智能服裝和智能服裝材料研究進(jìn)展

孟琪潔

(東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,上海 210051)

隨著技術(shù)的發(fā)展,智能服裝逐漸成為紡織服裝領(lǐng)域的熱點(diǎn)話題,智能服裝結(jié)合了多種技術(shù),是多學(xué)科多領(lǐng)域的交叉產(chǎn)物,在眾多領(lǐng)域均有應(yīng)用,如健康醫(yī)療、軍事裝備、運(yùn)動(dòng)娛樂等領(lǐng)域。智能服裝滿足用戶更多需求,給予傳統(tǒng)服裝無限可能。同時(shí)智能服裝材料的研究也如火如荼,通過將導(dǎo)電材料、光纖織物等融入紡織材料從而實(shí)現(xiàn)多種功能。

1 智能服裝研究進(jìn)展

智能服裝可以被定義為對(duì)某種刺激做出反應(yīng)的紡織品,同時(shí)伴隨著其性能的變化。

智能紡織品可以監(jiān)測(cè)一個(gè)人的健康狀況,如溫度、運(yùn)動(dòng)、化學(xué)物質(zhì)、心率、呼吸、機(jī)械參數(shù)等。它們可分為兩類:被動(dòng)智能紡織品和主動(dòng)智能紡織品。被動(dòng)智能紡織品能夠感知來自機(jī)械、熱、化學(xué)、電或磁源的環(huán)境條件和刺激,而主動(dòng)智能紡織品同時(shí)具有傳感器和執(zhí)行器,例如調(diào)節(jié)穿著者的體溫。智能服裝的基本組件主要有傳感器、執(zhí)行器和電子(通信、計(jì)算和監(jiān)控)單元[1]。

1.1 健康醫(yī)療領(lǐng)域

智能服裝在健康醫(yī)療領(lǐng)域的研究與應(yīng)用最為廣泛,如用于定位監(jiān)測(cè)以及情感感知功能。

隨著老齡化進(jìn)程加快,安全監(jiān)護(hù)服裝逐漸成為近年來智能服裝設(shè)計(jì)研究的熱點(diǎn)。2018年,美國弗吉尼亞理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā)出的防跌倒智能褲[2],可以幫助阿爾茨海默病患者確定跌倒風(fēng)險(xiǎn),從而減少跌倒導(dǎo)致的老年人受傷狀況。防跌倒智能褲實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 防跌倒智能褲

2019年許黛芳團(tuán)隊(duì)[3]提出了目前阿爾茨海默病老年人智能監(jiān)護(hù)服裝中存在的設(shè)計(jì)問題,從系統(tǒng)、面料、工藝、服裝造型結(jié)構(gòu)4個(gè)維度出發(fā),將石墨烯柔性傳感器等器件布置在針織毛衫上,從而代替杜邦線、普通電路板及顯示器,很好地改善了服裝材料舒適性問題;同時(shí)輔以A-GPS定位功能、跌倒檢測(cè)功能、健康監(jiān)測(cè)和語音提醒功能。

除了將傳感器與日常服裝相結(jié)合,2019年Francesco Alaimo團(tuán)隊(duì)[4]開發(fā)了一種能將普通紡織紗線轉(zhuǎn)化為智能紗線的技術(shù),并將其應(yīng)用于步態(tài)監(jiān)測(cè)的智能鞋墊。

智能服裝在防護(hù)保健方面的應(yīng)用有Jaana團(tuán)隊(duì)開發(fā)的適用于北極環(huán)境的智能服裝[5],幫助使用者在惡劣和苛刻的天氣條件下生存,為用戶提供通信、定位和監(jiān)控等功能。防護(hù)服的監(jiān)控系統(tǒng)由溫度傳感器、加速度傳感器、心率傳感器和電導(dǎo)傳感器組成,可以測(cè)量人體和環(huán)境的相關(guān)參數(shù)。根據(jù)這些測(cè)量值,可以自動(dòng)發(fā)送緊急信息。

