提高動物福利的可穿戴產品研究進展

摘要：為提高動物福利水平，降低動物疫病風險，從動物情感需求、生理需求和智能化疾病診斷角度出發，對動物可穿戴產品研究狀況進行分析。在消減動物心理問題、監測動物行為和生命體征等方面，綜述了可穿戴產品在提升動物福利方面的方法原理。分析發現：目前的技術水平雖然在理想狀態下能夠提高動物福利，但實際環境干擾因素多、產品續航低、穿戴時容易引起動物應激反應等問題，遠不能滿足動物在特殊環境下的功能需求。最后指出動物可穿戴產品所面臨的挑戰和未來的發展方向，以期為動物福利水平改善提供一定的指導。

關鍵詞：動物福利；心理需求；診斷技術；服裝設計；功能面料

中圖分類號：TS184

文獻標志碼：A

文章編號：1009-265X（2024）02-0018-09

動物福利由環境、生理、衛生、行為、心理5個基本要素組成，主要是指滿足動物維持生命、健康及舒適度的需求［1］。隨著我國動物產業規模不斷壯大，動物福利對動物健康、經濟發展的影響逐漸被人們重視。隨著動物心理學、服裝工程學、材料學、可穿戴采集產品和人工智能技術的發展，提高動物福利有了更多切實有效的手段，對提高動物心理與生理需求以及疾病診斷等方面有了更具針對性的技術，可利用信息化和人工智能技術采集動物特征信息，并通過智能分析做出自動診斷和決策［2］。

本文利用調查法與文獻研究法，對國內外滿足動物情感需求的產品設計、滿足生理需求的服裝產品和面料、監測行為特征和生命體征的動物可穿戴產品的研究現狀進行了總結，并對該方向未來的發展進行了分析，以期對動物福利水平提高提供一定理論指導。

1基于情感和生理需求的動物可穿戴產品

目前基于情感和生理需求的動物服裝設計主要服務對象是寵物［3］。隨著獨居人口增加，寵物陪伴作用十分突出，寵物經濟也隨之蓬勃發展。根據《寵物行業藍皮書：2022中國寵物行業發展報告》發布的數據，2022年寵物市場規模已達到1706億元。寵物時尚也伴著寵物行業的發展應運而生。寵物時尚服裝主要針對情感需求和生理需求進行設計。

1.1基于情感需求的動物可穿戴產品

國內外研究學者主要從飼主情感需求和動物情感需求出發，進行產品設計。情感需求產品的核心在于“情”，而服裝產品可以使穿著者感受到情感的存在和交流［4］。

1.1.1基于飼主情感需求的動物可穿戴產品

寵物服裝消費者的情感需求主要有個性需求、時尚需求、安全舒適需求、文化需求和原創性需求［4］。飼主對服裝色彩的選擇既取決于自身審美，也要取決于寵物的形象氣質，因此設計師在風格款式及圖案色彩選擇上要深入了解飼主的色彩偏好和寵物的體型特征。如申炎平［5］針對寵物狗特征和部分飼主群體的顏色喜好設計了系列寵物服裝，如圖1所示。

服裝在行為層次的設計強調在穿著時的生理感受，因此服裝在細節設計上要注重科學合理化和人性化，如易于穿脫、耐臟耐磨、方便收納等，體現服裝的實用性和操作便捷性，讓飼主在為寵物穿著的過程中體驗到關懷感、參與感和成就感。如屈思雨［6］結合日本貓文化、埃及貓文化、法國宮廷寵物文化設計了如圖2所示的寵物貓絲巾。且根據90后飼主不同層次的情感需求，設計了多個系列的寵物服裝。

