智能服裝的發(fā)展現(xiàn)狀與問題解析

黃豆豆,王 敏,2,*

(1.東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院,上海200051;2.東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點實驗室,上海200051)

智能服裝正隨著經(jīng)濟的迅猛發(fā)展展露出其特點,它以驚人的影響力滲透于各個行業(yè)之中。智能服裝的出現(xiàn)是數(shù)字化信息時代的產(chǎn)物,它體現(xiàn)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(huán)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(diào)整措施,是集信息采集、收納、整理、反饋和調(diào)節(jié)于一體的多功能服裝[1]。從最基礎(chǔ)的纖維紗線到傳感器和電源,智能服裝的開發(fā)正邁出重要的一步。如今,各個領(lǐng)域都在大力開發(fā)智能微型設(shè)備和服裝,依據(jù)不同的功能要求設(shè)計研發(fā)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(fā)展。

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

1 智能服裝的組成要素

1.1 智能導(dǎo)電紗線

電子紡織品所用的紗線要求有導(dǎo)電能力同時具備紗線本身的特性。智能導(dǎo)電紗線在生產(chǎn)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(dāng)前智能紡織品和服裝中使用最多的導(dǎo)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(dǎo)率的要求,但通常比以錦綸、羊毛和棉花等材料為基礎(chǔ)的商業(yè)紡織紗線更重更硬。聚合物導(dǎo)電紗的應(yīng)勢出現(xiàn),改變了導(dǎo)電紗線的發(fā)展方向,這類聚合物紗線可分為三類:本質(zhì)上導(dǎo)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(dǎo)電添加劑填充的聚合物紗線,如炭黑、碳納米管或?qū)щ娋酆衔颷2-3]。

1.2 傳感器

為了順利監(jiān)測到身體的反應(yīng)信號,在整個智能服裝系統(tǒng)中,傳感器發(fā)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(shè)計的傳感器和紗線等準(zhǔn)確無誤地集成于服裝中,進而產(chǎn)生感知和積極反饋周圍環(huán)境的行為。根據(jù)其行為,智能紡織品可具備傳感、驅(qū)動和自適應(yīng)等功能[4]。

為了實現(xiàn)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(chǎn)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(yīng)該是可組合的。此外,模塊化的構(gòu)造方法保證了對操作條件的最佳適應(yīng)。根據(jù)這些模塊連接,加上材料的組合、生產(chǎn)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(guān)于智能紡織品的研究項目集中在開發(fā)基于紡織品的傳感器和執(zhí)行器上[5-6],這些傳感器和執(zhí)行器可以綁定到防護服或醫(yī)用紡織品的可穿戴系統(tǒng)上。

1.3 連接技術(shù)

智能紡織品通常被描述為由兩個基本組件組成的復(fù)雜系統(tǒng),包含有特定功能的織物結(jié)構(gòu)和相應(yīng)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(tài)學(xué)在此類系統(tǒng)的開發(fā)中發(fā)揮著重要作用,通常一個單元具有多層結(jié)構(gòu),包括傳感器、電路、保護層和其他相關(guān)化合物,由此可知,連接技術(shù)在智能紡織品生產(chǎn)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。連接的方法和相應(yīng)的技術(shù)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(tǒng)的紡織品可使用引導(dǎo)電路導(dǎo)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(shù)可以通過刺繡[7]、縫紉或打印等技術(shù)來實現(xiàn)。由于導(dǎo)電材料的多樣性,包括單絲金屬線和導(dǎo)電紗,導(dǎo)電電路可以通過編織等技術(shù)直接安放于紡織結(jié)構(gòu)中。此外,紡織粘合[8]和電子接口能確保可預(yù)測、導(dǎo)電和可靠的布線線路,并可以設(shè)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(fā)完善階段。新型功能方式包括太陽能、運動(如壓電轉(zhuǎn)換器)和熱量(如熱電轉(zhuǎn)換器)等。

1.4.1 蓄電池

蓄電池是最簡單基礎(chǔ)的供能方式,它在加入智能服裝系統(tǒng)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(xù)型的電池將是發(fā)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(dāng)然,輻照度的間歇性和變異性需要一種高度技術(shù)性的方法來收集和轉(zhuǎn)換它,最有效的太陽輻射轉(zhuǎn)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(dāng)重,而且玻璃很脆弱,因此,越來越多的注意力轉(zhuǎn)向了更輕、更靈活的電池構(gòu)造,現(xiàn)在有大量的太陽能電池應(yīng)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(tǒng)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?qū)訅?在商業(yè)上都已很成熟。

1.4.3 壓電電池

壓電現(xiàn)象指的是施加于壓電材料上的力轉(zhuǎn)化為電。壓電陶瓷是一類重要的壓電材料,是具有多晶結(jié)構(gòu)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(zhì)和多核苷酸已經(jīng)顯示出一些壓電性能[12]。

智能服裝中使用壓電電池的優(yōu)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(jié)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(jiān)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(chǎn)生反饋,例如,吸濕發(fā)熱和光敏變色、電致變色等面料。當(dāng)服裝面料具備了某種功能,集成于服裝中的電子設(shè)備就可以簡化設(shè)計,這樣對智能服裝的結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)用研究進展

2.1 軍事領(lǐng)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(fā)具有集成傳感器和嵌入式傳感技術(shù)的新設(shè)計。智能紡織品正在取得進展的各種功能包括健康監(jiān)測、通信(有線和無線)、增強的機動性、生存能力、減少熱應(yīng)激、減輕后勤負(fù)擔(dān)和偽裝[13]。

