可穿戴技術(shù)在紡織服裝中的應(yīng)用研究進(jìn)展

孫 悅， 范 杰， 王 亮， 劉 雍,2

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300387； 2. 高性能纖維及紡織復(fù)合材料制備技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心， 天津 300387)

可穿戴設(shè)備主要指可直接穿戴在人身上的電子設(shè)備，是可以整合到衣服中或類似服裝的電子產(chǎn)品[1]。可穿戴技術(shù)通過融合材料技術(shù)和信息技術(shù)，結(jié)合大數(shù)據(jù)平臺、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)對人體相關(guān)信息進(jìn)行收集、處理和反饋，成為新的數(shù)據(jù)流量入口，因此，可穿戴設(shè)備勢必成為移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的新寵。自2014年開始，隨著硬件熱潮、并購熱潮以及投資熱潮的出現(xiàn)，IT、科技巨頭紛紛推出可穿戴產(chǎn)品，在行業(yè)內(nèi)掀起了一場可穿戴熱潮；在之后的全球移動(dòng)通信大會上，可穿戴設(shè)備再次成為媒體聚焦的重點(diǎn)?？纱┐饔布O(shè)備的柔性化、可穿戴設(shè)備與服裝的集成已成為21世紀(jì)科技公司和學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一。如2016年谷歌公司I/O開發(fā)者大會上，谷歌聯(lián)合Levi′s推出了一款智能夾克——Project Jacquard。2017年，美國專利商標(biāo)局公布了蘋果公司的3種智能織物發(fā)明專利：可識別觸摸手勢的觸敏紡織裝置、具有嵌入式輸入輸出設(shè)備的3D織物結(jié)構(gòu)、具有嵌入式電子元件的織物。可以看出，現(xiàn)在的服裝不僅具有保護(hù)人體、維持熱平衡、時(shí)尚美觀等基本功能，且能夠?qū)崿F(xiàn)信息傳遞、娛樂通信、監(jiān)測健康等特定功能[2]，增加了服裝的功能性、時(shí)尚性和科技含量?？纱┐髟O(shè)備與服裝的融合可為人類提供更為便利的智能服務(wù)[3]，尤其是在醫(yī)療保健、運(yùn)動(dòng)健身和休閑娛樂等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

然而，目前市場上存在的可穿戴產(chǎn)品絕大部分以“戴”為主，而“穿”的產(chǎn)品屈指可數(shù)。以智能手環(huán)、手表、眼鏡為主流的可穿戴設(shè)備并不是收集數(shù)據(jù)、傳遞信息的最佳選擇，也不是放置傳感器的最佳位置。與之相比，服裝作為消費(fèi)者的剛性需求，具有柔軟、舒適、可折疊、長期穿著等無可比擬的優(yōu)勢，更易被消費(fèi)者所接受。目前，可穿戴設(shè)備與服裝的整合正處于起步階段，沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行評價(jià)。此外，在紡織服裝領(lǐng)域中，對可穿戴設(shè)備發(fā)展的相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道較少。本文對可穿戴技術(shù)在紡織服裝領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行系統(tǒng)敘述，對柔性電子常用的功能性材料和服裝中的主要柔性設(shè)備進(jìn)行分類，力圖全面展現(xiàn)基于紡織服裝可穿戴設(shè)備的研究現(xiàn)狀和最新進(jìn)展，以期在智能紡織服裝的創(chuàng)新發(fā)展中，推動(dòng)智能服裝成為新一代的可穿戴設(shè)備，為可穿戴科技產(chǎn)品注入新鮮血液，并帶動(dòng)傳統(tǒng)紡織服裝行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。

