智能女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣研究進(jìn)展

許黛芳

(嘉興學(xué)院，浙江 嘉興 314001)

1 引言

隨著國(guó)內(nèi)外智能服裝的發(fā)展，智能女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣受到廣泛關(guān)注。智能運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣能夠模擬生命系統(tǒng)，具有感知和回饋雙重功能，一方面能感知外部環(huán)境或內(nèi)部狀態(tài)的變化，另一方面通過(guò)反饋機(jī)制能對(duì)這種變化做出反應(yīng)[1]。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多專(zhuān)家和研究機(jī)構(gòu)基于柔性織物傳感器制成集通訊、監(jiān)測(cè)、診斷以及治療等多功能的智能女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣，實(shí)時(shí)獲取、分析和傳輸溫度、心率、呼吸、血壓和血氧等生理信息[2-6]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)智能女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣的研究還處于探索、模仿與試驗(yàn)階段，智能女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣存在美觀性、舒適性、耐水洗性和可重復(fù)使用性不足的問(wèn)題。智能女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣是多學(xué)科交叉的產(chǎn)品，涉及醫(yī)學(xué)、生理學(xué)、電子信息學(xué)、人體功效學(xué)和服裝設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，具有較強(qiáng)的跨學(xué)科性，需要各領(lǐng)域的研究人員共同合作開(kāi)發(fā)。本文主要綜述了智能女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣的研究現(xiàn)狀及研究趨勢(shì)，并展望了智能女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣的發(fā)展前景。

2 智能女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣的研究現(xiàn)狀

2.1 功能性纖維

具有良好吸濕、排汗、透氣性能的纖維原料是智能運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣面料的首選。目前運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣常采用的纖維原料是吸濕排汗纖維(Coolmax、Coolplus、Cleancool、Cooldry等)與保暖纖維(ThermoLite、Outlast等)。國(guó)內(nèi)外對(duì)運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣的面料進(jìn)行了大量的研究。王美麗[7]選用十種常用運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣面料，分別對(duì)這幾種面料的基本參數(shù)、彈力性能及熱濕舒適性能進(jìn)行測(cè)試，初步建立了運(yùn)動(dòng)胸衣面料和性能之間的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測(cè)分析了面料參數(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣熱濕舒適性和壓力舒適性的影響規(guī)律。魏林娜[8]選取Cleancool、Cooldry、Coolplus、Coolmax纖維用平針添紗組織織造了4種無(wú)縫運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣面料，研究發(fā)現(xiàn)Cooldry吸濕快干性更好，并研究了織物結(jié)構(gòu)對(duì)無(wú)縫運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣面料性能的影響。周歡慶[9]選用Cooldry、Thermolite、Tencell共混織造無(wú)縫運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣，對(duì)內(nèi)衣面料的吸濕速干性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果表明：面紗與地紗都是非彈力紗1∶1間隔得到的織物吸濕速干性及保暖性較好。我國(guó)內(nèi)衣公司也將蘆薈纖維、蠶絲蛋白纖維、天絲棉、莫代爾等綠色環(huán)保纖維用于運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣來(lái)改善其舒適性。Joanne Yip等人[10]研究了三維間隔纖維在運(yùn)動(dòng)文胸罩杯及泳衣襯墊材料的應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)外女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣功能性纖維原料的研究主要集中在新原料的開(kāi)發(fā)、內(nèi)衣的熱濕舒適性、人體壓力分布[11-15]、組織結(jié)構(gòu)的改變等方面。

