromagnetic fabric；(d) Three dimensional solid structure

柔性基底上通過浸涂[11]、原位組裝[12]、機械壓制[13]、轉(zhuǎn)移印刷技術(shù)[14]以及化學(xué)沉積[15]等技法可涂覆薄導(dǎo)電纖維。卜一冰等[16]通過浸涂工藝將導(dǎo)電二維碳化鈦(Ti3C2Tx MXene)涂覆在印刷紙上,再在表面沉積超疏水石蠟煙灰結(jié)構(gòu)層。運用上述方法制得的柔性導(dǎo)電紙基應(yīng)變傳感器具有優(yōu)異的自清潔性和耐腐蝕性，防水性亦有所改善。

此外通過降低基底厚度的方式可以使電子元件獲得更顯著的彎曲性，采用網(wǎng)狀幾何圖案結(jié)構(gòu)設(shè)計能進一步增強電子元件的可拉伸性和適應(yīng)性。李星等[17]介紹了克里格米(kirigami)結(jié)構(gòu)，即一種源自剪紙藝術(shù)的電子皮膚，其結(jié)構(gòu)包括單軸,雙軸和方螺旋。運用上述結(jié)構(gòu)制成的電子皮膚，能夠模擬真人皮膚[18]超柔軟的特點，其靈活性高、伸縮性好，能夠在運動時捕捉到身體較靈活部位的運動信號。

2.3 智能交互與終端顯示

智能交互設(shè)計基于仿生學(xué)概念模擬生命系統(tǒng)，具有感知和反應(yīng)雙重功能。律睿慜等[19]設(shè)計了4種新型手勢交互方案并與傳統(tǒng)的交互方式進行了定量對照，使交互效果得以提升。劉旭華等[20]以氨綸-丙綸彈性織物為柔性基底，以一維銀納米線(Ag NWs)和二維MXene共同制備出具有較好可重復(fù)性的柔性應(yīng)變傳感器，該應(yīng)變傳感器能對簡單語音進行識別，也可應(yīng)用于服飾進行交互設(shè)計。

關(guān)于智能服飾接收端顯示裝置的可穿戴電子產(chǎn)品研究較多。早期大多數(shù)研究專注于將傳統(tǒng)發(fā)光二極管(Light Emitting Diode，LED)集成到織物上。但傳統(tǒng)LED體積相對較大、厚度較厚，集成后易降低織物的柔軟性。隨著有機發(fā)光二極管(Organic Light Emitting Diode，OLED)工藝和技術(shù)的進步,光纖OLED器件的實現(xiàn)已成為可能。2022年研究者們開發(fā)了名為Pocket View[22]的新技術(shù)，提供了一種可通過面料、服飾等紡織品內(nèi)置OLED元件實現(xiàn)信息展示的方法。

2.4 可持續(xù)儲能與熱管理

可運用到服飾上的能量收集裝置包括基于纖維的染料敏化太陽能電池(Fiber-shaped Dye-sensitized Solar Cell，F(xiàn)-DSSC)和摩擦納米發(fā)電機(Fiber-shaped Triboelectric Nanogenerators，F(xiàn)-TENG)。王遠(yuǎn)飛[23]設(shè)計了一個高性能太陽能微能量采集與管理系統(tǒng)，完成了2款高性能太陽能微能量采集與管理芯片的驗證；Sarkar 等[24]研究了一種采用絲-氧化鋅(ZnO)復(fù)合材料的柔性納米發(fā)電機,可用于收集紡織品運動中所產(chǎn)生的動能。

F-DSSC模式可以在白天陽光充足的條件下將太陽能轉(zhuǎn)化為電能存儲，F(xiàn)-TENG模式可將佩戴者運動中產(chǎn)生的動能存儲并轉(zhuǎn)化為電能，這2種可持續(xù)儲能系統(tǒng)可為智能服飾的冷熱調(diào)節(jié)等功能提供強大的能量支持。朱江波等[25]設(shè)計的可水洗超輕薄智能溫控發(fā)熱服飾將熱傳導(dǎo)材料和具有熱調(diào)節(jié)功能的電子元件集成在服飾中，實現(xiàn)了具有主動防護功能的熱管理智能服飾。與傳統(tǒng)保暖發(fā)熱服飾相比，這種智能服飾可實現(xiàn)持久保暖，其保暖性更好, 極具有市場潛力。