2020年,朱江波團(tuán)隊(duì)[6]設(shè)計(jì)并開發(fā)了可水洗超薄智能溫控發(fā)熱保健服裝,通過應(yīng)用智能柔性發(fā)熱系統(tǒng)、智能低壓供電系統(tǒng)和高精度柔性傳感器,開發(fā)了一系列可水洗的超輕超薄智能發(fā)熱保健服裝。

心理健康已成為嚴(yán)重影響人們生活質(zhì)量的問題,交互技術(shù)可以提高人們之間的情感交流。

2018年,Weizhen Wang團(tuán)隊(duì)[7]將微型傳感器和發(fā)光二極管(LED)嵌入情侶服裝原型,并做初步的情感評(píng)價(jià)。研究發(fā)現(xiàn),交互式服裝與人類情感表達(dá)之間存在很好的相關(guān)性,實(shí)驗(yàn)服裝能夠刺激參與者的情緒反應(yīng)。

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,利用機(jī)器人與人之間的交互作用來提高心理健康水平成為一個(gè)全新的方向。但由于機(jī)器人設(shè)計(jì)有限且體積龐大,無法便捷攜帶。因此,2019年Jun Yang團(tuán)隊(duì)[8]提出將個(gè)人機(jī)器人、智能服裝、云終端集于一體的情感感知系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了一種新的“以人為本”的情感互動(dòng)模式,即個(gè)人機(jī)器人與智能服裝互相彌補(bǔ),與用戶共同互動(dòng)。利用人工智能技術(shù)、知識(shí)圖設(shè)計(jì)情感感知和交互算法,包括智能推薦、關(guān)系識(shí)別、情感表達(dá)識(shí)別功能。同時(shí),對(duì)不同的場(chǎng)景進(jìn)行分析,結(jié)果表明,該系統(tǒng)可以廣泛應(yīng)用于服務(wù)人群,提高人們的心理健康水平。

1.2 軍事裝備領(lǐng)域

智能服裝在軍事裝備中的應(yīng)用也十分廣泛,從敵我識(shí)別到對(duì)傷員的健康監(jiān)測(cè)和簡(jiǎn)易治療,以及評(píng)估士兵精神狀態(tài)等各個(gè)方面[9]。

美國麻省理工學(xué)院為美軍開發(fā)了一款敵我智能識(shí)別作戰(zhàn)服[10]。他們?cè)诳椢镏屑尤胍环N特殊的光學(xué)纖維,用該織物制成的軍服經(jīng)照射且被激光器識(shí)別后,能夠發(fā)射出“友好”信號(hào),因此士兵可以據(jù)此迅速辨別對(duì)方身份,從而使誤傷概率大大降低,提高協(xié)同作戰(zhàn)的效率。

防彈衣往往由40多層面料構(gòu)成,笨重且缺乏機(jī)動(dòng)性。2014年,德國亞琛工業(yè)大學(xué)研究所為安全執(zhí)法人員開發(fā)了一款輕便、靈活的智能防護(hù)服裝[11]。該服裝由健康監(jiān)測(cè)和傷害控制系統(tǒng)組成。健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)人體基本生理數(shù)據(jù)的采集。傷害控制系統(tǒng)可以通過傳感器的損壞位置來監(jiān)測(cè)和判斷對(duì)應(yīng)器官的受傷情況。此外,該服裝還能實(shí)現(xiàn)地理定位信息和傳感器數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。

為了實(shí)時(shí)評(píng)估士兵在作戰(zhàn)中的心理壓力,西班牙國防部的研究人員開發(fā)了一款由織物非侵入設(shè)備和傳感服裝組成的測(cè)試系統(tǒng)[12]。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集穿著者的心率、呼吸頻率、皮膚電反應(yīng)及外周溫度等指標(biāo)數(shù)據(jù)。據(jù)此來判斷士兵的精神狀況,從而評(píng)估其是否適合進(jìn)行某種軍事任務(wù)。

