可穿戴智能服裝的發展與粘接技術

龔 龑，齊 凱，許成韜，羅勝利，張宇群

（1.北京服裝學院，北京 100029；2. 廣州纖維產品檢測研究院，廣東 廣州 511447；3. 煙臺南山學院，山東 煙臺 265713）

可穿戴智能服裝的發展與粘接技術

龔 龑1，齊 凱1，許成韜1，羅勝利2，3，張宇群2

（1.北京服裝學院，北京 100029；2. 廣州纖維產品檢測研究院，廣東 廣州 511447；3. 煙臺南山學院，山東 煙臺 265713）

從可穿戴技術簡介出發，引出可穿戴智能服裝的興起，列舉各種可穿戴服裝，介紹可穿戴服裝中的智能可穿戴設備以及制造這些零部件所需的材料；通過引出粘接技術，闡述可穿戴設備零部件之間、可穿戴設備之間、可穿戴設備與服裝之間所用膠粘劑類型，為將來中國可穿戴服裝產業提供技術借鑒。

可穿戴技術；智能服裝；智能可穿戴設備；粘接技術；膠粘劑

進入21世紀以來，可穿戴技術發展迅速，隨著生活水平的提高，人工智能開始進入尋常百姓家。預計未來智能可穿戴技術將會持續發展，可穿戴市場發展潛力巨大，將會涉及到各行各業。受到可穿戴技術發展的影響，其他輔助技術如粘接技術也將會快速發展來迎合新興的市場。

1 可穿戴技術

可穿戴技術最早是由美國麻省理工學院媒體實驗室提出來的創新技術，該技術可以將多媒體、傳感器等無線設備整合進人們的服裝中[1]，通過手勢或眼動操作使用戶獲得想要的數據或達到某些目的，具有低負荷、可移動操作、使用簡便、長時間連續工作和無線數據傳輸等特點。隨著物聯網和互聯網的迅速發展，可穿戴技術也隨之走進人們的生活中，逐漸應用于工業[2]、醫療健康[3]、軍事[4]、教育[5]、娛樂[6]等各行各業。

可穿戴技術的發展可大體分為4個階段：

一、20世紀60年代因賭博而產生了可穿戴概念，當時發明出的相關設備均應用于賭場；

二、20世紀70年代出現了可穿戴設備的原型，由于技術水平發展有限，大多停留在實驗室階段，只有少部分進入市場；

三、20世紀末，隨著互聯網技術、傳感器技術的發展，出現了消費類的可穿戴式設備；

四、從2012年開始，在技術、產業及用戶需求的共同作用下，可穿戴設備開始走入尋常百姓家，市場占有率迅速發展。

以2013年為例，可穿戴技術在健康領域的應用發展迅速，智能腕表和智能手環等市場需求在逐步擴大。在這一市場中，Nike、Fitbit、Jawbone、Thalmic Labs、InteraXon、ZetrOZ、小米、百度、索尼、三星、微軟、蘋果、卡西歐等眾多機構都在加快創新和研發的步伐[7]。

如今市場上的可穿戴設備種類繁多，主要包括智能眼鏡、智能手表、智能腕帶、智能跑鞋、智能戒指、智能臂環、智能腰帶、智能頭盔和智能紐扣等。據統計，目前市場上應用于人身上的可穿戴設備大致可分為5類，分別是腕部占30%；上身占26%；頭部占22%；全身占15%；腳部占7%。由此可見，諸如智能手環、智能手表、智能服裝等可穿戴商品是當今可穿戴市場的主流，并且預計未來可穿戴技術的發展方向為運動健身、醫療保健、電子通訊等領域。

可穿戴設備的核心技術在于采用高性能低功耗器件和傳輸技術，而我國的此類技術在國際上并不占優勢，一些高端設備大多是由國外企業生產的。中國可穿戴聯盟于今年年初召開了《中國可穿戴聯盟標準》工作會，聯盟發起工信部共同探討可穿戴標準體系的建立。相比之下，德國去年TUV萊茵已經出臺了智能可穿戴設備認證標準，從安全性、智能性及可穿戴性3個方面考核產品的品質。據市場調查分析公司Tractica的最新報告顯示，全球2015年可穿戴設備市場3大發展態勢為：可穿戴設備的市場范圍已經遠超手表和運動記錄裝置；可穿戴設備市場更注重用戶體驗設計與數據分析能力；智能服裝是未來智能穿戴的集大成發展方向，其中第3條正是中國可穿戴市場的發展機遇。