3 智能運動服飾的應(yīng)用

運動服飾通常使用較高彈性的面料和符合人體工程學(xué)的版型工藝，具有與人體大面積貼身緊密接觸的特點。利用這一特點將運動服飾品與先進的電子元件相結(jié)合能獲取更多、更準(zhǔn)確的運動數(shù)據(jù)。之后通過信息整理端對運動數(shù)據(jù)進行分析來達(dá)到監(jiān)測運動健康、矯正運動姿勢、保證運動安全以及助力運動賦能的目標(biāo)。

3.1 運動健康

智能運動服飾可以通過監(jiān)測心跳、心電圖、呼吸、血壓、溫度、肌電、動作、位置、距離等來分析著裝者的體能狀態(tài)、疲勞程度、健康指數(shù)等。智能健康監(jiān)測運動服如圖4所示。通過置入不同類型的傳感器如心電圖傳感器、血壓傳感器等進行針對性監(jiān)測，再將收集的健康數(shù)據(jù)傳送到智能服飾的整理端，便于分析和查看，以幫助用戶確定適合自己的運動強度。

圖4 智能健康監(jiān)測運動服Fig.4 Intelligent health monitoring sportswear.(a) Monitor motion data；(b) Generate health report

3.2 運動矯正

訓(xùn)練不當(dāng)不僅不能達(dá)到訓(xùn)練效果還有可能帶來不可逆的損傷，因此各項運動都須保證正確的運動姿勢。智能姿勢矯正運動服如圖5所示，其能采集訓(xùn)練者訓(xùn)練動作的分解視頻并通過移動應(yīng)用程序顯示，便于和標(biāo)準(zhǔn)動作比較。這種智能服飾可以幫助訓(xùn)練者實時關(guān)注訓(xùn)練的表現(xiàn)和進展，完成相應(yīng)的訓(xùn)練目標(biāo)。

圖5 智能姿勢矯正運動服Fig.5 Intelligent posture correction sportswear

如美國Wearable X公司開發(fā)的智能瑜伽服Nadi X[27]，在臀部、膝蓋和腳踝部位織物中設(shè)置加速度器和振動電動機，即利用動作監(jiān)測器采集信息，動作出現(xiàn)偏差就會輕輕振動提示。此外，采用Arduino UNO開發(fā)板與Myoware系統(tǒng)可穿戴肌電傳感器為基礎(chǔ)制作的運動緊身衣可用于身體肌肉狀態(tài)的監(jiān)測，能夠采集、計算、比較運動者的肌電差異，以避免運動者出現(xiàn)運動方法不當(dāng)、過度運動或肌肉負(fù)載不均勻、不對稱等問題。

3.3 運動安全

運動中易發(fā)生跌打損傷甚至是意外事故，這些安全問題不容易被預(yù)見、很難被防范，智能運動服飾的監(jiān)測防護功能可在此類問題上發(fā)揮重要作用。

硅谷新創(chuàng)公司Lumo Bodytech研發(fā)的Lumo Run是一種可置入服裝的智能跑步姿勢追蹤裝置[28]，其能監(jiān)測穿著者的跑步節(jié)奏、足部與地面接觸時間、骨盆旋轉(zhuǎn)的角度和步伐長度等數(shù)據(jù)。該智能安全監(jiān)測運動服如圖6所示，其可以提前識別出危險動作。

圖6 智能安全監(jiān)測運動服Fig.6 Intelligent safety monitoring sportswear

3.4 運動賦能

智能運動服飾可助力運動賦能。如楊航等[29]借助壓電薄膜傳感器來采集人體進行乒乓球運動時肘部運動姿勢的數(shù)據(jù)信號，最終完成了揮拍次數(shù)與揮拍頻率的測量，可為乒乓運動提供數(shù)據(jù)參考。