1.3 運(yùn)動(dòng)娛樂領(lǐng)域

在運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域,可穿戴服裝傳感器系統(tǒng)可以測(cè)量用戶的運(yùn)動(dòng)負(fù)荷,并提供計(jì)算所得的熱量消耗量,從而鼓勵(lì)用戶進(jìn)行體育鍛煉。如NIKE公司在2012年推出Nike+Basketball和Nike+Training運(yùn)動(dòng)鞋[13],該運(yùn)動(dòng)鞋可追蹤用戶的運(yùn)動(dòng)并為用戶的表現(xiàn)打分。同時(shí),通過iPhone和iPod touch的Nike+應(yīng)用程序APP用戶可以共享得分并與朋友分享排行榜,從而使用戶在競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下更加努力地訓(xùn)練。

隨著肌電圖等復(fù)合傳感器技術(shù)的進(jìn)步,智能服裝可以感知并監(jiān)測(cè)肌肉和身體運(yùn)動(dòng)的負(fù)荷,從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)護(hù)理和指導(dǎo)功能。如Electric foxy的智能瑜伽服Bend series[14],該智能瑜伽服會(huì)在用戶姿勢(shì)錯(cuò)誤或有潛在危險(xiǎn)時(shí)通過觸覺反饋通知用戶,該防護(hù)服配有4個(gè)彎曲和拉伸傳感器,可以準(zhǔn)確確定錯(cuò)誤姿勢(shì)發(fā)生的位置。因此它可以幫助用戶在運(yùn)動(dòng)中學(xué)習(xí)正確的姿勢(shì),該瑜伽服還可以將有關(guān)瑜伽輕度鍛煉的報(bào)告隨時(shí)發(fā)送到智能手機(jī)或平板電腦。

在游戲領(lǐng)域,2016年,聯(lián)想推出一款可以控制手機(jī)游戲的智能跑鞋[15],該跑鞋可以與手機(jī)游戲配合使用,用戶可以用腳作為控制器來回移動(dòng);同時(shí),這款鞋子可以計(jì)算用戶的步數(shù)并追蹤燃燒的卡路里;此外,該款跑鞋采用3D打印技術(shù)定制的鞋墊,將其放在鞋子大小的充電面板上,可以進(jìn)行無線充電。

2020年,Hyunseung開發(fā)一款運(yùn)動(dòng)服[16],實(shí)現(xiàn)了后方檢測(cè)功能,同時(shí)可以實(shí)時(shí)測(cè)量用戶心率,通過藍(lán)牙連接到智能手機(jī)。在滿足功能性的的同時(shí)考量了智能服裝的美觀時(shí)尚度。此外,在寒冷環(huán)境下,該運(yùn)動(dòng)服還能提供加熱功能,以維持用戶身體的熱量。

2 智能服裝材料研究進(jìn)展

隨著智能服裝的迅速發(fā)展,與其相結(jié)合的新一代材料也正在開發(fā)中。在開發(fā)初期,智能紡織品所需的組建單元由傳統(tǒng)的電子元件覆蓋在紡織品上得到,隨后智能導(dǎo)電材料、光纖織物、納米材料、相變材料、光致變色材料等作為智能服裝材料被廣泛運(yùn)用。

2.1 導(dǎo)電材料

智能服裝往往要結(jié)合電子元器件,這些電子產(chǎn)品分布在一件或幾件衣服上,不同電子模塊間需要用導(dǎo)線連接。普通電線由于長時(shí)間使用會(huì)僵硬,漸漸被導(dǎo)電纖維替代。Jaana團(tuán)隊(duì)[17]研究導(dǎo)電纖維紗線在智能服裝中的應(yīng)用,其往往作為通信介質(zhì)或電極材料。通過加速試驗(yàn)和抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)表明采用合適的導(dǎo)電纖維材料和焊料可以實(shí)現(xiàn)可靠的連接。

2015年,韓瀟[18]設(shè)計(jì)了一款可用于智能監(jiān)測(cè)的無縫內(nèi)衣,采用鍍銀錦綸導(dǎo)電紗線,并運(yùn)用提花添紗技術(shù)編織柔性針織傳感器。

