智能紡織品的內(nèi)涵、設(shè)計(jì)及其應(yīng)用前景分析

王 軍,陳曉玫,穆 蕓,李曉久,潘 力

(1.大連工業(yè)大學(xué) 服裝學(xué)院,遼寧 大連 116034;2.天津工業(yè)大學(xué) 藝術(shù)與服裝學(xué)院,天津 300387)

服裝作為與人類生存、生活密切相關(guān)的產(chǎn)品,其功能早已突破了原有的保暖和美化的范疇,正在向功能化和智能化方向發(fā)展。智能服裝由來(lái)已久,最初主要應(yīng)用于航空和軍事等尖端領(lǐng)域。科技的發(fā)展對(duì)服裝行業(yè)的影響越來(lái)越明顯,具有高附加值的高科技智能服裝逐漸商業(yè)化并成為服裝工業(yè)的未來(lái)。目前,發(fā)達(dá)國(guó)家服裝業(yè)的研究開發(fā)重點(diǎn)已經(jīng)從傳統(tǒng)的成衣轉(zhuǎn)向具有高附加價(jià)值的高科技服裝,智能服裝被認(rèn)為是服裝工業(yè)的未來(lái)。

一、智能紡織品的概念與內(nèi)涵

國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究文獻(xiàn)中對(duì)智能紡織材料及智能服裝的概念并沒有統(tǒng)一的界定,對(duì)其概念與內(nèi)涵的理解常見的有以下幾種認(rèn)識(shí)。

(1)師昌緒院士主編的《材料大辭典》中對(duì)于智能材料(smart materials)的定義是:模仿生命系統(tǒng)同時(shí)具有感知和驅(qū)動(dòng)雙重功能的材料。感知、反饋和響應(yīng)是智能材料的三大要素[1]。智能材料的一個(gè)顯著特點(diǎn)是將高技術(shù)傳感器、執(zhí)行元件與傳統(tǒng)材料相結(jié)合,使無(wú)生命的材料具有生物的屬性。

(2)香港理工大學(xué)陶肖明教授提出了“交互式智能紡織品”的概念[2],所謂交互式智能紡織品是指用人工的或預(yù)定的方式感知外界以電和光為主的刺激或環(huán)境條件并做出反應(yīng)的紡織品。交互式智能紡織品具有重量輕、無(wú)線傳輸、可穿戴等特性,打破了人們對(duì)傳統(tǒng)電子和光學(xué)設(shè)備的認(rèn)知。

(3)東華大學(xué)于偉東、嚴(yán)灝景教授用“自適應(yīng)紡織品”的概念來(lái)表示智能紡織品,將智能或自適應(yīng)紡織品分為形態(tài)自適應(yīng)、性質(zhì)自適應(yīng)和功能自適應(yīng)的三大類[3]。自適應(yīng)紡織品或智能紡織品是指能根據(jù)外部環(huán)境條件不斷自動(dòng)調(diào)整自身內(nèi)部結(jié)構(gòu),以一種優(yōu)化的方式對(duì)環(huán)境變化做出響應(yīng)的紡織品。

智能服裝是傳統(tǒng)服裝產(chǎn)品與智能生命系統(tǒng)的結(jié)合,需要電子技術(shù)、信息通訊技術(shù)、材料科學(xué)、紡織與服裝技術(shù)等多門學(xué)科的前沿技術(shù);智能服裝不僅能感知外部環(huán)境或內(nèi)部狀態(tài)的變化,而且可以通過反饋機(jī)制實(shí)時(shí)地對(duì)這種變化做出反應(yīng),感知、反饋和響應(yīng)是智能性服裝的基本要素。

二、智能紡織品研究方向

較早的智能服裝是在“功能服裝”的基礎(chǔ)之上發(fā)展而來(lái)的,可以說(shuō)多功能服裝是智能服裝的前身,智能服裝主要是基于軍事戰(zhàn)略、智能生活、生命健康等方面的需求而出現(xiàn)的。材料的發(fā)展推動(dòng)了智能紡織品的開發(fā),多技術(shù)的融合使紡織品智能化程度不斷升級(jí),智能紡織品越來(lái)越受到科研人員、生產(chǎn)者和消費(fèi)者的重視。在美國(guó)、日本、中國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、荷蘭等國(guó)家的高校、研究院所、紡織服裝企業(yè)均開展了各種關(guān)于智能紡織品的研究工作。