2 智能服裝的研發

2.1 可穿戴智能服裝列舉

千百年來，服裝的功能和價值無外乎實用性和美觀性2大范疇。然而，科技的日新月異將賦予服裝更多屬性，如可以播放音樂的外套、可以測量脈搏和血壓的運動衣、帶有保暖功能的襪子，甚至有一雙可以識別你情緒的手套。這并不是天方夜譚，智能服裝已經開始走進我們的生活。

可隨時接聽電話的智能夾克；可自動系鞋帶的智能運動鞋；可為手機等設備提供電力的“充電衣”；可以實時記錄主人運動數據并給出反饋和指導的智能緊身衣；可根據用戶意愿改變衣服明亮對比度的“變光裝”；穿在身上就能知道自己身材尺碼和胖瘦的“測體裝”；能夠實時監測嬰兒呼吸、心跳、體溫、姿勢和活動狀況的“智能嬰兒連體衣”；以及可形成折射投影從而使人與周圍景物完全融為一體的“量子隱形衣”……科學家們預測，未來的服裝，至可以擁有與主人的喜怒哀樂以及周遭環境相互動的一些特殊功能。

下面簡單介紹幾種已研發出來的可穿戴智能服裝。

2.1.1 太陽能夾克

太陽能夾克是將太陽能電池板嵌入普通夾克中，只需在陽光下便可以將太陽能轉化為電能貯存起來，當手機等電子設備需要充電時便可以通過夾克內部的數據線對設備進行充電，真正實現了隨身充電。

2.1.2 遠紅外電熱羽絨背心

遠紅外電熱羽絨背心是通過充電鋰電池使衣服發熱，夾層采用遠紅外線電熱片作為發熱體，不會產生對人體有害的電磁波，質地柔軟、抗拉力強、發熱體可取出，隨時開關和調溫，衣服可洗滌，是一種對肩周炎、胃炎、梗椎、頸椎病、腰病患者及戶外工作人員適用的，有著極好保暖保健作用的新型環保電暖衣類。

2.1.3 健康監測類可穿戴服裝

智能運動可穿戴服裝可以通過內部的傳感器測得使用者的位置、姿勢、肌肉緊張度等，從而告知他們血壓、心率、呼吸狀態、體溫等參數，達到監測身體健康狀況的目的；可穿戴口罩也可以通過內部的微型傳感器感應呼出的氣體成分變化來幫助提示身體的變化。

2.1.4 安撫情緒的智能風衣

智能情緒感知衣物Wearable Absence Project（WAp），由蒙特利爾大學和倫敦大學2組研究人員設計開發，WAp風衣內裝配了擴音器、傳感器以及身體信號分析器，可以監測使用者的身體信號，從而判斷使用者的情緒變化。在情緒低落時，風衣會播放一些輕音樂來舒緩心情，設計這樣的服飾不僅可以保暖，還能安撫使用者的情緒，保持好心情。

2.1.5 可監測傷口的智能縫線

美國塔夫茨大學研發出一種新型縫線，它能夠監測傷口的愈合情況，并將數據發送到醫生端，而不僅是普通的皮外傷，器官甚至是骨植入物都可以用同樣的原理進行監測。

可監測傷口的智能縫線是由棉花和合成纖維織物組成的，縫線為可以導電的材料組成，棉花上有導電油墨，而縫線因為接觸皮膚組織，結合其他材料，科學家們便可以利用涂層的縫線檢測到皮膚所受的壓力、溫度、pH值、血糖水平等。而通過這些數據，醫生就可以遠程判斷傷口的恢復情況?？杀O測傷口的智能縫線具有價格低廉、輕薄靈活的特點，而且可以通過它能傳導液體的特性連接組織。雖然這款縫線離量產還有一定距離，但至少從科技含量上看，它已經在普通紡線的基礎上邁出了重要的一步。

2.2 可穿戴服裝中的智能設備

2.2.1 能量收集電池

長時間尺度下計及光伏不確定性的配電網無功優化調度//黃偉,劉斯亮,王武,羿應棋,張勇軍//(5):154

能量收集電池的原理是指通過獲取外部能量，將其轉化為電子能量貯存于內部電池中以供消費者在應急情況下使用，所謂的外部能量包括動能（運動，震動，旋轉）、太陽能（光能）、熱能、壓電（利用來源于運動的多余能量）、無線電波等。能量收集電池的優點有很多：可使可穿戴設備變得更加獨立，不需要過度依賴外接電源；外部能量中的太陽能可與智能服裝完美契合，通過在陽光下吸收太陽能并轉化為電能直接使用；該類電池中的熱電能量收集電池由于可以提供很高的能量，因此可以用于與皮膚直接接觸的可穿戴設備如智能暖寶、可穿戴變溫服裝等；壓電能量收集電池可以在人運動時收集微量動能，使這些能量不會浪費。但通過運動所產生的能量相對較小，能被有效轉化為電能的則更少，因此壓電收集電池不宜用于大功率可穿戴設備。