2018年,Sadeqi團(tuán)隊(duì)[19]研制了一種易于拉伸和可水洗的智能紗線,它可以被縫進(jìn)可穿戴紡織品中,用于制作智能可穿戴織物,并且能夠監(jiān)測(cè)人體的生理運(yùn)動(dòng)。該團(tuán)隊(duì)使用聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯(PBT)膨化紗線作為基材,并通過簡(jiǎn)單卷筒涂層工藝使其對(duì)應(yīng)變敏感。PBT本身是用不易拉伸的紗線制成,但通過拉伸紗線打開細(xì)絲可以賦予其延展性。在PBT紗線涂上電阻碳墨水將它們轉(zhuǎn)換成應(yīng)變傳感器。而該紗線的耐水洗性是通過涂覆一層薄薄的PDMS實(shí)現(xiàn)的。

除了將傳感器與日常服裝相結(jié)合,2019年,Francesco Alaimo團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種能將普通紡織紗線轉(zhuǎn)化為智能紗線的技術(shù),并將其應(yīng)用于步態(tài)監(jiān)測(cè)的智能鞋墊。制作過程中使用墨盒在裸露的紗線上涂上導(dǎo)電墨水,然后在加熱室中干燥。將智能紗線排列在二維網(wǎng)格中,該網(wǎng)格由16個(gè)水平線和8個(gè)垂直線組成,并伴有一個(gè)氣墊間隙,從而實(shí)現(xiàn)智能鞋墊。通過對(duì)二維網(wǎng)格實(shí)時(shí)應(yīng)變信息的進(jìn)一步處理,可以生成精度為16×8像素的二維壓力腳圖,這些腳圖可以直接監(jiān)測(cè)足部的活動(dòng)強(qiáng)度和其他身體活動(dòng)。結(jié)果表明,該鞋墊對(duì)步態(tài)監(jiān)測(cè)具有良好的靈敏度和精度。

智能服裝中除了導(dǎo)電紗線外,2014年重慶大學(xué)和美國佐治亞理工學(xué)院聯(lián)合研制了一款能自動(dòng)供電的織物,該織物能在收集光能的同時(shí)通過摩擦發(fā)電儲(chǔ)能[20]。其導(dǎo)電原理是在聚酯纖維表面鍍金屬層和半導(dǎo)體涂層。將該智能纖維與普通纖維混合編織,可用于制作各種款式的智能服裝。

2.2 光纖織物

光纖和紡織物結(jié)合形成復(fù)合織物,即光纖織物,是一種新型智能材料。光纖織物采用聚合物光纖,因此兼具紡織品的柔軟性和光纖的導(dǎo)電性。光纖傳感織物是光纖織物的一種應(yīng)用,其往往將光纖作為傳感器進(jìn)入到織物中[21]。

光纖織物在醫(yī)療領(lǐng)域中的應(yīng)用很廣,2009年和2010年,Jonckheere團(tuán)隊(duì)[22]和Silva團(tuán)隊(duì)[23]分別用刺繡和涂層工藝將光纖光柵結(jié)合到織物結(jié)構(gòu)中,制作可以監(jiān)測(cè)心跳和呼吸等生理特征的傳感織物。2017年,王飛翔團(tuán)隊(duì)采用襯緯的方式[24],將光纖織入經(jīng)編織物結(jié)構(gòu)中,開發(fā)的光纖傳感織物主要用于對(duì)呼吸信號(hào)的檢測(cè);由于經(jīng)編針織結(jié)構(gòu)可以提高傳感織物的柔軟性,因此這種方法大大提高了織物表面平整度,同時(shí)也提高了織物使用的適形性和舒適性。

除了將光纖織物用作傳感器,光纖發(fā)光織物是光纖織物的另一種應(yīng)用,在醫(yī)療領(lǐng)域,光纖發(fā)光織物用于光動(dòng)力療法裝置進(jìn)行某些疾病的治療,如在2017年,Oguz團(tuán)隊(duì)[25]將光纖和織物一起編織,研制出一種發(fā)光織物,通過彎曲光纖可使其獲得發(fā)光的效果,并將光線照射到患者的皮膚上,用于角化病等皮膚病的治療。