在現(xiàn)有的研究中,服裝實(shí)現(xiàn)智能化的方式主要有兩類,其中一種方式是運(yùn)用智能服裝材料,如電致變色材料、形狀記憶高分子材料、蓄熱調(diào)溫材料、隔熱材料等;另外一種途徑是引入信息技術(shù)、微電子技術(shù),包括應(yīng)用柔性傳感器、無(wú)線通訊技術(shù)和電子電源等,可以通過嵌入式的方法植入紡織品中,如材料混紡、改性加工與后整理等[4,5]。

施楣梧教授認(rèn)為有三類智能紡織品具有良好的應(yīng)用前景,并且具有研發(fā)方面的優(yōu)勢(shì),應(yīng)成為近期研發(fā)的主要對(duì)象[1]。第一類是功能側(cè)重于熱學(xué)性能的智能紡織品;第二類是功能側(cè)重于光學(xué)性能和電學(xué)性能的智能功能紡織品;第三類是基于電子器件的微型化、柔性化以及合理的服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),研發(fā)具有定位、軌跡記錄、助動(dòng)、問答、生理狀態(tài)監(jiān)測(cè)顯示及無(wú)線發(fā)送等功能的智能紡織品。

三、電子智能服裝

電子智能服裝是在傳統(tǒng)的服裝中引入信息技術(shù)和微電子技術(shù),包括應(yīng)用導(dǎo)電材料、柔性傳感器、智能材料、無(wú)線通訊技術(shù)和電源等,也被稱為可穿著智能服裝。電子智能服裝和普通服裝一樣應(yīng)該是可穿戴的,同時(shí)具備信息采集、檢測(cè)、傳輸、管理、監(jiān)控操作以及無(wú)線通訊等功能。由電子元件相互連接構(gòu)成的信息采集系統(tǒng)是電子智能服裝的核心部分,通常外觀不可見,且不易纏結(jié)和勾破,先進(jìn)的紡織技術(shù)可將傳感器、簡(jiǎn)易計(jì)算器等電子元件嵌入紗線或植入紡織品中,以收集信息、監(jiān)控統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),并通過無(wú)線手段遠(yuǎn)程傳輸信息并作進(jìn)一步處理[6-9]。

電子智能服裝的應(yīng)用領(lǐng)域廣闊,具有定位、人體生理狀態(tài)監(jiān)測(cè)及無(wú)線發(fā)送功能的電子智能紡織品,在醫(yī)療、保健及針對(duì)老人、幼兒的特殊護(hù)理等方面得到了較好的推廣應(yīng)用[10-14]。如心率測(cè)試服裝,構(gòu)建了一種可穿著的日常心率測(cè)試監(jiān)控系統(tǒng),能夠采集心跳信號(hào),進(jìn)行日常的心率測(cè)試、儲(chǔ)存、報(bào)警、實(shí)時(shí)監(jiān)控,可為病人、老人等老弱人群帶來(lái)便利。基于人體生理狀態(tài)監(jiān)測(cè)的電子智能服裝在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)有較為成熟的應(yīng)用,國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究工作尚處于實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證研究階段,隨著我國(guó)人口老齡化的到來(lái)及人們對(duì)高品質(zhì)生活的追求,此類電子智能服裝的應(yīng)用前景廣闊。

交互式智能服裝也屬于電子智能服裝的范疇,是一個(gè)相對(duì)較新的研究領(lǐng)域,主要應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)、電療、康復(fù)及健身等方面,香港理工大學(xué)陶肖明教授研究組近年來(lái)設(shè)計(jì)和制造了多種智能纖維和紡織品結(jié)構(gòu)[15-17],對(duì)交互式智能紡織品理論及它們的材料體系和制造條件進(jìn)行了較為系統(tǒng)地研究。現(xiàn)階段交互式智能服裝的研究主要集中在導(dǎo)電織物傳感器的靈敏度、機(jī)械性能、反應(yīng)速度、測(cè)量范圍等方面,通過對(duì)織物傳感器的優(yōu)化研究進(jìn)而完善交互式智能服裝產(chǎn)品的性能。

四、智能服裝設(shè)計(jì)

智能服裝的設(shè)計(jì)與普通的服裝設(shè)計(jì)不同,它的設(shè)計(jì)和研究通常涉及電子和軟件工程、人體工學(xué)、服裝與紡織科學(xué)、材料科學(xué)以及服裝設(shè)計(jì)等多學(xué)科的交叉融合。浙江理工大學(xué)鄒奉元教授認(rèn)為智能服裝的設(shè)計(jì)依據(jù)是服裝需要有哪些功能以及最終用戶潛在的需要[4],概括起來(lái)在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素主要有智能服裝的執(zhí)行性能、可靠性和耐久性、可維護(hù)性、可穿著性、可用性及美學(xué)等方面。