1 可穿戴設(shè)備在紡織服裝上的應(yīng)用

可穿戴設(shè)備與紡織服裝的結(jié)合始于20世紀(jì)70年代末，當(dāng)時(shí)的電子產(chǎn)品體積大且功能單一，而紡織品只是作為特殊的載體來安裝電子器件(如可穿戴的計(jì)算機(jī))用于醫(yī)療、軍事和航空航天等特殊領(lǐng)域[4]。之后，可穿戴設(shè)備處于發(fā)展階段，產(chǎn)品相繼出現(xiàn)提升了公眾的認(rèn)知。1997年，第1套穿戴式電子服裝是由飛利浦服裝設(shè)計(jì)公司、電子研發(fā)公司以及Levi′s公司共同研發(fā)的系列電子服裝，包含娛樂和通信功能[4]。隨著新型有機(jī)材料、芯片高度集成化以及柔性電子技術(shù)的發(fā)展，電子元件趨于微型化、柔性化，加速了服裝與電子產(chǎn)品的融合。2004年，Starlab研制的真正用于日常穿著的男士智能化襯衫問世；2009年，美國MIT媒體技術(shù)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的可接入互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的服裝標(biāo)志著一個(gè)全新的電子紡織時(shí)代的到來[5]。

2012年以來，可穿戴設(shè)備隨著移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展而呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長，出現(xiàn)了一系列以智能手環(huán)、智能手表、智能眼鏡以及智能跑鞋等為主的可穿戴產(chǎn)品，具有實(shí)時(shí)監(jiān)測人體的各項(xiàng)生理參數(shù)、運(yùn)動(dòng)指標(biāo)、通信和定位等功能。2014年Mimo推出了1款嬰兒連體衣，通過安裝在服裝表面的感應(yīng)器來監(jiān)測嬰兒的呼吸[6]。2016年，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)出VR眼鏡和VR頭盔等設(shè)備。這些可穿戴設(shè)備大都以佩戴為主。在可穿戴智能服裝中，大部分電子器件都進(jìn)行了硬殼保護(hù)，為穿著舒適性和可機(jī)洗性帶來一定的問題。為使電子設(shè)備與紡織品更易結(jié)合，紡織服裝行業(yè)和電子產(chǎn)業(yè)正積極尋求解決辦法，谷歌與Levi′s公司合作，利用導(dǎo)電紗線制成電容式觸控感測器連接織物控制器[7]，再與服裝面料融合，利用織物來控制移動(dòng)設(shè)備，開辟了可穿戴全新的交換方式。

總而言之，利用功能性材料通過紡織服裝加工的方式生產(chǎn)具有電子性能的柔性器件，使二者在保持自身特有的功能下完美融合，是未來智能可穿戴發(fā)展的重要趨勢。

2 柔性可穿戴設(shè)備、材料與制備工藝

一般來說，柔性可穿戴設(shè)備的發(fā)展大致經(jīng)歷了3個(gè)階段：剛性化—柔性化—智能化，未來必將朝著信息精準(zhǔn)化方向邁進(jìn)。一種新材料的出現(xiàn)往往都會產(chǎn)生新一代器件及其相應(yīng)的制作工藝。例如，半導(dǎo)體硅材料的出現(xiàn)決定了傳統(tǒng)微電子采用硬質(zhì)硅基板或平面玻璃，而要制造這些固態(tài)電子設(shè)備又使光刻技術(shù)得以發(fā)展[8]。20世紀(jì)60年代對有機(jī)材料電學(xué)性能的研究以及導(dǎo)電聚合物的相繼發(fā)現(xiàn)，柔性基材取代傳統(tǒng)的剛性基板，溶液化工藝取代光刻工藝，提高了生產(chǎn)效率，降低了制造成本，極大地推動(dòng)了柔性電子的發(fā)展。

