智能服裝的應用及發展趨勢

劉清清，郭榮輝

(四川大學輕工科學與工程學院，四川成都 610065)

隨著時代的發展，傳統服裝行業逐漸變得不再景氣，不僅不能滿足人們對越來越多的功能的需求，并且給環境帶來不容小覷的污染。國家對紡織行業的發展給予很多支持與關注，相關政策層出不窮，傳統紡織行業即將出現轉型。

智能服裝的發展是紡織服裝行業的必然趨勢。不同科技領域的技術發展，為智能服裝行業奠定了深厚的基礎。現如今智能服裝不管是在智能材料的開發還是在服裝智能元件的研究上都在不斷發展與進步。隨著人們對智能服裝的認識與了解不斷加深，需求也會上升。智能服裝將成為下一代人們不可缺失的智能工具。

1 智能服裝概述

1.1 智能服裝的定義及主要特點

智能服裝一般是指能模擬生態系統，感知外部及內部環境變化，通過反饋機制做出響應，且保留服裝固有風格和服用性能的服裝[1－3]。其主要特點在于融合了高新技術和對傳統服裝功能進行提升，使其可以通過服裝本身的反饋機制，對環境及自身的條件的變化做出實時反應。

當下智能服裝行業綜合了多門學科的優勢，如紡織與服裝工程、材料科學、醫學、電子信息等。以基本紡織與服裝作為載體，采用先進的技術，賦予服裝功能化、智能化、信息處理能力強等特點。使用者可以在使用智能服裝過程中更好地適應環境變化，調節身體狀態或保障自身安全等。

現階段常見智能服裝的作用方式有以下幾種:(1)將智能纖維或智能紗線織入紡織品中，如光導纖維、導電纖維、形狀記憶纖維以及相變纖維、變色纖維等；(2)外接微型智能電子元器件，主要有三種不同方式:一是電子器件與紡織品各自獨立的模塊化技術，電子器件僅作為服裝的附件；二是將電子元器件嵌入服裝紡織物中的嵌入式技術；三是直接由新型纖維紡織物構成所需的電子元器件的新型纖維技術[4－5]。

1.2 智能服裝的研究歷程

在人類發展歷程上，服裝從最初的遮體、御寒、保暖等基本防護要求發展到對多功能服裝的追求。功能服裝的原理更趨于紡織材料及紡織結構本身所具有的屬性，而智能服裝是功能服裝的發展追求，更著重于服裝的感應、反饋、響應機制，帶動更多功能在服裝上的應用。智能服裝的衍生除了傳統紡織服裝行業，也有來自其他行業，如可穿戴設備行業。智能服裝是智能可穿戴設備發展終端產品里前景最佳的產品之一。智能服裝的研究和發展將會給傳統服裝領域帶來巨大的沖擊，但同時也帶來前所未有的突破與希望，并且跨越到更多行業實現其價值。

在歐美等發達國家，他們的經濟發展較快，提出對集合了高新科技的智能服裝的需求也較早。其相關的電子信息、通信、材料等行業的發展為智能服裝的發展奠定了深厚的基礎。如20世紀60年代，美國MIT就提出了將傳感器、多媒體技術和無線通信等技術應用到日常服裝上的想法，通過人自身內部及外部環境的變化來調控服裝的功能，提升使用者的生活質量。意大利CorpoNove公司研制出的“懶漢襯衫”可以感知溫度變化，并隨溫度變化來調節袖子長短[6]。日本鐘紡公司所開發的隨溫度變化而變色的泳衣，可根據游泳者在水上和水下的溫度不同為在三種不同顏色直接變化[7]。美國谷歌公司通過與一些企業合作，實現了采用嵌入式技術將電子元件嵌入導電纖維面料之中，使面料實現了觸控、遙控功能。發達國家在智能服裝領域上的研究與開發起步早，有豐富的經驗與豐碩的成果，有相當一部分產品已經十分成熟，但距離人們的實際需求和廣大空缺的市場而言，還有很多深究的空間。