1.1.2基于動物情感需求的動物可穿戴產品

動物各種行為的出現源于動物的本能與心理［7］。Leconstant等［8］通過移情，了解了動物的情感需求，尋求解決這些需求的方法。Rehn等［9］的研究表明，狗對飼主有著強烈的依戀感，需要飼主給予寵物狗安全感。同時，寵物服裝作為與身體接觸最密切的用品，對寵物的安全感有很大的影響［10］。王藝軒［11］歸納了飼主與寵物的交流方式和互動習慣，研究了寵物狗智能可穿戴產品的開發方案。由于飼主上班導致寵物大量的時間獨自在家，在寵物項圈上增加了一個按摩功能，項圈通過自動有頻率的震動來緩解寵物獨處時的孤獨與無聊，同時也能增加寵物的體感舒適度。此外，寵物主人也可通過手機端的可視界面隨時了解寵物的活動軌跡，方便飼主和寵物之間的互動與溝通。該方案將情感化、智能化和交互式設計的優點充分融入服裝設計中。

1.2基于生理需求的動物可穿戴產品

1.2.1基于生理需求的動物可穿戴產品

動物服裝的款式根據動物的生理結構特征可分為4種：兩腳款、四腳款、背心款和配飾類。不同結構的寵物服裝有不同的款式，如兩腳款有T恤、襯衫、連衣裙等。

Kim等［12］為了提高寵物狗的穿著舒適性，根據Lee［13］對已有文獻和網上寵物狗購物中心的研究，分析了寵物狗服裝的種類和流行元素，設計了寵物狗T恤，并將不同種類的狗體型劃分為橢圓形、桶形和扁平形，并結合其運動特點，如圖3所示建立了不同的服裝原型。林琳［14］整合了國內外寵物狗服裝尺寸表，概括了樣本服裝尺寸范圍，介紹了服裝原型繪制過程，并歸納了中國目前寵物狗風雨衣的材料主要有PVC涂層面料、Houndtex面料、PTEE復合面料、PVC滌綸面料、錦綸、無PVC涂層織物。

為提高寵物狗夜行衣的舒適性，姜茂欣等［15］采取無袖窿設計配合織帶調節，設計了一款可發光的夜行衣，增加寵物狗穿著舒適感。為驗證穿著服裝后動物運動量和運動形態的變化，Timothy等［16］建立了狗的三維運動模型，測量狗的軀干運動，并評估狗在穿著和未穿著馬甲時運動的變化。結果表明，兩種情況下狗在步行或小跑時，穿著馬甲的狗軀干活動會減少，且步態與未穿馬甲時也有顯著差異。因此，動物服裝結構設計是否合理直接影響動物的活動量。動物除了日常穿著服裝的舒適性的需求，同時也有生理安全性需求。如：從雌性狗生理衛生和日常防止性騷擾的角度，開發了寵物狗生理褲。該生理褲的版型開發不僅基于上述需求，且穿脫方便，節省了飼主為寵物狗換裝的時間。

1.2.2基于惡劣環境安全需求的動物可穿戴產品

犬類尤其是工作犬有著一般儀器設備所不能替代的優勢，在日常執勤、處突、搜爆、緝毒、消防等方面發揮巨大的作用［17］。在執行這些任務時，需要有特殊的服裝材料，為工作犬提供保護和輔助，如防彈背心、消防背心、特制的防寒和防熱靴等。

熱應激癥狀是工作犬因工作或訓練環境溫度過高，導致不能維持機體正常代謝，產生心跳加快、呼吸困難、惡心、嘔吐等癥狀。為了緩解這一癥狀，傳統方法是在工作犬馬甲中加入蓄冷袋降溫［18］，但蓄冷袋時效較短，且厚度和重量增加了工作犬的負擔。為此，王明凱等［17］提出利用蒸發水降溫技術，設計一種“濕多孔表面循環蒸發降溫”面料，通過紡織面料中的孔隙結構實現快速吸水和儲水，如圖4所示。當溫度低于犬的體溫時，便吸收熱量，面料中的水分子動能增加，從而形成水分子蒸發并帶走工作犬自身的熱量起到降溫作用。該面料可實現較環境溫度低6～12 ℃的優良效果，但由于是采取蒸發降溫的工作原理，因此在高濕度的情況下降溫效果稍微欠佳。Benito等［19］對蓄冷袋型和蒸發型馬甲進行了對比，發現蒸發型馬甲不僅重量僅為蓄冷袋型的三分之一，降溫效果也明顯優于蓄冷袋型馬甲。