對于電子智能紡織品而言，除具備柔韌性和可機(jī)洗外，還要滿足信號傳輸?shù)纫?，因此，人們越來越重視?dǎo)電纖維的開發(fā)和應(yīng)用。智能紡織品所用的導(dǎo)電纖維主要分為2種：直接導(dǎo)電和經(jīng)后處理得到的導(dǎo)電纖維[9]。一般而言，直接導(dǎo)電的纖維有拉絲、切削獲得的金屬纖維和導(dǎo)電高分子材料直接紡絲形成導(dǎo)電高分子纖維。然而，金屬纖維手感較差，通常需要與普通纖維進(jìn)行混紡制備導(dǎo)電織物。另一種通過后處理可得到導(dǎo)電纖維，如噴涂導(dǎo)電涂層、纖維表面吸附導(dǎo)電物質(zhì)、摻雜碳黑、金屬化合物與成纖物質(zhì)混合紡絲獲得導(dǎo)電纖維。導(dǎo)電纖維的研制極大地推動(dòng)了可穿戴設(shè)備與服裝面料的融合，但在使用過程中仍需考慮導(dǎo)電纖維的力學(xué)強(qiáng)度和耐水洗等性能。

可穿戴設(shè)備的柔性化和智能化需要柔性基底為依托。目前，主要利用纖維、紗線、織物、聚合物薄膜和導(dǎo)電涂層等柔性材料來制備柔性可穿戴電子設(shè)備。表1示出制備柔性可穿戴基材常用的材料和制作方法?？梢钥闯觯繉雍蛽诫s是目前獲得功能性材料的主要方法。尤其是將低維納米材料摻雜在聚合物中獲得復(fù)合材料可彌補(bǔ)單一材料的不足，能夠顯著提高材料的綜合性能，因此，被廣泛用于柔性電子器件的制作。利用編織、刺繡、組合等方法對柔性基材進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獲得所需性能的電子元件，借助紡織工藝集成到服裝中[10]，然后通過無線通信技術(shù)與軟件建立聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息處理等功能。

表1 制備柔性基材常用材料和方法Tab.1 Common materials and methods for preparing flexible substrates

通過上述方法制備的柔性材料，雖然在一定程度上改善了剛性器件的不足，但用于日?？纱┐鞣b中仍需要解決材料自身存在的問題，表2概括了纖維、膜和涂層在開發(fā)可穿戴設(shè)備中的優(yōu)缺點(diǎn)。

表2 可穿戴傳感器柔性化的比較Tab.2 Comparison of wearable sensor flexibility

3 柔性可穿戴設(shè)備的類型

可穿戴設(shè)備目前尚沒有統(tǒng)一的分類標(biāo)準(zhǔn)[11]，根據(jù)利用紡織品等柔性材料制成的可穿戴設(shè)備進(jìn)行分類，主要可分為信號感測、收集與數(shù)據(jù)傳輸裝置，自供電、能量收集與管理裝置，紡織天線3種典型柔性可穿戴設(shè)備。

3.1 信號感測、收集與數(shù)據(jù)傳輸裝置

3.1.1傳感器

傳感器可通過將生理或環(huán)境信號轉(zhuǎn)換成電信號來提供用戶和電子系統(tǒng)之間的接口[12]。適用于可穿戴設(shè)備的傳感器主要有生物傳感器、動(dòng)作傳感器和環(huán)境傳感器3大類，且這些傳感器存在剛性和柔性之分。由于技術(shù)成熟、工藝水平完善，剛性傳感器成為可穿戴設(shè)備中最主要的形式[13]。雖然這類傳感器具有良好的電學(xué)性能，但存在強(qiáng)度大、不易彎曲等缺點(diǎn)，很難在復(fù)雜表面進(jìn)行檢測，限制了其應(yīng)用范圍。柔性電子技術(shù)推動(dòng)了可穿戴傳感器柔性化的進(jìn)程。目前，使用功能紗線或織物直接織制具有優(yōu)良電性能的元件一直是紡織業(yè)和電子行業(yè)努力追求的目標(biāo)。