我國智能化服裝的研究起步晚、起點低，最初的智能服裝主要靠國外引進，運用在醫療、航天、軍事等特殊領域。例如在航空航天以及軍事醫學領域，通過在服裝中嵌入電子傳感器來監測使用者的生理信號，這是將生命信息檢測技術與可穿戴技術結合。如今，我國的經濟水平也在不斷上升，科學技術水平也在不斷進步，人們對智能服裝的需求也在不斷增多。如運動防護類等國民日常服飾已經成為宣傳力度強、產業化的產品。我國的智能可穿戴設備研究水平已經逐漸趕上國際前沿水平。在過去的許多年里，全國許多著名高校及優秀企業在國家政策的鼓勵下，積極參與在智能服裝材料、電子柔性器件的設計與封裝、智能系統組織及智能材料加工等技術領域的研究，并取得一定成效。

2 智能服裝的應用

智能服裝的應用范圍從一開始的軍用、特殊環境使用到現在已經逐漸走向更廣泛的民用市場。智能服裝的研發與應用在不同的技術領域都有大量的經驗與成果。而近幾年電子信息技術、人機交互技術、生物化學技術、仿生技術[8]、外骨骼機器人技術、納米技術等在智能服裝上的應用與創新成為傳統行業與新型科技行業交匯的熱點[9]。不同領域的技術在服裝上的應用給服裝帶來了更多的突破與創新價值。

2.1 醫療監護

智能服裝在醫療監護領域的應用是服裝發展的重大突破，也是醫療監護行業的福音。從智能服裝的作用原理可分為電子信息傳感類與智能材料類，但電子信息類智能服裝較多。從智能服裝的作用效果可分為信息監控、健康管理類、特殊人群監護等[10]。

2.1.1 電子智能服裝

電子信息類智能服裝是將柔性紡織結構、柔性高分子膜器件[11]、嵌入式傳感器和GPRS通信模塊等系統集成與傳感技術應用在服裝設計上面，通過人機交互技術的支持，對使用者進行健康體征監測，并且通過無線通信、無線體域網技術將數據遠程發送到相關平臺，如醫生監視處，或通過相關小程序、APP等進行顯示[12]。人體生理狀況可以得到實時監控，疾病的發生可以得到有效預防。同時，智能服裝可以有效進行醫學治療輔助，及時根據病人的身體狀況檢測來調整醫學輔助措施。

(1)信息監控

電子智能服裝應用最廣泛的功能即為信息監控，信息監控是反饋機制做出響應的基礎要求。實現了信息監控才能發揮健康管理、疾病預防等功能。國內外對此研究已經非常普遍。

美國南加利福尼亞州VivoMetrics健康信息與監測公司所研制的救生襯衫，使用嵌入其中的傳感器和掌上電腦監測與記錄人體的30多種生理數據，從而分析人體身體狀況[13]。2016年研制出一種防感染智能服，不僅在醫院保證病人不受感染，還在人們大量聚集的其他環境中發揮著防止疾病傳播的重要作用[14]。徐琳琳[15]設計了一款可穿戴網絡構架，該構架專用于醫療監護，實現了基于智能服裝上的數據輸出且可進行心電信號的數據分析，初步實現了對心臟病的檢測與預警應用。余曉剛等[16]研發了一款基于光纖布拉格光柵的智能服裝。該服裝不僅可以檢測出人體體溫變化的真實情況，并且能將其與其他生理參數進行相關性分析，以供醫護人員參考預防或發現疾病。田新宇[17]將光纖光柵傳感器結合在服裝袖口，研制出能檢測人體脈搏的智能服裝。鐘毓賢等所研制的結合了MOTOmed智能訓練系統的Athos智能運動服，能夠明顯改善腦卒中患者上肢運動功能[18]。