國(guó)外研究者在智能服裝的設(shè)計(jì)中對(duì)電子智能服裝的舒適性能尤其關(guān)注,包括服裝的熱濕舒適性、電子元件與人體皮膚接觸的感覺舒適性及服用安全性等方面,電子智能服裝的發(fā)展趨勢(shì)對(duì)電子器件的柔性化和微型化提出了更高的要求。Li Li等開發(fā)的基于針織嵌花及印花技術(shù)的電子智能保健T恤衫[12],如圖1,將電子元件與針織服裝的織物組織結(jié)構(gòu)和印花設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合,設(shè)計(jì)出的服裝具有柔軟、富有彈性、美觀及功能穩(wěn)定等特點(diǎn)。圖2為Inese Parkova等設(shè)計(jì)開發(fā)的電子智能加熱服裝和電子通信服裝,在電子傳感加熱元件、柔性傳感器的選擇及與服裝的結(jié)合方面均充分考慮了穿著的舒適性、安全性、功能性和美觀性[13]。

圖1 Li Li等研發(fā)的電子智能保健針織T恤

圖2 Inese Parkova等研發(fā)的電子智能加熱服裝、電子通信服裝

圖3 “Ping”智能社交服裝

信息科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,給人們的生活方式帶來(lái)了重大轉(zhuǎn)變,精神文化的發(fā)達(dá)使人們更加追求時(shí)尚、個(gè)性、新潮,科學(xué)技術(shù)與藝術(shù)設(shè)計(jì)的深度融合已經(jīng)成為智能化產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主流。技術(shù)設(shè)計(jì)與外觀設(shè)計(jì)是智能服裝設(shè)計(jì)的兩大核心,如何將兩者有機(jī)結(jié)合是研究者和設(shè)計(jì)師共同關(guān)注的問題。發(fā)達(dá)國(guó)家在智能化服裝產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的理念較為先進(jìn),對(duì)可穿戴智能服裝的電子元件、服用面料及外觀設(shè)計(jì)等多方面的研究較為深入[13,18]。圖3是由美國(guó)Electricfoxy公司可穿戴智能服裝設(shè)計(jì)師Jennifer Darmour 設(shè)計(jì)的“Ping”智能社交服裝[19],運(yùn)用高科技服裝面料與電子器件,服裝與Facebook相連接,電子應(yīng)用程度允許用戶自定義信息與社交網(wǎng)站交流互動(dòng),產(chǎn)品設(shè)計(jì)兼顧了功能與美學(xué)。

五、結(jié)論

(1)智能服裝的概念內(nèi)涵主要是指智能性材料與傳統(tǒng)紡織服裝材料的結(jié)合,無(wú)論是“交互式”智能紡織品,還是“自適應(yīng)”紡織品,圴具有感知、反饋和響應(yīng)的一系列特性。

(2)紡織品智能化可以通過兩種方式實(shí)現(xiàn),即直接使用智能性服裝材料與植入智能化、信息化技術(shù)。目前具有研發(fā)優(yōu)勢(shì)的智能服裝研究方向主要有基于熱學(xué)、光學(xué)等功能特征的智能化服裝研究,應(yīng)用于智能服裝的電子器件的微型化、柔性化、安全性研究,電子器件與紡織品的契合方式、連接件研究等方面。

(3)智能服裝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于技術(shù)設(shè)計(jì)與外觀設(shè)計(jì)的有效結(jié)合,涉及到電子元件、服用材料與外觀美學(xué)等技術(shù)領(lǐng)域。國(guó)外研究者在智能服裝的設(shè)計(jì)中,尤其關(guān)注服裝的熱濕舒適性、接觸感覺舒適性及服用安全性等方面性能,先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念兼顧了技術(shù)功能與設(shè)計(jì)美學(xué)。

科技正在以前所未有的方式和速度改變著人們的生活,電子智能服裝已經(jīng)在醫(yī)療、防護(hù)、健康監(jiān)護(hù)、通訊等領(lǐng)域?yàn)槿藗兲峁┝耸孢m、安全、便捷的服務(wù)。新型智能材料、柔性及生物電子元件的開發(fā)與應(yīng)用極大地推動(dòng)了智能服裝的發(fā)展,智能服裝已經(jīng)成為紡織服裝產(chǎn)業(yè)未來(lái)發(fā)展的重要方向。

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