新材料的出現(xiàn)推動(dòng)新設(shè)備的研發(fā)。20世紀(jì)70年代末，金屬纖維被廣泛應(yīng)用于紡織行業(yè)，因其良好的導(dǎo)電性和可彎曲性，與紡織纖維包纏獲得新型金屬復(fù)合紗線開發(fā)觸摸傳感器[14]，明顯改善了傳感器的柔軟度，但金屬纖維易斷裂。之后有機(jī)材料、薄膜技術(shù)和納米材料的發(fā)展，促使出現(xiàn)了一系列具有電性能的紗線、織物和薄膜。利用材料特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以紡織材料為基材制備不同類型的傳感器是當(dāng)前的研究趨勢：如利用碳納米管在拉伸變形時(shí)電阻變化的特性制備應(yīng)變傳感器；利用聚偏二氟乙烯的壓電性來制備壓電傳感器以及“三明治”結(jié)構(gòu)的電容傳感器。然而，大多數(shù)報(bào)道的柔性傳感器仍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，雖然具有監(jiān)測運(yùn)動(dòng)、心率、呼吸等特殊功能，但真正產(chǎn)業(yè)化的設(shè)備寥寥無幾。

基于傳統(tǒng)紡織材料，通過溶液化工藝和特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是制備高靈敏度柔性可穿戴傳感器的有效方法[15-17]。圖1示出電容式壓力傳感器的典型制備過程，包含聚合物涂層、浸漬/摻雜、紡織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方法。Lee等[18]在氨綸纖維表面涂覆聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)(SBS)，然后放在含Ag+溶液中浸漬并將其還原轉(zhuǎn)化成銀納米顆粒，最后涂覆聚二甲基硅氧烷(PDMS)獲得高靈敏度、優(yōu)異耐久性、快速響應(yīng)和松弛時(shí)間的高導(dǎo)電纖維，并將其彼此垂直堆疊制造電容式紡織壓力傳感器。除使用功能性纖維外，還可在柔性聚合物基底上通過紡織工藝與服裝結(jié)合制備電子元件。在織物表面直接進(jìn)行圖案化處理也是近年來制備傳感器廣泛應(yīng)用的方法。通常利用石墨烯、碳納米管、銀納米線、導(dǎo)電碳黑以及2種物質(zhì)混合制成的導(dǎo)電涂料，或織物上沉積石墨烯氧化物(GO)、ZnO納米結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電銀膠等物質(zhì)開發(fā)高靈敏度柔性傳感器[19-20]。雖然，在此基礎(chǔ)上已開發(fā)了電容、壓阻、壓電、光電、電化學(xué)和濕度等多種操作類型的傳感器，然而，織物與材料間的黏附性以及設(shè)備的水洗穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步的研究。

圖1 電容式壓力傳感器制作示意圖及實(shí)物照片F(xiàn)ig.1 Schematic illustration and picture of fabrication of capacitive pressure sensor. (a) Manufacture of conductive fiber; (b) Pressure sensor manufacturing; (c) Pressure sensor on a PET substrate; (d) Picture of pressure sensor

3.1.2電極

服裝中使用電極主要用來采集與人體有關(guān)的生物電信號。早期粘貼式Ag/AgCl濕電極[21]克服了剛性電極的不足，可快速適應(yīng)身體形狀從而減少運(yùn)動(dòng)偽影，更好地接觸皮膚降低界面阻抗，由于其較低的成本和良好的性能而被廣泛使用[22]。然而，電極中的凝膠不但會對皮膚產(chǎn)生刺激，還可隨時(shí)間脫水造成信號降解，不利于心電信號的長期監(jiān)測。而織物干電極由于具備柔軟、舒適、透氣和實(shí)時(shí)采集[21]等優(yōu)勢，不需要配合導(dǎo)電膏和皮膚，可直接用來測量生物電勢信號，因此，成為最具競爭力的研究對象。根據(jù)電極和皮膚之間的耦合方式將干電極分為表面電極、穿透電極和電容電極3類[23]。