(2)特殊人群監護

特殊人群監護服裝包括老年人智能服裝[19]、嬰兒健康監測[20]、智能孕婦裝、盲人避障智能服等。智能孕婦裝主要是通過對孕婦生命體征的檢測從而實現對孕婦的保護與產前預防。如美國康奈爾大學時裝設計專業的學生Blake Uretsky所設計的一款追蹤孕婦生命特征的服裝，是在衣服胸前部位的衣料中加入了可導電的銀纖維，能將傳感器記錄的孕婦的體溫、心率、血壓和呼吸等監測數據通過腰帶部位的傳輸儀器傳至移動智能設備，出現紊亂時發出提醒[21]。

常用的老年人智能服裝，如太陽能智能服裝，為老年人解決保暖問題和為電子設備蓄電；防摔智能服，通過對膝關節的數據測量，及時提醒穿著者；智能鞋，鞋底內置芯片等可方便監護人實時掌握老年癡呆癥患者的位置信息[22]。

2.1.2 其他智能服裝

智能材料類智能服裝如熱敏變色纖維可監測環境體溫，在不同溫度時衣服發出不同的顏色。對受溫度影響的病人而言，根據服裝的變色可方便及時調整溫度。此外還有光敏變色材料、濕敏變色材料等。

醫療監護這一類智能服裝應用十分廣泛，尤其給家庭醫療帶來了更多的方便。而對于整個醫療行業來說，智能服裝所帶來的這種無邊界的可訪問性尤其重要，因為患者的健康狀況，可以通過配備有健康相關功能的可穿戴設備進行遠程、持續的監控、存儲和分析，更多人的健康得到保障，生活健康質量得到提高。

2.2 運動健身

運動健身類服裝是與人體貼合度高、對皮膚覆蓋范圍最廣的產品。運動服裝領域的智能服裝按作用原理可分為新型纖維材料類和智能設備結合類[23]。新型纖維類的運動健身服裝更多是為了讓運動者有更好的運動感受，將運動者的身體狀態保持在最合適的狀態，如及時透濕透熱，保持干爽。智能設備較多采用傳感與人機交互技術，主要用于記錄并分析使用者的運動數據，幫助獲得更好的鍛煉效果，或監測用戶的健康數據，為其提供有價值的參考信息[24]。

2.2.1 電子智能運動服

運用在運動健身領域的電子智能服裝原理與運用在醫療監護領域的相似，反饋機制所采集的信息要求不同。設計上對肌肉及關節等處的傳感靈敏度及準確度要求更高。

實現對運動員的心率、肌肉狀態等信息的監控可以給訓練帶來很大的幫助。智能運動服裝品牌Sensoria研發了心率檢測T恤和運動文胸，它應用了一套由專家創造的名為“心疼哨兵”的算法，不僅能幫助使用者的刻苦訓練，而且還能用于檢測心率的變化。Sensoria還采用了Emana紗線材料可以改善皮膚彈性并幫助預防肌肉疲勞。三星開發的智能訓練服Smart Suit，采用嵌入式技術將微量級傳感器嵌入訓練服的關鍵部位。智能系統收集運動員訓練數據，并精確計算運動員冰道速滑時的身體位置，將運動員姿態信息反饋到教練手機上，教練通過相應程序向運動員的服裝發出指令，衣服接受信息后發出信號如震動提醒運動員注意調整動作。另外，如籃球、足球等位移頻繁的體育項目，智能服裝能記錄運動員們位移點，以便教練調整方案和策略。雖然體育運動類產品已得到廣泛應用，但監測數據的準確性和傳輸速度的有效性是其將要攻克的難點[25]。

對于游泳運動者、滑雪運動者而言，保持良好的體溫狀態十分重要。國內品牌“361°御寒一號”智能服裝，將感測器置入面料中，內置碳納米管發熱技術，最初是一款運用于幫助游泳運動員在比賽前后保持良好體溫、肌肉活躍狀態的發熱棉服，現已經逐漸進入更多運動領域以及普通民用領域。