2.2.2 鋰離子電池

用于可穿戴設備的鋰離子電池通常是規格較小的紐扣電池。還有一種比較受歡迎的鋰離子袋裝電池，是將一堆電池放在塑料袋或高分子聚合袋里面，鋰離子袋裝電池非常便于攜帶。鋰離子電池的特點是體積小、質量輕、成本低、使用壽命長，用完即可丟棄，只需少量維護保養，因為它們對環境的破壞很小。但是鋰離子電池的體積越小，貯存的電量也就越少，不宜用于大功率可穿戴設備；鋰離子電池屬于易損品，為了使用安全需要對電路進行有效保護；袋裝鋰離子電池有爆炸的風險，因為電池和包裝袋之間可能會產生容易引起爆炸的氣體。

2.2.3 薄膜電池

薄膜電池是一種非常薄的電池，適用于較薄的可穿戴設備，比如電子皮膚設備或某些測量可穿戴設備。與鋰離子電池相比薄膜電池更安全。但薄膜電池的體積決定了它們的電力容量，因此，如果想要獲得和紐扣電池一樣的電量，就需要延展出更大的面積。由于它們非常薄，因此耗電速度比較快，需要頻繁充電確保長時間使用，這也讓薄膜電池的使用范圍變得更加局限，只能在一些小型可穿戴設備上使用。

2.2.4 石墨烯電池

石墨烯電池是利用鋰離子在石墨烯表面和電極之間快速大量穿梭運動的特性，開發出的一種新能源電池。石墨烯電池被認為是目前所有類型電池中能量密度最高的，因此有較高的電量貯存能力。但相比于其他類型的電池，石墨烯電池的價格更貴且目前仍在開發階段，技術尚待成熟。

在未來幾年時間里，可穿戴設備數量預計會呈爆炸性增長，這意味著體積更小，續航能力更長的電池需求量將會大幅增加。

用于服裝上的可穿戴設備除了電池，第二重要的是屏幕。由于服裝需要滿足人們的舒適度，因此面料需要足夠柔軟舒適，普通顯示屏因為制作材料問題均是不可折疊擠壓的剛性屏幕，柔性屏幕的研發極大地彌補了此類難題。在不久的將來，柔性屏幕將成為可穿戴設備的節點。柔性屏幕采用塑料基板，而非常見的玻璃基板，借助薄膜封裝技術，并在面板背面粘貼保護膜，讓面板變得可彎曲，不易折斷。

2.3 可穿戴設備的材料選擇

可穿戴設備用材料除需滿足一般智能設備的性質外，還要能夠與服裝面料完美粘合，既能滿足高科技實用性，又能保證美觀及舒適度。常用的可穿戴智能設備材料一般有3種，分別是熱塑性彈性體類（TPE）材料、熱塑性硫化硅橡膠類（TPSIV）材料和石墨烯材料。

2.3.1 熱塑性彈性體

熱塑性彈性體（TPE）是一種既具有橡膠的高彈性、高強度、高回彈性，又具有可注塑加工特征的材料。由于TPE具有硫化橡膠的物理機械性能和熱塑性塑料的工藝加工性能，因此TPE兼具橡膠和塑料的優點，常用作智能手環和手表的表帶材料。但TPE的耐熱性不如橡膠，隨著溫度上升物性下降幅度較大，因而適用范圍不如橡膠廣；同時，壓縮變形、彈性回復、耐久性等同橡膠相比較差，價格上也往往高于同類橡膠。

2.3.2 熱塑性硫化硅橡膠

熱塑性硫化硅橡膠（TPSIV）是由熱塑性聚氨酯(TPU)和交聯硅橡膠制成的獨特混合材料。TPSIV材料兼具TPU的耐久性、耐磨性和包覆成型的特點以及硅橡膠的柔軟性、耐紫外光和耐化學品特點。TPSIV彈性體可精確地調配出符合使用者要求的顏色，即使在要求嚴格的可穿戴設備應用中都能維持其出色、持久的美觀特征。目前TPSIV用于生產各種智能手環。