織物干電極分機(jī)織、針織和非織造結(jié)構(gòu)[21]，其中非織造材料具有良好的力學(xué)性能和低制造成本，因此，廣泛用來開發(fā)織物電極。通常，在非織造織物上沉積金屬薄膜、導(dǎo)電復(fù)合材料、導(dǎo)電涂料或?qū)щ娂喚€刺繡制作紡織電極[24-25]。Murat等[26]在丙烯基彈性體熔噴非織造布上，通過絲網(wǎng)印刷Ag/AgCl導(dǎo)電油墨來制造多層結(jié)構(gòu)干電極，用于心電圖(ECG)監(jiān)測，如圖2所示。采用聚合物、3D打印[27]制作的微針電極逐漸代替了硅和金屬微針電極，該微針陣列電極以相對低的壓縮力插入皮膚中，并且在電極和皮膚之間保持穩(wěn)定的接觸阻抗，可記錄形狀和振幅具有良好保真度的肌電圖(EMG)、ECG和腦電圖(EEG)信號，有利于生物信號收集[28]。但需要進(jìn)一步研究可用于長期監(jiān)測的電極的皮膚生物相容性、力學(xué)和電學(xué)穩(wěn)定性等性能[23]。關(guān)于電容電極的開發(fā)相對較少，仍有極 大的研究發(fā)展空間。

圖2 多層結(jié)構(gòu)干電極示意圖Fig.2 Schematic illustration of multilayer tructure dry electrode

3.2 能量收集與管理裝置

3.2.1電池

由于需要進(jìn)行電信號處理，電池一般是可穿戴設(shè)備的重要部件。目前，大部分可穿戴設(shè)備安裝的均為質(zhì)量輕、形狀和尺寸多變的鋰聚合物電池。電池的續(xù)航能力短、制作成本較高等問題制約了可穿戴設(shè)備的發(fā)展。針對服裝中的柔性可穿戴設(shè)備，克服傳統(tǒng)電池不能彎曲的剛性特征，一系列柔性電池被開發(fā)利用。目前，主要采用碳納米管、石墨烯、導(dǎo)電聚合物、碳紙/碳纖維布和導(dǎo)電紙/導(dǎo)電織物制作柔性電極，使用傳統(tǒng)液態(tài)和柔性固態(tài)電解質(zhì)，通過打印、噴涂、沉積、層壓、紡織等工藝開發(fā)可變形柔性電池[29]。圖3示出通過水熱處理方法在鈦箔表面生成纖維狀的鈦酸鋰為負(fù)極，錳酸鋰為正極，制備的具有優(yōu)異彎曲性能的柔性疊層結(jié)構(gòu)電池[30]。

圖3 柔性疊層結(jié)構(gòu)電池照片F(xiàn)ig.3 Photograph of flexible battery with layered structure

LG公司開發(fā)了一款具有極佳彎曲和扭轉(zhuǎn)能力的電纜型電池，在PET無紡隔膜組裝成的空心結(jié)構(gòu)中灌注電解液，以螺旋型的Ni-Sn合金為負(fù)極，鋁箔-鈷酸鋰(LCO)為正極的新型電池[31]，如圖4所示。此外，為克服鋰離子電池的容量和能量密度問題，開發(fā)了Li-S電池、太陽能電池和燃料等柔性電池[32]。

圖4 螺旋形金屬線負(fù)極的空心電纜鋰離子電池Fig.4 Cable-shaped Li-ion batteries based on hollow-spiral anode metal materials. (a) Schematic of Li-ion batteries; (b)Photography of Li-ion batteries