2.2 柔性傳感器

隨著智能可穿戴技術(shù)的高速發(fā)展，智能可穿戴設(shè)備被應(yīng)用到醫(yī)療、工業(yè)、娛樂(lè)等多個(gè)領(lǐng)域，越來(lái)越多的企業(yè)致力于開(kāi)發(fā)智能紡織品。柔性傳感器具有輕薄便攜、電學(xué)性能突出、集成度較高等特點(diǎn)，智能可穿戴設(shè)備中的柔性傳感器受到廣泛關(guān)注。柔性傳感器可分為柔性壓力傳感器、柔性應(yīng)變傳感器、柔性氣敏傳感器、柔性光纖傳感器等幾大類(lèi)。Liu Yang等人[5]將多個(gè)電子傳感器植入運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣，構(gòu)建智能可穿戴運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣系統(tǒng)，可獲取、分析和傳輸心電、血壓、呼吸、體溫等生物醫(yī)學(xué)信號(hào)，傳感器收集到的數(shù)據(jù)通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送到中央監(jiān)控系統(tǒng)。美國(guó)研究人員發(fā)明了乳腺癌智能胸罩，將傳感器內(nèi)置胸罩，通過(guò)測(cè)量乳房溫度的變化來(lái)確定是否有乳房腫塊。國(guó)內(nèi)高校也對(duì)將柔性傳感器應(yīng)用于智能可穿戴設(shè)備進(jìn)行了研究。大連理工大學(xué)將棉布經(jīng)過(guò)高溫碳化后利用柔性襯底制成柔性可穿戴應(yīng)力傳感基本單元。天津工業(yè)大學(xué)將內(nèi)層織物、中間層織物、外層織物、柔性填充物和光纖壓力敏感單元組成光纖脈搏傳感織物用于監(jiān)測(cè)人體生理體征。東華大學(xué)將導(dǎo)電燈芯絨作為傳感器用于足底壓力的檢測(cè)。柔性傳感器在發(fā)展的過(guò)程中也存在一些問(wèn)題，如材料合成與器件整合的相關(guān)技術(shù)還不夠完善，柔性傳感器靈敏度、精準(zhǔn)度、穩(wěn)定性和柔軟度有待提升，柔性傳感器的功能性需要拓寬。隨著智能紡織品的發(fā)展，柔性織物傳感器是主要發(fā)展方向。柔性織物傳感器主要將導(dǎo)電紗線(xiàn)織入織物，或通過(guò)對(duì)織物進(jìn)行導(dǎo)電涂層整理實(shí)現(xiàn)。采用電活性聚合物材料的紡織纖維可制作壓阻和壓電傳感器等裝置，可編織的金屬電極可制作生物電極傳感器，光纖可制作光纖傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)人體多個(gè)生理信號(hào)或變量。表1列出了電子織物可監(jiān)測(cè)的主要生理信號(hào)或變量，監(jiān)測(cè)所需的傳感裝置和電子織物中的執(zhí)行元件。

表1 電子織物可監(jiān)測(cè)執(zhí)行元件

2.3 紡織生物電池

所有可穿戴式設(shè)備都受到電池技術(shù)的限制，功耗控制水平將直接影響用戶(hù)體驗(yàn)?？纱┐髦悄芘赃\(yùn)動(dòng)內(nèi)衣的電池只有具備體積小和長(zhǎng)時(shí)間待機(jī)的能力才能滿(mǎn)足連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需要，因此開(kāi)發(fā)紡織生物電池成為研究熱點(diǎn)。賓漢姆頓大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出了一種紡織生物電池，或可為可穿戴電子產(chǎn)品供能[16]。織物基電池即使經(jīng)過(guò)反復(fù)的扭轉(zhuǎn)和拉伸，仍具有穩(wěn)定的發(fā)電能力，與紙基微生物燃料電池相比，其功率更大。例如，Levi′s Commuter Trucker智能夾克利用可拆卸的“卡扣”來(lái)驅(qū)動(dòng)夾克的高級(jí)功能。如果將電源直接編織到服裝中，那么可穿戴設(shè)備可實(shí)現(xiàn)更持久的工作。利用人體自身的化學(xué)反應(yīng)給可穿戴式智能設(shè)備供電的技術(shù)也在研究中。

2.4 無(wú)線(xiàn)通信

隨著智能手機(jī)和平板電腦等移動(dòng)終端的推廣與普及，可穿戴智能設(shè)備大多依托移動(dòng)終端來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和分析。傳感器檢測(cè)節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)終端一般是通過(guò)短距離無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行數(shù)據(jù)通信，如低功耗藍(lán)牙技術(shù)、Zig Bee、WiFi derect等。Continua健康聯(lián)盟制定了無(wú)線(xiàn)醫(yī)療數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)方式。表 2 是幾種無(wú)線(xiàn)傳輸方式的性能對(duì)比。