2.3 納米材料

近幾年,納米技術(shù)也逐漸被引入紡織領(lǐng)域。其中涉及微膠囊的納米粒子或納米產(chǎn)品,可與各種各樣的產(chǎn)品一起使用,這些產(chǎn)品具有與封裝產(chǎn)品性質(zhì)相關(guān)的不同特性。

2007年,Becheri團(tuán)隊(duì)[26]合成了納米尺度的氧化鋅顆粒并將其應(yīng)用在棉毛織物上用于防紫外線。在不同溫度(90或150℃)和反應(yīng)介質(zhì)(水或1,2-乙二醇)下制備納米顆粒。之后將納米氧化鋅應(yīng)用于棉花和羊毛樣品,使處理后的紡織品有防曬活性。通過紫外-可見分光光度法和紫外防護(hù)因子(UPF)的計(jì)算來評(píng)價(jià)處理效果。

2009年,Abramov團(tuán)隊(duì)[27]設(shè)計(jì)的裝置是為了放大各種納米顆粒在織物上的聲化學(xué)輔助涂層。該裝置每次可在連續(xù)50 m的棉織物上涂覆Cu O或ZnO納米粒子。分析涂層棉織物表面金屬氧化物的結(jié)構(gòu)和形貌,發(fā)現(xiàn)其為納米晶氧化物(粒徑約10～20 nm)。該涂層均勻、穩(wěn)定,且至少20次清洗循環(huán)后依然能保持其生物殺滅性能。含CuO涂層的棉織物對(duì)大腸桿菌具有良好的抗菌性能。

2013年,Sundarrajan團(tuán)隊(duì)用納米顆粒和納米纖維代替防護(hù)服中的活性炭。金屬氧化物納米粒子,如Mg O、Al2O3、Fe2O3、ZnO和TiO2能將化學(xué)和生物戰(zhàn)劑(CWA)降解為無毒產(chǎn)品。它們還增強(qiáng)了各種性能,如機(jī)械性能、耐化學(xué)品性、阻燃性、抗菌性和自清潔性。

2.4 相變材料

通過加入相變材料可以促進(jìn)智能服裝的熱調(diào)節(jié)從而提高其舒適性,尤其是運(yùn)動(dòng)服和休閑服。這些材料在醫(yī)用紡織品領(lǐng)域也有著廣闊的應(yīng)用前景,消防隊(duì)、賽車隊(duì)和汽油泵服務(wù)人員的形狀記憶防護(hù)服正在開發(fā)中。后者含有形狀記憶材料,在一定的高溫下有助于絕緣層的形成,通過恢復(fù)原始形狀來分層,這樣就可以防止人體過熱。

2007年,Sarier團(tuán)隊(duì)[28]開發(fā)了基于原位聚合的制造技術(shù),以實(shí)現(xiàn)相變材料(PCMs)的微膠囊化,并將這些產(chǎn)品融入多組分非常規(guī)織物中。他們用該技術(shù)制備了4種不同蠟含量的聚脲醛微膠囊,此外,還基于多層織物系統(tǒng)模型,重點(diǎn)研究在指定寒冷天氣和物理活動(dòng)條件下,微膠囊化PCMs對(duì)具有一定被動(dòng)隔熱特性的織物熱性能的貢獻(xiàn)。

2.5 光致變色材料

2015年Arun Kumar介紹了一種制備經(jīng)太陽光激活的綠色發(fā)光Eu2+/Dy3+摻雜鋁酸鍶(Sr1-x-yAl2O4:Eux2+/Dyy3+)的研制途徑。通過定制的固態(tài)反應(yīng)溶液澆鑄方法獲得持久、透明、柔韌和防水的磷光層。發(fā)光涂料的這些顯著特性及柔性透明磷光層可用于光學(xué)顯示和國防應(yīng)用。