3.2.2自供電設(shè)備

能量采集和自供電設(shè)備是指可利用光、風(fēng)、熱能、呼吸能以及人體運(yùn)動(dòng)等各種能量，將其轉(zhuǎn)化為電能或?yàn)榭纱┐麟娮釉O(shè)備提供持續(xù)供電的裝置[33]。若將太陽能、熱能和動(dòng)能等清潔能源收集轉(zhuǎn)化成電能以隨時(shí)為電子設(shè)備充電，則通常需要將能量轉(zhuǎn)換部件與能量存儲部件結(jié)合起來使用。Thomas等[34]研制出可同時(shí)吸收和儲存太陽能的服裝，用紗線將由太陽能電池板和超級電容器組成的銅帶編織在一起，嵌入到服裝中從而實(shí)現(xiàn)可穿戴，這種自供電設(shè)備避免了因蓄電池體積大、不易攜帶造成充電困難的問題。除上述這種能量采集方式外，利用風(fēng)能、蒸汽、熱電等能量轉(zhuǎn)換部件與二次電池、超級電容器等能量存儲部件聯(lián)合使用的自供電系統(tǒng)為柔性可穿戴設(shè)備提供了新的思路和途徑，有望取得突破性進(jìn)展。如利用溫差發(fā)電的可穿戴設(shè)備——熱電發(fā)電機(jī)，可將熱能直接轉(zhuǎn)化成電能[35]。目前，摻雜Bi2Te3的合金在熱電中處于主導(dǎo)地位[36]，為減少熱電材料和互連線材料的電/熱損失，人們致力于開發(fā)導(dǎo)熱系數(shù)低的熱電材料和低電阻的連接線，并已研究出采用柔性導(dǎo)電聚合物和印刷導(dǎo)電圖案來提高熱電發(fā)電機(jī)輸出功率的熱電發(fā)電機(jī)[37]。此外，電阻很低的EGaln液態(tài)金屬互連線已問世，將用于連接溫差電元件[38]，為制備性能更高的柔性可穿戴熱電發(fā)電機(jī)提供了可能。但是另一方面，目前柔性電熱自供電設(shè)備的輸出效率遠(yuǎn)低于剛性電熱設(shè)備，制約了柔性熱電材料與器件的發(fā)展。

近年來，由于摩擦電納米發(fā)生裝置(TENG)易于制造且在機(jī)械能采集和自供電傳感方面性能優(yōu)異，因此，被廣泛研究[39]。利用2種不同材料間因外力導(dǎo)致接觸面積的變化使各自帶有相反的電荷(通常金屬涂層帶正電和聚合物帶負(fù)電)或利用織物上生長氧化鋅納米線/納米棒壓電材料受力變化從而產(chǎn)生電流[40-41]，通過編織、組合制成柔性電子裝置并整合到服裝上。圖5示出聚對二甲苯/鎳/聚酯摩擦電納米發(fā)生裝置制作示意圖。盡管近幾年許多研究報(bào)道了基于聚合物和金屬薄膜的柔性可穿戴摩擦電納米發(fā)生裝置，但有機(jī)柔性襯底存在不耐高溫、穩(wěn)定性和透氣性較差等缺點(diǎn)，仍迫切需要開發(fā)輕質(zhì)、柔軟、透氣、可洗滌、可拉伸的紡織摩擦電納米發(fā)電裝置[42]。將能量轉(zhuǎn)換裝置與超級電容器等能量存儲裝置聯(lián)合集成到服裝面料中，為可穿戴電子設(shè)備持續(xù)供電開辟了一條新途徑。

圖5 聚對二甲苯/鎳/聚酯摩擦電納米發(fā)生裝置示意圖Fig.5 Schematic illustration of Parylene/Ni/Polyester triboelectric nanogenerators

3.2.3超級電容器

超級電容器作為一種新型儲能裝置，其作用類似于電池，具有充電時(shí)間短、使用壽命長、可多次充放電、綠色環(huán)保等特點(diǎn)。超級電容器常用的電極材料主要有碳材料、金屬氧化物和導(dǎo)電聚合物，提高電極材料的比表面積、導(dǎo)電性能及孔徑是提高超級電容器的質(zhì)量比電容和能量密度的關(guān)鍵[43]?，F(xiàn)已用碳納米管和聚吡咯納米線與柔性紡織纖維復(fù)合制備出纖維狀柔性超級電容器[44]，可通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)直接在紡織品上打印出超級電容器。此外，將超級電容器與能量收集裝置結(jié)合，制造出既能產(chǎn)生電能又能儲存電能的織物狀電子元件[45]，如圖6所示。

圖6 基于柔性紗線超級電容器和TENG織物的可穿戴自充電服裝Fig.6 Wearable self-charging clothing based on flexible yarn supercapacitor and fabric TENG.(a) Schematic of yarn supercapacitor; (b) Schematic of textile TENG; (c) Schematic of self-charging clothing