2.2.2 智能纖維運動服

運動服裝的基本面料采用智能纖維材料，將直接貼合人體肌膚，覆蓋面積大，給人體舒適度帶來極大影響。運動過程對舒適度的要求很高，智能材料的應用可以解決傳統服裝在排汗透濕等方面的缺陷。仇春燕等研發出能感知、反饋的戶外騎行服裝，通過傳感器實現人與服裝和環境的交互。該戶外騎行服裝在運動體驗感方面注重自如的伸縮感、高效的排汗、透濕、保暖防風等。因此，所選用的面料有Activent面料、GORE－TEX面料、Outlast面料等。在傳感監測數據方面采用Arduino作為電子原型平臺，其功能完備，便捷靈活且價格低廉，是實現戶外運動中人與服裝和環境交互的最佳選擇[26]。來自美國馬薩諸塞大學的材料化學家Trisha Andrew研制出一種可以采集人體熱量為活動追蹤器等小型可穿戴微電子設備提供動力的新型服裝面料，實現用身體熱能驅動智能服裝[27]。運動環境下身體產熱量高，該面料不僅可以及時采集熱量使用戶感到舒適且可將熱能作為能源，符合綠色環保的要求。

2.3 軍事領域及特殊環境

軍事領域一切裝備的重要性都非常高，往往可以從軍事裝備看出一個國家的科技水平。該領域智能服裝的發展研究歷史已經很久，旨在不同環境提升人員自我生命保護能力與醫療輔助、信息檢測等。歐美等發達國家從可穿戴技術的發展伊始就將該技術應用于軍事領域，主要面向智能可穿戴式單兵系統裝備。鄧威等把軍用智能設備分為作戰指揮類、武器裝備類、日常監督類[28]。而智能服裝的運用在日常監督類與作戰指揮類居多。

2.3.1 電子智能服裝

在軍事醫學領域中，智能服裝主要以可穿戴智能設備的形式應用[29]。智能可穿戴設備的人體監測及急救輔助可有效提高單兵戰場緊急救治時效，通過無創生理傳感器，可實時監測戰士的生理參數，評估身體狀況，反饋或發送救護信息，在后方指揮系統支持下，及時指導受傷展示利用穿戴急救輔助裝備展開自救互救。美國陸軍環境醫學研究所研制了內嵌于作戰服的武士生理狀態監測系統，通過可配置的微型無線傳感器群，該系統可監測心率、行走、代謝能量損失、體溫、動靜態及位置信息等，采集的同步化數據通過無線個人局域網傳輸到戰士腰帶上的信息存儲單元，并傳輸到單兵數字化作戰系統或指揮通信網絡[30]。

軍用可穿戴外骨骼根據人體結構的特點設計的外穿機器骨架系統，通過與人體肌肉骨骼系統并聯，擴充人體的生理機能，分擔人體肌肉骨骼的支撐壓力、保護能力、運動以及環境感知機能等。當前軍用可穿戴外骨骼的研究主要集中在剛性外骨骼與柔性外骨骼兩方面。如SuitX公司所推出的Phoenix醫用可穿戴外骨骼。這種依據機體康復和輔助行走需求而開發的醫用可穿戴外骨骼對于軍隊戰后傷病員的肢體恢復治療、傷殘軍人恢復行走具有顯著的應用價值，既可以提高創傷康復效率，又充分體現了人文關懷。

2.3.2 其他智能服裝

(1)自我防護

在作戰情況下，變色智能服裝可幫助作戰人員更好地隱藏，如Basel所研究的可涂在合成織物上的光敏變色染料[31－32]，可使織物在環境不同光照刺激下發生顏色變化，并且這種變化是可逆的。在軍用自我防護中，可作為士兵保護色使之不被敵人發現。

(2)特殊環境保護

特殊環境包括極熱、極冷、荒野等極端環境，該環境下所使用的智能防護類服裝不僅適合軍事領域使用，也可適用于普通民用。不同場合所運用的安全防護機理不同，如消防官員所著服飾，具有防燃阻燃、調節溫度等功能。針對防走失的智能服裝，裝有GPS智能定位系統以及自動傳輸系統。