智能服裝的環(huán)境感應(yīng)要準(zhǔn)確探測到敵人的存在或潛在的生化威脅。適當(dāng)?shù)膫鞲衅骺梢宰R別爆炸情況并報告是否存在任何健康風(fēng)險[14-15]。智能紡織品融入軍服有助于實現(xiàn)生理狀態(tài)監(jiān)測、可穿戴電源和電阻加熱等復(fù)雜功能,健康監(jiān)測有助于士兵更好地執(zhí)行任務(wù)和及時提供醫(yī)療援助。

智能服裝融入軍事領(lǐng)域需要完成的最重要任務(wù)之一就是預(yù)警。其設(shè)計點在于各種系統(tǒng)提供的彈道導(dǎo)彈攻擊、空中攻擊或其他潛在威脅的早期預(yù)警[16]。預(yù)警系統(tǒng)的主要目的是在提前預(yù)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(guī)模破壞。

智能服裝的開發(fā)可以包括研制具有變色龍?zhí)匦缘膫窝b制服。例如,當(dāng)一個士兵從沙漠轉(zhuǎn)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(huán)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(xiàn)。

2.2 體育領(lǐng)域

運動服裝領(lǐng)域開發(fā)的一些產(chǎn)品,傳感器通常戴在胸部、手臂或手腕上。這些產(chǎn)品不僅能監(jiān)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(tǒng)還可以根據(jù)收集到的生命體征和表現(xiàn)數(shù)據(jù)來指導(dǎo)個人培訓(xùn)。

2.2.1 生命監(jiān)測服裝

LifeShirt?是21世紀(jì)初較早進入市場的可穿戴健康監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)包括服裝、手持設(shè)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(xiàn),持續(xù)監(jiān)測心電圖、呼吸、活動和姿勢的傳感器與手持設(shè)備連接,將采集的數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)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(tǒng)內(nèi)的其他端口獲取,以實現(xiàn)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(yù)防傷害的設(shè)備,它為佩戴者提供關(guān)于膝蓋角度的即時反饋。智能護膝的主要市場是運動領(lǐng)域,如籃球和足球,其中膝蓋由于經(jīng)常性的跳躍和著陸活動受傷頻繁。該系統(tǒng)幫助運動員和教練員預(yù)防損傷,特別是韌帶損傷,也可作為損傷后的康復(fù)輔助,在治療過程中反復(fù)教導(dǎo)患者正確進行關(guān)節(jié)運動。

2.3 醫(yī)療領(lǐng)域

智能服裝在醫(yī)療衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用包括健康監(jiān)測、防護修復(fù)和安全監(jiān)護。針對老年人開發(fā)的智能服裝要求更加嚴(yán)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(shè)計的阿爾茨海默病老人針織智能安全監(jiān)護服裝,從各個層面分析,設(shè)計出具有輔助全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、跌倒檢測、語音提醒功能和健康監(jiān)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(yīng)用是智能服裝材料使用的新目標(biāo)。老年人面臨的另一大難題便是骨質(zhì)疏松,張樹梅等[19]研究出骨質(zhì)監(jiān)測傳感器,并采用合適的方法放置在服裝上,達(dá)到骨質(zhì)健康監(jiān)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(nèi)衣的發(fā)展和完善將會對我們的生活產(chǎn)生更加積極的影響。智能內(nèi)衣在長期監(jiān)測人體信號的過程中,可以有效預(yù)防疾病和解決突發(fā)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(jié)合表面肌電信號與肌肉疲勞的聯(lián)系,在肌肉疲勞到損傷時及時做出預(yù)測和反應(yīng)以此來保護腰部。

3 問題分析

3.1 技術(shù)模式

智能服裝紡織品研發(fā)的關(guān)鍵問題之一是研究如何將各電子組件集成于紡織品中。設(shè)計的產(chǎn)品應(yīng)該結(jié)合諸如紡織品的可洗滌性和耐穿性以及電子產(chǎn)品的智能等特性。智能服裝開發(fā)商面臨的另一個挑戰(zhàn)是電子元件的微型化和柔性化以及生產(chǎn)方式的改變。此外,智能服裝的傳感系統(tǒng)和供電系統(tǒng)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(xù)利用

現(xiàn)階段,大力倡導(dǎo)綠色經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展,建設(shè)環(huán)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(chǎn)存在著污染環(huán)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(shè)計中,智能服裝系統(tǒng)的供電方式由傳統(tǒng)的蓄電池轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)保的光伏供電和壓電供電是必然的趨勢,在解決了技術(shù)問題之后,這一供電方式的轉(zhuǎn)變將在很大程度上實現(xiàn)資源的節(jié)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(shù)電子產(chǎn)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(guān)舒適感覺的各個層面在前期設(shè)計中都需要考慮到。

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

4 結(jié)語

從智能服裝系統(tǒng)的組成要素出發(fā),分析了智能服裝開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展,闡述了智能服裝在軍事、運動和醫(yī)療等領(lǐng)域的發(fā)展。目前智能服裝的技術(shù)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(tǒng)的飛速發(fā)展,技術(shù)集成程度不斷提高,未來可穿戴式傳感器的發(fā)展也將順應(yīng)這一趨勢。前沿技術(shù)的進

一步發(fā)展,技術(shù)集成的程度將成為智能服裝產(chǎn)品的關(guān)鍵問題,降低產(chǎn)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(yīng)用于科技服裝領(lǐng)域,以便于解決智能服裝舒適性和可持續(xù)性發(fā)展的問題。