關于防彈背心，除了防止彈片、金屬碎片和利器對工作犬造成傷害的同時，還需要具備調節溫度的功能，避免溫度過熱使工作犬產生不適［20-21］，且穿著后重量會改變犬的重心，使犬走路時失去平衡［16］。因此，目前的工作犬防彈衣材料需要具有防彈和降溫功能的同時，還應減輕自身重量。關于消防馬甲，“rocketnews24”網站曾報道日本首款針對消防犬的專用防火服，但國內針對這一領域的研究報道還很少見，所用材料普遍以阻燃面料添加相變材料［22］和氣凝膠材料［23］為主，與消防員的消防服材料相似。目前犬用靴，一般采用硅膠材料，除了在極端溫度環境下保護犬以外，還應在地面結冰環境下，具備防滑功能。

此外，在冬季持續的低溫下，奶牛容易發生冷應激，且牛犢正處于發育期，自身消化、免疫系統和適應環境能力都相對較弱，因此冬季更需要加強奶牛抗寒保暖的工作。為奶牛穿上保暖越冬背心可以幫助奶牛抗寒。背心款式簡單，外層采用防水牛津布起到隔絕雨雪的作用。里料是防雨綢，中間棉層為保溫噴膠棉［24］。此背心能夠有效保暖，改善奶牛冬季冷應激問題，避免泌乳牛乳頭凍傷，同時減少犢牛生病幾率，提高其存活率。

目前的動物服裝材料雖然能在特殊環境下給動物提供一定的保護和輔助，但其功能性仍需根據動物生理特點和環境進行改進。未來動物的服裝材料應在降低克重的同時兼具工作場景所需的其他功能。常見的冷熱應激等問題也可以嘗試通過服裝材料進行預防和治療。

2基于監測行為特征的動物疾病診斷可穿戴產品

動物行為監測產品的監測對象主要集中在畜禽類動物。針對畜類動物，主要對其反芻時間、運動步數、躺臥時間和飲食時間等進行監測。

2.1基礎生理行為異常診斷的可穿戴產品

國內為數不多的動物行為監測主要采用分析視頻和聲音的方式。但視頻方法圖像信息量大，計算復雜度高；聲音監測由于很多動物處于嘈雜環境，監測準確率低。為此，研究學者采用可穿戴式產品對動物行為進行監測來提高準確率。

奶牛反芻情況對指導奶牛的養殖具有重要意義［25］。反芻是奶牛重要的物理消化過程，它與奶牛的健康、生產和發情都有一定的關系。王莉薇［26］通過聲音傳感器和加速度傳感器對奶牛反芻進行監測。聲音傳感器模塊用于實現奶牛反芻原始聲音信號采集。奶牛的反芻聲音包含“吞咽”聲、“逆嘔”聲和再次“咀嚼”聲；加速段傳感器模塊選用集三軸加速度計和三軸陀螺儀為一體的高精度模塊，實現奶牛反芻姿態規律的監測。Shen等［27］通過奶牛鼻帶上壓力傳感器測量奶牛咀嚼中的壓力值變化規律，進而對其反芻行為進行測量與評價，如圖5所示。但此類產品由于穿戴時會引起不適，容易引起動物應激，且存在產品續航低、干擾重等問題。