形狀記憶材料是集感知與驅動一體的智能材料，可被加工成纖維、顆粒、薄膜等多種形式運用于服裝上，在發生威脅時提供必要的保護[33]。在正常情況下保持基礎形態，不會影響穿戴者的運動能力和外觀形象。如Alenka等研究了一款基于金屬形狀記憶織物，應用在消防服里主動隔熱。該研究所用的鎳鈦金屬織物在高溫時可從二維形態轉變為三維形態，留出足夠大的空間間隙作為熱保護空間[34]。但此類智能服裝的應用現在仍然存在較大的問題，一是該服裝智能效果的監測水平不足，如熱防護服的監測無法模擬真實的應用場景；二是與服裝結合的方式有待提升，形狀記憶材料與服裝的結合部位局限[35]。

Rantanen研制出極地救援智能服裝。該救援服裝安裝了連接氣候監測系統的傳感器，可在氣候對人體有威脅時發出預警，危險時保證救援的及時進行，并且安裝了全球定位系統和指南系統，預防走失[36]。隨后研究人員研發野外救援智能服裝，如采用氣凝膠做防寒隔熱防護服[37]。

安全防護類智能服裝的應用非常重要，給人的生命安全及生理健康帶來保證。

3 智能服裝的發展趨勢

3.1 功能多樣化與產品細樣化

智能服裝的出現使人們的生活多了更多的便捷與享受，也帶來了更多的健康與安全。現已有的智能化服裝的功能有信息傳感、傳輸、定位、溫度調節等，隨著人們物質生活水平的提升，人們對智能服裝的功能要求也會越來越多，智能服裝的潛在市場十分巨大。國內外的智能化可穿戴設備研究人員越來越清晰地認識到了智能服裝領域的潛在價值，都在積極研發新的產品或優化已有的功能[38]。

3.1.1 功能多樣化

不管是電子智能服裝、材料類智能服裝，還是其他領域將誕生的新型智能服裝，功能多樣化與多功能集成都是智能服裝不變的主題。

在電子智能服裝領域，多樣化、多形化的柔性電子傳感器是研究應用的大趨勢，是未來智能服裝應用實現顛覆性改變的核心要素。雖然近年來柔性電子技術的研究頗有成效，但仍然有很多核心技術壁壘，仍需不斷突破傳感器的效率問題、多功能的集成問題、環境分析等科學問題，以及制備工藝、材料合成、柔性器件整合等問題。

在智能材料服裝領域，更多的智能材料將會得到開發。此類產品的技術壁壘很高，但一旦實現，智能服裝與人體皮膚的貼合度、舒適度將會得到很大的提高。智能材料的研發途徑可根據學科交叉的特色在不同領域尋求突破，也可根據仿生原理從自然與環境中尋求靈感。

3.1.2 功能性優化

已有的智能服裝產品可在性能上不斷突破限度，設計上突破結構弊端，實現更新換代。在電子智能服裝領域，電子信息技術將持續著重在傳感技術的提高和柔性電子技術的應用。傳感技術將會提高傳感的準確度以及傳感器件的微量化設計，柔性電子器件將會突破更好的延展性和靈活性，使之能夠在一定程度上實現與人體無縫貼合，充分滿足舒適穿戴的形變要求。電子仿生皮膚[39]是探測人體功能信號的理想形式，是柔性電子技術與生物醫學傳感技術的重要研究方向。柔性外骨骼在軍用醫療以及民用中將得到更完善的開發，給用戶帶來更高的應用價值。集成電子元件的導電線對智能服裝的舒適性影響也很大，Maris等對采用刺繡技術合成的導電線進行了循環洗滌的研究，以此探尋不同導電性的最佳使用方式[40]。

在智能材料服裝領域，已有的智能材料對性能及紡織結構的要求提高將會帶動智能服裝的換代。如以形狀記憶材料為原料開發的消防服和防寒服，雖已經實現應用，但此類材料在服裝上的應用壁壘現已經非常明顯，它與服裝結構的結合方式不完善給材料本身性能的體現帶來了極大阻礙。以變色材料為原理的智能變色服裝應用范圍涉及醫療、運動、軍用、休閑娛樂等多方面，變色的原理也各不相同，將會給生活的方方面面帶來色彩與便利。但不同性能的作用限度仍有限，如熱敏變色材料的溫度作用范圍較窄等。