2.3.3 納米材料及石墨烯

上述2類材料只能用作可穿戴設備的輔助材料，而真正核心部件需要滿足智能設備的各種用途要求。智能紡織品是基于納米技術，在織物纖維上負載特殊納米材料，所以能展現出神奇的功能。比如，結合現代美學和藝術性，科學家可以調節光線與納米顆粒表面的對觸來制造變色衣物。另外，通過特殊材料讓電磁波“轉彎”，繞著物體走，這樣物體就能“隱身”。傳統紡織品的納米整飾技術是基于蘸取納米溶膠-擠出溶劑-干燥-后續處理的工藝，工藝復雜且不連續，無法滿足智能紡織品的生產需求。而新工藝是結合納米顆粒氣相（氣溶膠）制備技術和工業化紡織品卷對卷制程傳送帶的生產模式，將低于10 nm的高純納米氣溶膠顆粒輸送到織物纖維上，載氣則穿過傳送帶上的紡織品。此項工藝類似于氣體粉塵過濾技術，不同之處在于，這些超細納米顆粒在氣體中布朗運動劇烈，極容易沉積到織物纖維上。納米氣溶膠顆粒的過濾理論指出：低于10 nm的顆粒幾乎100%被沉積到織物纖維上。然而載氣便順著纖維與纖維之間嫁接的通道流溢。該流溢的氣體可采用閉循環的流程重復利用，大大降低了成本。

此外，石墨烯作為“能徹底改變21世紀的新型材料之王”，是可穿戴設備核心部件的不二之選。石墨烯是從石墨中分離出來的，由碳原子構成的只有一層原子厚度的二維晶體，屬于一種新型納米材料。石墨烯既是最薄的材料，也是最強韌的材料，斷裂強度比最好的鋼材還要高200倍，同時它又有很好的彈性，拉伸幅度能達到自身尺寸的20%。石墨烯可用于制作各種半導體、光電元件、導熱材料等，是適用于可穿戴設備的最佳材料。

3 可穿戴服裝用膠粘劑

可穿戴服裝用膠粘劑，不僅用于電子元件之間的粘接，還用于整個設備與服裝之間的粘接。常用的膠粘劑包括3種：丙烯酸泡綿膠、光學透明膠和熱熔壓敏膠。

3.1 丙烯酸泡綿膠

丙烯酸泡綿膠是由高密度的丙烯酸泡綿基材制成，由于丙烯酸聚合物中不含碳碳雙鍵，化學性能非常穩定；同時，丙烯酸泡棉膠帶是單層結構，老化條件下不存在多層材料的剝離問題，具有更好的耐候性，此外，丙烯酸泡棉膠的機械強度高，使用丙烯酸泡棉材料進行粘接，其剝離強度、動態剪切和靜態剪切等機械性均明顯強于其它材料。因此丙烯酸泡棉膠具有優異的粘接強度，良好的密封性能，抗紫外線，抗溶劑，抗震動；可用于戶外，代替鉚、焊等傳統機械連接方式起結構固定作用，適用于金屬、塑料、玻璃、陶瓷等多種材料的結構粘接。超高強度丙烯酸轉移膠膜適用于可穿戴設備內部零件的粘接。

3.2 光學透明膠

光學透明膠是用于粘接可穿戴電子設備中透明光學元件的特種膠粘劑。其特點是：外觀無色（或淺色）透明，在指定的光波波段內透光率在90%以上，且固化后膠層的折射率與被粘接光學元件的折射率相近；在使用溫度范圍內粘接強度高，膠層的彈性模量低，固化后斷裂伸長率大，收縮變形小；耐光老化和耐濕熱老化；可室溫或中溫固化，并且可減少熱固化后產生的收縮應力、膠層和光學零件熱膨脹系數不同所產生的應力；無毒或低毒，對使用者健康無不良影響；便于拆膠返修。有機硅、丙烯酸樹脂及不飽和聚酯、聚氨酯、環氧樹脂等膠粘劑都可用作光學膠粘劑。光學透明膠是一種與可穿戴設備中光學零件的光學性能相近，并具有優良粘接性能的高分子物質。光學透明膠的質量決定了光學元件性能的好壞。

3.3 熱熔壓敏膠

熱熔壓敏膠是壓敏膠的一種，一般由合成橡膠和樹脂及橡膠油等混合加熱成熔融狀態再涂布于棉紙、布或塑料薄膜等基材上制成一種壓敏性膠粘帶。熱熔壓敏膠是以熱塑性聚合物為主的膠粘劑，兼有熱熔和壓敏雙重特性，在熔融狀態下進行涂布，冷卻固化后施加輕度指壓既能快速粘接，同時又比較容易被剝離，不污染被粘物表面。熱熔型壓敏膠與傳統的溶劑型壓敏膠和乳液型壓敏膠相比，固含量為100%，不含有機溶劑，利于環保；涂布速度快，自動化程度高；生產成本低。主要用于無紡布和電子產品的粘接。