此外，準確掌握奶牛發情期將有效提高奶牛受孕率和繁殖率［28］。項建廷等［29］設計一種奶牛計步器，利用三軸加速度傳感器和溫度傳感器測定奶牛的運動步數及體溫，并通過奶牛運動模型的建立，判斷奶牛個體是否處于發情期。Tsai等［30］通過TinyYOLOv3深層神經網絡搭建了一種奶牛頭部的檢測算法，根據牛頭的位置跟蹤實現奶牛喝水行為與飲水量的監測，最終實現奶牛的熱應激等異常健康狀態的自動檢測，檢測精度為98.7%。孕期母羊的健康狀況會直接影響仔羔的生存狀態。利用自動化、智能化方法實時、準確地監測母羊產前行為信息，對提高母羊的生產力和繁殖效率及母羊和羔羊的健康水平具有十分重要的意義。劉艷秋等［31］設計了可穿戴的以三軸加速傳感器為核心的母羊產前采食和飲水行為監測裝置，對母羊產前運動行為平均識別率達到了89.12%。

2.2運動與交互高級行為異常識別的可穿戴產品

除了動物的基礎生理行為之外，步態行為、互動行為、群體聚集行為等也可以有效反映動物精神狀態和健康狀況［32］。Escalante等通過加速度傳感器采集的母豬運動數據，對母豬的行走、站立等行為進行自動分類，進而分析母豬健康狀態。Deniz等［33］開發了一套嵌入式系統通過可穿戴產品集成在牛身上，用于實時采集牛發出的聲音信號，并對啃咬聲音、咀嚼聲音進行分類識別，可實現針對牛覓食狀態的監控，進而判斷其健康狀況，分類準確率約為78%。

可穿戴產品對動物行為提高了監測采集數據的準確率，但產品價格高、電源續航低等問題是目前動物行為監測的瓶頸。

3基于監測生命體征的動物疾病診斷可穿戴產品

動物疾病診斷的可穿戴產品主要通過監測動物的基礎體溫、其他體征等指標診斷動物疾病。

3.1監測體溫的可穿戴產品

體溫異常通常是動物患病時最明顯的表現，因此監控動物體溫可以有效地掌握動物身體健康狀態。可穿戴式產品和植入式產品經常用于動物的體溫測量。穿戴式傳感器精度雖然不及植入式傳感器，但產品較易固定，因此較為常用。

李贊［34］把傳感器鑲嵌在柔性材質里面，利用柔性材質的特點，實現了導電、可彎曲和延展性能，使傳感器能夠更貼合皮膚，保證了測溫的準確性，進而通過于豬耳后頸動脈流經的皮膚上進行溫度測量。為了降低環境影響，在溫度傳感節點設計了接觸層、導熱層、絕熱層，并在每層內部署一個溫度傳感器，通過3個測量值校準得到最終的測量值，并通過豬體表溫度測量值反演計算得到豬只核心體溫，實現豬只體溫的不間斷準確測量。乳腺炎是奶牛和母羊的常見病癥，因此，監測乳房溫度變化可以用于乳腺炎的早期診斷。如Sathiyabarathi等［35］用非入侵的方式測量奶牛兩側乳房溫度，用來診斷奶牛的早期乳腺炎，診斷靈敏度和特異性均達到95%以上。

3.2監測其他體征的可穿戴產品

張宏等［36］研制出一種穿戴式豬用心電監測系統，采用SoC芯片節點將收集到的心電數據實時轉發到服務器，系統便根據采集的豬心電信號自動計算得到豬的心率。季雪淵等設計一種穿戴式背心用于采集獼猴心電、呼吸、體位/體動信號，如圖6所示。分別采用體表電位提取技術采集動物的心電信號，采用呼吸感應體積描記技術來提取胸腹呼吸運動，通過三維加速度傳感器的三軸輸出量來獲得體位/體動信號。

呼吸頻率監測也能起到動物疾病診斷目的。奶牛在正常情況下呼吸頻率是20次/min，當奶牛出現健康問題時，呼吸頻率會出現明顯的變化。尤其是嚴重熱應激時，奶牛的呼吸頻率可達到120～160次/min，因此監測奶牛的呼吸頻率同樣可以幫助工作人員實時地掌握奶牛的生理狀況。范霖等［37］將可穿戴產品置于鼻子周圍，采集奶牛呼吸時鼻子周圍濕度變化，通過傳感器將濕度變化值傳給呼吸監測系統，達到監測奶牛呼吸的目的。