表2 幾種無(wú)線(xiàn)傳輸方式性能對(duì)比

Zig Bee具有效率高、低功耗、可自組網(wǎng)等特點(diǎn)[17]，但目前市場(chǎng)上幾乎沒(méi)有支持該協(xié)議的智能手機(jī)和平板電腦。易紅霞等人[18]采用鍍銀導(dǎo)電紗線(xiàn)編織針織柔性傳感器集成在智能服裝上，構(gòu)建基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)以及終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)之間的無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸系統(tǒng)采集人體生理參數(shù)，并通過(guò)拉伸試驗(yàn)驗(yàn)證了該針織物柔性傳感器及其接入ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的可行性。MICS 是一種超低功耗的移動(dòng)通信服務(wù)，主要用于植入式心血管疾病的治療，目前還沒(méi)有得到廣泛的使用。IrDA 具有傳輸速率快、超低功耗的特點(diǎn)，但是只能點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸。傳統(tǒng)藍(lán)牙廣泛用于手機(jī)、平板電腦和 PC 等之間短距離傳輸，連接方便。而低功耗藍(lán)牙4.0 集合了傳統(tǒng)藍(lán)牙、高速技術(shù)、低功耗技術(shù)，并且符合對(duì)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(peer-to-peer)通信，這一特點(diǎn)使得藍(lán)牙成為可穿戴智能運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣設(shè)備無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)闹髁鞣绞?。祁喬之[19]設(shè)計(jì)了一款基于移動(dòng)平臺(tái)的智能文胸，對(duì)智能文胸硬件進(jìn)行概要設(shè)計(jì)及元器件選型，然后分別對(duì)電源模塊、低功耗藍(lán)牙控制模塊、驅(qū)動(dòng)電路模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，最后完成PCB板的繪制和制作。

3 智能女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣的研究趨勢(shì)

從女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣的發(fā)展來(lái)看，女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣可從款式、功能性材料、柔性傳感器、可穿戴智能女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣系統(tǒng)和縫制工藝五方面進(jìn)行深入研究。

3.1 款式

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人文的發(fā)展，人們開(kāi)始回歸對(duì)自然生活的向往和追求，穿著內(nèi)衣不再一味追求塑身、豐胸等效果，而更關(guān)注健康、舒適的體驗(yàn)。為了滿(mǎn)足人們對(duì)舒適內(nèi)衣的追求，許多企業(yè)在面料、工藝、設(shè)計(jì)等方面不斷創(chuàng)新。20世紀(jì)90年代初，意大利圣東尼公司推出了無(wú)縫三圍立體織造技術(shù)，這是對(duì)傳統(tǒng)針織技術(shù)的革新。圣東尼公司研制出一系列全電腦無(wú)縫針織機(jī)，只要輸入預(yù)先編好的程序、接上紗線(xiàn)，只需幾分鐘就能得到設(shè)計(jì)的無(wú)縫產(chǎn)品。將女性無(wú)縫運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣工藝用于智能女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣的制造是一個(gè)研究熱點(diǎn)。

3.2 功能性材料

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣面料的研究大多是通過(guò)改變纖維的結(jié)構(gòu)形態(tài)以實(shí)現(xiàn)吸濕控濕的目的，而將智能高分子水凝膠材料應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣的研究比較少。贠秀琴[20]將PNIPAM/PVA互穿網(wǎng)絡(luò)凝膠與運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣面料結(jié)合制成凝膠芯材，并嵌入到運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣中，改善了運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣的舒適性。因此，研究開(kāi)發(fā)智能型調(diào)濕調(diào)溫材料成為當(dāng)今的研究趨勢(shì)和熱點(diǎn)。智能儲(chǔ)熱調(diào)溫纖維織物可以自動(dòng)感知外界環(huán)境溫度的變化進(jìn)而智能吸收、儲(chǔ)存、重新分配和放出熱量，自動(dòng)調(diào)節(jié)服裝內(nèi)溫度，使其處于較舒適的范圍。