3.1.3 產品細樣化

智能服裝的產品還將會根據使用者的不同需求更細樣化。智能服裝區別于傳統服裝的地方主要在于對外部或內部環境的響應，針對每一種不同的功能，不同的使用者的情況都有所差別，因此，智能服裝的研發階段可以從不同的機理上做出調整，在技術關鍵與織物整理工藝上面都做出改進與創新，使得相同智能服裝產品在運用到不同用戶身上時，可以根據情況不同，做出最適合用戶需求的反應。

3.2 智能系統更完善

隨著智能服裝的發展，智能服裝的作用原理、方式、系統，已經逐漸不只局限在服裝本身上。完整的智能服裝體驗與外界的相關設施有緊密關聯。在智能可穿戴范圍里，智能服裝系統的運行有四大關鍵因素:作用于服裝本身上的硬件、做出信息反饋的軟件、支撐運行的網絡及平臺。

智能服裝的應用由于售賣價格、舒適性、安全性等多方面的問題尚未在國民中普及。因此，完整的智能服裝系統并不能有成熟穩定的應用。如博迪加所制的心電衣，它所采用的人機交互模式終端的醫療機構是否能有效迅速地接受信息并給出反饋沒有經過大范圍的測試，所以對該智能服裝完整系統中的網絡及平臺支撐保障是不穩定的。

除了網絡與平臺的保障難以穩定，硬件軟件的問題也待完善。硬件的應用雖然已經較為成熟，但是更完善的智能系統要求硬件的應用更符合服裝的特點。目前微機電系統作為微/納米技術研究的重要方向，是繼微電子技術之后在微尺度研究領域中的又一次革命，在服裝領域也逐漸得到重視[41]。電子元件的不斷微型化與續航能力是智能服裝質量提升的重要要求，優化的電子元件與服裝的優化結合方式，可高效提高元件附著皮膚的舒適感，也給智能服裝更好的發揮其功能造就了空間。

3.3 智能服裝國民化

如今專為日常生活所設計的智能服裝還比較少，更多的智能服裝都是為具體的環境或特定的對象去設計的。且智能服裝本身存在生產成本較高、價格昂貴、安全性等問題，智能服裝在日常生活中普及率非常低，大家所能接受的更多是一些功能服裝而非智能服裝。現階段智能服裝市場的從業者已經在不斷做出改變。

在工藝方面，現常用的方法包括縫制、熱粘合、嵌入結合等方式。在結合部位，耐久性與舒適性方面都存在較大的問題，無法形成穩定的用戶使用粘性。但新的工藝手法正在被研究者們探索，如高分子膜結構、紡織結構等柔性器件正朝著貼合人體肌膚的方向發展。在設計方面，服裝是功能性與時尚性結合的最佳產品之一。在服裝風格的藝術設計與結構設計上，將會結合智能服裝的科技感，打造出全新的時尚潮流服飾，更趨國民化。在價格方面，隨著技術、工藝、設計水平的不斷提高，簡化生產過程的成本，智能服裝的市場占有率會逐漸上升，價格也會越來越符合大眾消費水平。隨著技術、工藝、設計等問題都能提高后，智能服裝的國民化也指日可待。

4 展望

從智能服裝已有的應用和未來的發展趨勢中可以看出該領域的兩大重點，一是智能材料的不斷開發，多學科領域的創新應用；二是產品質量的不斷提升與品類的細化。未來智能服裝行業不僅會給傳統紡織品行業帶來沖擊，更會給國民經濟支柱產業帶來強大的經濟效益。智能服裝的持續研發是科學發展觀的要求，更是中國制造2025的實施戰略，也是服裝產業轉型的重要途徑。如今對服裝的需求不僅要舒適美觀，更要功能與智能的全方位應用，為美好生活提供物質保障。而智能服裝產業不僅能滿足國民需求，更能為國民生產總值做出貢獻，擺脫傳統紡織行業所帶來的行業危機。