圖7示出AR模擬現(xiàn)實技術(shù)[30]。此項技術(shù)可以讓運動者沉浸在虛擬的比賽場景中，不同于常規(guī)訓(xùn)練，它更能激發(fā)運動員的潛能，采集的運動數(shù)據(jù)更接近比賽水準(zhǔn)。這種人機協(xié)同監(jiān)測機制還能模擬比賽中的突發(fā)事件，鍛練運動員的隨機應(yīng)變能力。

圖7 AR模擬現(xiàn)實技術(shù)示例Fig.7 AR simulation reality technology example

4 智能運動服飾的發(fā)展趨勢

4.1 提高耐用性能

采用涂覆型監(jiān)測元件的智能運動服飾在使用數(shù)次后容易出現(xiàn)傳感器導(dǎo)電材料脫落的現(xiàn)象，導(dǎo)致監(jiān)測效果明顯降低；智能編織物、三維立體結(jié)構(gòu)織物電路系統(tǒng)復(fù)雜，使用初期效果比較明顯，但隨著使用時間的延長，紡織基布會出現(xiàn)應(yīng)力松弛與疲勞效應(yīng)，導(dǎo)致性能降低；多層復(fù)合電磁織物的透氣性、排汗性、彈性均不理想。因此，未來的智能服飾用電子元件應(yīng)盡可能改善上述各問題，在保證織物的透氣性、排汗性及彈性的同時兼具良好的耐磨損、耐疲勞等性能，以增強運動服飾的服用性。

4.2 增強安全防護

劇烈的運動會使身體大量出汗，且在戶外運動過程中也難免會碰上雨雪天氣，這種情況下對于內(nèi)置電子元件的服飾品是相當(dāng)危險的，因其遇水易短路，輕則損毀元件重則灼傷身體；此外，在運動中不可避免的磕碰也會導(dǎo)致服裝智能功能缺失，智能元件無法正常工作；另外電子模塊的電磁輻射會對人體造成影響，因此需符合安全防護標(biāo)準(zhǔn)。綜上，智能服飾品不僅需要防水、防撞擊，還要防控電磁輻射對人體的不良影響。

4.3 加強保護數(shù)據(jù)

智能運動服飾受磁場環(huán)境影響及運動位移會使得數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，容易延遲或遺漏，造成傳遞信息不完整；另外采集運動數(shù)據(jù)關(guān)乎隱私，不宜泄露。因此要完善數(shù)據(jù)的完整性、私密性管理的傳輸技術(shù)，設(shè)置加密保護的傳輸方式等。

4.4 引領(lǐng)運動時尚

科技開始注重時尚，時尚也把目光聚焦在科技上。智能運動服飾可以感知人體和環(huán)境變化,并通過反饋機制對這種變化做出反應(yīng)和調(diào)整，如具有仿生特點的智能發(fā)光、智能變色服飾等。智能運動服飾的設(shè)計元素、設(shè)計細(xì)節(jié)未來感強、視覺效果突出，融合了超現(xiàn)實主義特點，這種新時尚也為消費者提供了更好的個性展示選擇。

5 結(jié)束語

通過綜述近年來國內(nèi)外智能服飾的發(fā)展現(xiàn)狀，對智能監(jiān)測元件的發(fā)展情況加以分析，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，智能監(jiān)測元件越來越呈現(xiàn)超微精巧化、柔性化、電子皮膚化等趨勢；從智能交互、智能顯示、可持續(xù)儲能與熱管理等方面深入探究，可知智能運動服飾的各種運動監(jiān)測、反饋功能等均可順利實現(xiàn)。但智能運動服飾的研發(fā)在以下方面仍需繼續(xù)精進：如電子元件持久耐用性、電源可持續(xù)供電等耐用性能問題；電路安全、防輻射等安全防護問題；隱私數(shù)據(jù)加密、防泄露等數(shù)據(jù)保護問題；運動仿生、運動時尚等流行性問題。通過不斷的推進技術(shù)革新、解決實際問題，未來的智能運動服飾將具有廣闊的應(yīng)用前景。