3.3 柔性傳感器

石墨烯作為單原子層二維碳晶體，具有優(yōu)異的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和機(jī)械柔韌性，在柔性可穿戴技術(shù)方面有著巨大的應(yīng)用前景。然而石墨烯宏觀組裝體卻有搭接電阻高的問(wèn)題，使得石墨烯宏觀體所表現(xiàn)出的性能遠(yuǎn)低于石墨烯的理論值。通過(guò)引入導(dǎo)電聚合物作為碳納米管/石墨烯的有機(jī)界面粘合劑和導(dǎo)電連接劑，構(gòu)建三維互通導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的方法，并將導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)嵌入到由天然蟹殼與馬鈴薯衍生物得到的柔性基底中，制備出的高性能石墨烯基導(dǎo)電薄膜，有望用于可穿戴智能女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣[21]。但石墨烯基導(dǎo)電薄膜的耐水洗性是一個(gè)亟需解決的問(wèn)題，也是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

3.4 可穿戴智能女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣系統(tǒng)

可穿戴智能女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣系統(tǒng)由針織物柔性傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊、供電模塊、上位機(jī)軟件及顯示模塊等組成，如圖1 所示。將導(dǎo)線(xiàn)紗線(xiàn)編織的針織柔性傳感器集成在女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣，并構(gòu)建基于低功耗藍(lán)牙4.0的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)以及無(wú)線(xiàn)信號(hào)傳輸系統(tǒng)，將采集到的人體生理信號(hào)通過(guò)串口通信傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，然后利用Visual Basic 6.0的MSComm控件進(jìn)行協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間的通信，通過(guò)調(diào)用相關(guān)函數(shù)實(shí)時(shí)顯示采集到的傳感器電壓變化曲線(xiàn)，反映出人體生理信號(hào)的變化。

圖1 可穿戴智能女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣系統(tǒng)組成

3.5 縫制工藝

韓瀟[6]將鍍銀導(dǎo)電紗線(xiàn)引出到服裝下端身側(cè)處固定，與外層裹覆聚氯乙烯的導(dǎo)線(xiàn)連接，利用衣服下擺的扎口隱藏導(dǎo)線(xiàn)。但是這種工藝處理略顯粗糙，而且穿著不舒適。目前，電子器件與運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣之間主要采用焊接、訂合、黏合、縫合、可拆卸等方式連接。拆卸式是剛性電子器件模塊和運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣之間較為理想的連接方式，一般常采用附加袋、拉鏈、紐扣、掛鉤、搭扣等來(lái)實(shí)現(xiàn)可拆卸，保證了運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣的穿著舒適性、連接可靠性及可洗滌等性能[22]。另外也要減少電子器件與服裝的連接線(xiàn)，避免給穿著者造成負(fù)擔(dān)。心電、呼吸頻率、溫度等傳感器應(yīng)根據(jù)生理信號(hào)的檢測(cè)原理放置于人體相應(yīng)的位置。信息處理模塊在設(shè)計(jì)和放置時(shí)應(yīng)選擇人體運(yùn)動(dòng)時(shí)相對(duì)固定及承載表面積較大的區(qū)域。對(duì)可穿戴智能女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣設(shè)計(jì)、制作工藝的完善是其商業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵。

4 結(jié)語(yǔ)

智能女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣設(shè)計(jì)應(yīng)面向女性消費(fèi)者的日常需求，在考慮人體工學(xué)、服裝舒適性、安全性、美觀性等因素的基礎(chǔ)上完善和改進(jìn)其設(shè)計(jì)。其今后的研究重點(diǎn)主要有：①服裝款式及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生肢體移動(dòng)，造成柔性傳感器與服裝相對(duì)位置移動(dòng)和接觸壓力的變化，影響生理信號(hào)的檢測(cè)、判斷以及穿著時(shí)的舒適性。因此，應(yīng)加快對(duì)智能女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣與皮膚之間的動(dòng)態(tài)作用研究，提高智能女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣的可靠性及舒適性；②服裝工藝設(shè)計(jì)研究。服裝工藝設(shè)計(jì)既要考慮柔性傳感器與女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣結(jié)合的一般要求，也要為女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣提供一個(gè)好的集成環(huán)境，且不破壞面料的基本性能；③利用三維人體掃描技術(shù)對(duì)智能女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣進(jìn)行量身定制，并建立人體三維形態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)；④柔性傳感器、集成電路、電池的紡織化。目前智能女性運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣電子元器件與面料的結(jié)合方式亟需改進(jìn)，將電子元件、電路和電池紡織化編織進(jìn)運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣是其發(fā)展的重要方向。