2018年Tawfik團(tuán)隊(duì)[29]研制了一種基于涂料印花的光致變色熒光棉織物。這種織物是由水基涂料黏合劑印花配方制成的,其中含有具有良好光穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性的無機(jī)顏料熒光粉。其最佳激發(fā)波長(365 nm)可導(dǎo)致織物表面顏色和熒光的變化。

3 討 論

智能服裝一直是全球紡織服裝消費(fèi)市場(chǎng)的熱點(diǎn),但在智能服裝能夠廣泛使用之前,一些技術(shù)挑戰(zhàn)如電池容量、組件體積、重量、系統(tǒng)成本以及與服裝融合性均需要改進(jìn)。這些問題使得智能服裝的時(shí)尚性有待提高,因此很多學(xué)者都在致力于這方面的工作,并積極開發(fā)相關(guān)智能服裝材料。

從上述文獻(xiàn)中也可以發(fā)現(xiàn),將傳感器集成到日常穿著中,未來將徹底改變醫(yī)療保健和健身領(lǐng)域服裝行業(yè)。在交互式服裝設(shè)計(jì)過程中,技術(shù)功能應(yīng)與人類情感表達(dá)同步,因此交互式服裝的研制可以填補(bǔ)人類情感與可穿戴技術(shù)之間的鴻溝,以實(shí)現(xiàn)交互式時(shí)尚創(chuàng)新。

因此如何將時(shí)尚與科技相結(jié)合是智能服裝領(lǐng)域研究的一個(gè)熱門話題?？萍寂c時(shí)尚交融的產(chǎn)品未來應(yīng)用廣泛,且具有較大的銷售市場(chǎng)。

對(duì)于研制智能服裝材料而言,目前涉及多學(xué)科技術(shù),如導(dǎo)電技術(shù)、光電技術(shù)、化學(xué)化工技術(shù)、納米技術(shù)、生物技術(shù)等。這些材料的應(yīng)用也極為廣泛,如傳感線是智能織物的基礎(chǔ),可以跟蹤人體運(yùn)動(dòng)并用于實(shí)時(shí)生理監(jiān)測(cè);將這些智能紗線與服裝結(jié)合可以檢測(cè)人體形態(tài)(如坐姿與站立)和人體運(yùn)動(dòng)(如跑步與步行)。將該智能纖維與普通纖維混合編織,也可用于制作各種款式的智能服裝。

目前,光纖織物在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在人體生命信號(hào)的檢測(cè)、傳輸和光動(dòng)力治療等方面。但目前絕大多數(shù)情況下光信號(hào)在實(shí)際使用時(shí)還需要與電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換,由此所需的信號(hào)連接、處理,以及光源、電源等裝置帶來的空間占用和重量承載已經(jīng)成為制約光纖織物及其最終產(chǎn)品進(jìn)一步發(fā)展的主要障礙。這些裝置的小型化、輕量化和集成化必將為光纖織物在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用起到助推作用。印刷樣品的光穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、高可逆性和抗疲勞性,使其在未來有望成為品牌保護(hù)、軍事偽裝和安全印刷等特定領(lǐng)域的通用智能服裝。

新型智能服裝材料的研制使很多功能得以實(shí)現(xiàn),未來可以結(jié)合智能服裝廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、體育、軍事和時(shí)尚產(chǎn)業(yè)中。

4 結(jié)束語

通過整理歸納在健康醫(yī)療、軍事裝備、運(yùn)動(dòng)娛樂領(lǐng)域的智能服裝的研究進(jìn)展可知,智能服裝的主要功能以定位、監(jiān)測(cè)、交互為主;通過分析近幾年智能服裝材料的研究進(jìn)展可知,通過不同技術(shù)如光電技術(shù)、化學(xué)化工技術(shù)、納米技術(shù)等可以改變材料性質(zhì),從而實(shí)現(xiàn)其多功能化。

智能服裝在當(dāng)今紡織服裝行業(yè)已成為研究熱點(diǎn),目前已有相當(dāng)多的研究成果,但依舊存在不少技術(shù)問題,需要各界學(xué)者協(xié)力共同克服阻力,使智能服裝能夠在未來廣泛使用。