3.3 紡織天線

天線是能夠?qū)鬏斁€上傳輸?shù)膶?dǎo)行波變換成在自由空間中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反變換的一種變換器，是用來發(fā)射或接收電磁波的裝置。通過織物來實(shí)現(xiàn)人體無線通信網(wǎng)絡(luò)是未來無線通信的重要發(fā)展方向之一[46]，微帶天線因其具有薄剖面、體積小、質(zhì)量輕和易于共形等優(yōu)點(diǎn)易實(shí)現(xiàn)多頻帶、圓極化等形式，是可穿戴天線中研究最多的一類[47]。輻射貼片是紡織天線中最核心的部件，通過前面制作導(dǎo)電材料的方法可制備性能不同的輻射單元。貼片和接地板使用的導(dǎo)電材料通常是銅箔、銅、鎳、銀金屬涂層、導(dǎo)電銀或銅墨、導(dǎo)電聚合物以及其復(fù)合材料等[48-49]；而介質(zhì)板即紡織天線的基底使用介電常數(shù)低的柔性紡織品[50]。為使天線充分發(fā)揮自身的輻射作用，可將貼片設(shè)計(jì)成不同的形狀，如方形、圓形、矩形、橢圓、三角形以及開槽貼片等。紡織天線大都以提高帶寬和增益為目的進(jìn)行設(shè)計(jì)，兼顧質(zhì)量輕、便攜化、小型化、柔性化等外觀特性，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療等領(lǐng)域的通信或監(jiān)測系統(tǒng)。

4 總結(jié)與展望

未來的可穿戴設(shè)備與服裝融合發(fā)展是必然趨勢。如今，智能服裝通過與手機(jī)APP、藍(lán)牙設(shè)備及其他無線通信設(shè)備結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了可穿戴設(shè)備的智能化，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療監(jiān)護(hù)和運(yùn)動(dòng)健身等領(lǐng)域。但可穿戴設(shè)備存在電池續(xù)航能力差、產(chǎn)品同質(zhì)化、缺乏獨(dú)立性、設(shè)計(jì)感不足、價(jià)格昂貴等突出問題。除此之外，技術(shù)、應(yīng)用和交互三大挑戰(zhàn)限制了可穿戴電子智能服裝的發(fā)展。在技術(shù)方面，傳感器的精準(zhǔn)度和靈敏度有待進(jìn)一步改善；在應(yīng)用方面，數(shù)據(jù)的采集和分析能力不足以為用戶提供真正需要的信息，限制了應(yīng)用的范圍和領(lǐng)域；在交互方面，電子元件不只是單一的感測、收集數(shù)據(jù)，更應(yīng)該增強(qiáng)人機(jī)交互和相應(yīng)的反饋機(jī)制，增強(qiáng)電子智能服裝實(shí)用性，因此，應(yīng)該加強(qiáng)新型材料的研發(fā)與應(yīng)用，優(yōu)化制作工藝和方法，提高數(shù)據(jù)收集與處理能力。

可穿戴設(shè)備與服裝的結(jié)合是柔性電子技術(shù)、信息技術(shù)、紡織服裝技術(shù)等高技術(shù)推動(dòng)下的產(chǎn)物。柔性電子元件以通信技術(shù)為支撐，以新型功能性紡織材料為基礎(chǔ)，不僅涉及芯片、關(guān)鍵部件的研制，而且包含操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理等軟件的開發(fā)，克服了傳統(tǒng)電子設(shè)備無法彎曲、拉伸、變形的剛性特征，賦予了紡織品感知、傳導(dǎo)、儲存的電子性能，帶動(dòng)了傳統(tǒng)紡織行業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，相信未來可穿戴智能服裝不僅在航空航天、軍事等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，而且成為普通人生活、工作、學(xué)習(xí)等不可或缺的一部分，應(yīng)用前景將十分廣泛。

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