4討論

目前基于動物福利的可穿戴產品雖然研究成果豐富，但實際產品監測時所受外界養殖環境的干擾較大，且干擾因素復雜。目前的可穿戴產品在抗干擾、提高續航能力、減小甚至消除動物穿戴時的應激反應、避免頻繁更換等方面仍存在問題。

4.1存在問題

目前動物可穿戴產品主要用于滿足動物情感及生理需求、動物行為監測、動物生命體征監測3方面，研究仍存在以下問題：

a）在滿足動物情感需求方面，目前的研究主要是針對寵物，國內外缺少對畜禽情感需求的研究。研究畜禽的情感需求，才能更好提升動物福利。而寵物情感，主要針對的是寵物分離焦慮的問題。但常見的寵物心理問題，仍未得到充分解決。這些問題仍需要在動物可穿戴產品材料、結構、色彩等方面去探索可行的治療方法。

b）在滿足生理需求的穿戴產品方面，目前的動物可穿戴產品主要對象是寵物貓、狗，而不同品種寵物狗的體型差異大，這就使得生產寵物狗服裝時需要生產多種號型的產品，各號型生產數量難以把握，容易造成經濟損失給生產和銷售帶來困難。在服裝材料方面，目前的動物服裝材料尚不能滿足工作犬在各種特殊環境中的功能需求。當前采用的工作犬服裝面料通常與工作犬協作人員穿著服裝面料相同，但狗和人的生理特征有著非常大的區別，因此遠不能滿足工作犬的實際穿著需求。

c）在監測動物行為的可穿戴產品方面，大多數加入了聲音傳感器和加速度傳感器。這類監測方式監測精度高，但產品普遍存在續航低，經常更換的問題。而養殖場動物數量多，經常更換設備給工作人員帶來極大不便。

d）用于監測動物生命體征的產品，通常采用穿戴式傳感器測量動物體溫，可以取得較高的準確度，受到環境影響比較小，但由于動物應激反應可能導致傳感器的位移，進而影響測量精度，同時產品高成本和續航問題也是影響其應用的主要原因之一。

4.2展望

基于上述問題，針對動物福利的穿戴產品發展趨勢可以總結為：

a）動物可穿戴產品應更深入地針對動物的心理需求進行結構和功能設計，緩解目前寵物常見的心理問題；在滿足動物穿著舒適性的前提下，將彈性服裝面料與尺寸可調整的服裝結構設計結合，使單個號型可以覆蓋相近號型的動物體型，提高單個號型的覆蓋率。

b）根據動物實際工作與生存環境的需求和生理特點開發相關功能性服裝面料，以此提高動物福利，為其帶來更好的保護和輔助。

c）采用基于能量轉換的自供電可穿戴材料可以減少動物穿戴服裝的更換頻率。也可以探索研究功能材料代替穿戴產品中的傳感器，如溫致變色材料監測溫度等，將解決高成本和頻繁更換動物穿戴服裝的問題。

d）針對寵物疾病預防方面，除了定期預防接種外，也可通過提高寵物服裝抗菌性能預防寄生蟲滋生，減少和消除病原細菌。這也是今后寵物服裝發展趨勢之一。

5結語

目前，基于動物福利的可穿戴產品尚不普遍，而穿戴產品具備的功能是寵物、工作犬及畜牧類動物所需要的，因此未來可穿戴服裝運用于動物用品產業會有廣闊的前景。動物可穿戴服裝的許多瓶頸問題，可以通過開發功能面料來代替穿戴服裝中單純依靠傳感器來采集信息。需要紡織材料方向科研工作者努力將目前只有穿戴產品能夠采集到的信息，用紡織材料將信號轉換顯示出來。要使我國的動物產業得到蓬勃發展，滿足動物心理和生理需求、監測動物行為和生命體征的可穿戴產品及功能性面料必須加快研究的步伐。將先進的紡織材料應用于不同工種工作犬防護和輔助、畜牧養殖動物的健康監測等提升動物福利的有效手段，也是降低監測產品成本、提升續航時間的有效方法。