4 膠粘劑在可穿戴服裝上的應用

將可穿戴設備完美植入紡織服裝中需要應用到粘接技術，除了縫紉技術之外，最常用的普通熱粘接技術可以解決大部分的服裝粘合問題，針對某些有特殊性質的人工智能服裝，還可以采用適用于粘接電熱毯、襯墊服裝、防護服等邊緣曲折不平紡織物的高頻熔接、適用于粘接墊子、繃帶、絨類產品的超聲波熔接，另外還有熱楔熔接、熱氣流熔接等粘接工藝。

可穿戴智能服裝首先要確保智能設備不易從服裝表面脫落，因此采用熱粘合技術可以增加粘接處的牢度，目前常采用聚氨酯樹脂（PU）來粘合服裝的襯布。

可穿戴智能服裝因內部含有電子設備，不便拆卸，因此水洗次數盡量少，防止衣服濺上污漬顯得尤為重要。采用浸漬、浸軋或涂覆的方式，在織物上施加一種具有特殊分子結構的整理劑（膠粘劑），改變纖維表面層組成，使織物的臨界表面張力降低至不能被水或常用油類潤濕。目前常采用氟碳聚合物和三聚氰胺類樹脂作膠粘劑。

在可穿戴技術滿足人們生活需求的基礎上，可將此技術應用于某些特種作業行業中，如消防救援和鋼鐵冶煉等高溫環境作業行業。如將生命探測儀植入消防服可大大提高火場中被困人員被救出的概率。這需要對織物進行阻燃整理，使阻燃劑（膠粘劑）固著在纖維或織物上，從而獲得阻燃性能。

5 結語

目前可穿戴技術主要發展方向是研發高能量電池，柔性電路和屏幕，并將這些零部件整合進可穿戴服裝中。粘接技術進入21世紀以來發展迅速，作為多種行業的輔助技術，各種膠粘劑占據多種市場，粘接技術的地位不可或缺。未來我國需抓住發展可穿戴服裝這一機遇，結合粘接技術，努力研發新型膠粘劑，克服兩種技術間的難點，實現智能設備零部件間、智能設備之間、智能設備和服裝之間的完美粘合。

[1]Amft O,Lukowicz P.From backpacks to smartphones: past,present,and future of wearable computers[J]. Pervasive Computing IEEE,2009,8(3):8-13．

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[3]Gao Y,Li H,Luo Y.An empirical study of wearable technology acceptance in healthcare [J].Industrial Management ＆Data Systems, 2015,115(9):1261-1267．

[4]Shore J H,Aldag M,McVeigh F L,et al.Review of mobile health technology for military mental health[J].Military Medicine,2014,179(8): 865-878．

[5]Vallurupalli S D,Paydak H,Agarwal S H,et al.Wearable technology to improve education and patient outcomes in a cardiology fellowship program-a feasibility study[J].Health and Technology,2013,3(4):26-270．

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[8]敖建芳,張玉鳳,龔?.膠黏劑在紡織服裝工業中的應用[A]//北京粘接學會學術年會暨粘接技術創新與發展論壇[C].2012.

公 示

根據《新聞記者證管理辦法》和國家新聞出版廣電總局《關于開展新聞記者證2016年度核驗工作的通知》（新廣出辦發〔2016〕109號》等相關文件要求，現將我社參加2016年度核驗的人員名單進行公示，公示時間從即日起至3月31日止。歡迎社會監督，舉報電話：027-68892510。

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《粘接》雜志社

2017年3月1日

Development of wearable smart clothings and bonding technology for them

GONG Yan1, QI Kai1, XU Cheng-tao1, LUO Sheng-li2,3, ZHANG Yu-qun2
(1.Beijing Institute of Fashion Technology, Beijing 100029, China; 2.Guangzhou Fiber Product Testing and Research Institute, Guangzhou, Guangdong 511447, China; 3.Yantai Nanshan University, Yantai, Shandong 265713, China)

From introducing the wearable technology and then bring the rise of wearable smart clothings. the wearable garments were enumerated, and the smart wearable devices and the materials used in manufacture of their parts were introduced. Through leading bonding technology, the adhesive types used in bonding between parts of wearable device, wearable devices, wearable devices and clothings were explained, offering reference for the future of Chinese wearable smart clothing industry.

wearable technology; smart clothing; smart wearable device; bonding technology; adhesive

TQ437

A

1001-5922（2017）03-0029-05

2016-10-31

龔（1980-），男，博士，副教授，院長助理，目前從事功能性紡織品智能材料的開發與應用。E-mail：2205206742@qq.com。

國家質檢總局科研項目資助（編號2016QK036）。