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Progress in wearable products to improve animal welfare

SHA Sha1a，1b，2， LIU Mengjie1a，1b，2， CHI Cheng1b，2， LIU Yating1c

（1a.Institute of Design Innovation and Fiber Science; 1b. School of Fashion; 1c.School of Foreign Languages，

Wuhan Textile University， Wuhan 430073， China; 2.Wuhan Textile and Apparel Digital Engineering Technology Research Center， Wuhan 430073， China）

Abstract：

To improve the level of animal welfare and reduce the risk of animal diseases， this paper presents wearable animal products from the perspective of animal emotional needs， physiological needs and intelligent disease diagnosis.

The first is the analysis of pet clothing based on the pets' emotional needs. The design takes into account the needs of owners and pets， such as easiness to wear and take off， dirty and wear resistance， and easiness to store. At the same time， it should also reflect the practicality and convenience of clothes， and pay attention to science， rationality and humanization， so that the owners can experience the sense of care and participation in the process of wearing for pets， so as to get a kind of emotional satisfaction. The emotional needs of pets are mainly reflected in \"separation anxiety\". To address such problems， it is necessary to explore feasible treatment methods in terms of materials， structure， color， etc. of animal clothing. Second， animal clothing is based on physiological needs. At present， the main objects of animal clothing design are pet cats and dogs， and different varieties have great differences in body shape， which makes it necessary to produce various sizes of clothing in production， and is easy to cause economic losses and bring difficulties to production and sales. In addition， the animal clothing materials used are generally the same as those of the staff， but due to the great differences in the physiological characteristics of humans and animals， the existing animal clothing materials can not fully adapt to the functional requirements of animals in different specific environments. Finally， smart wearable devices are used to diagnose animal diseases of animal behavior and vital signs. With the gradual expansion of the smart wearable field in the market of pet products， smart wearable products have an important application value in monitoring physical and mental health and vital signs. In terms of wearable products that monitor animal behavior， most wearable clothing include sound sensors and acceleration sensors. This kind of monitoring method has high monitoring accuracy， but the equipment generally has low battery life and needs to be replaced frequently. And there is a large number of animals in the farm， so the frequent replacement of products brings great inconvenience to the staff. In addition， in the aspect of wearable products for monitoring animal vital signs， wearable sensors are usually used to measure animal body temperature， which can achieve high accuracy. However， the stress reaction of animals may lead to the displacement of the sensor， which in turn affects the measurement accuracy. At the same time， the high cost and endurance of the products are also one of the main reasons that affect its application.

The research shows that the development trend of wearable products for animal welfare can be summarized into three aspects. First， animal clothing should better meet the spiritual needs of animals， so as to alleviate the common psychological problems of pets. On this basis， a method combining flexible garment materials and adjustable garment structure is proposed to solve the problem of multitype production. Second， based on the needs of animal living environment and physiological characteristics， the functional clothing fabrics are developed， so as to improve the welfare level of animals and better protect and help them. Third， the use of energy conversion technology to achieve wearability can reduce the number of wearable clothing changes for animals. At the same time， we will also explore the use of functional materials to replace the sensors in biological wearable devices， such as thermochromic materials， to realize the temperature detection of biological wearable devices， so as to solve the problems of expensive and frequent replacement of biological wearable devices.

Keywords：

animal welfare; psychological need; diagnostic technology; clothing design; functional fabric

收稿日期：20230716

網絡出版日期：20230928

基金項目：武漢市科技局國家重點實驗室支持專項（2022013988065215）

作者簡介：沙莎（1987—），女，黑龍江哈爾濱人，副教授，博士，主要從事針織數字化設計方面的研究。

通信作者：劉雅婷，E-mail：sendohlyt@163.com