智能服裝的應用及發(fā)展

李 莎，高 祿，趙 巖，李大川，錢曉明

(1.天津工業(yè)大學紡織科學與工程學院，天津300387；2.天津工業(yè)大學機械工程學院，天津300387；3.智能可穿戴電子紡織品研究所，天津300387；4.天津工業(yè)大學教育部復合材料重點實驗室，天津300387)

1 智能服裝概述

智能服裝的概念由來已久，起初主要應用在軍事和航空等特殊或尖端領域，隨著電子信息科學、生物技術和服裝行業(yè)的飛速發(fā)展，智能服裝也發(fā)展迅速，成為服裝產品開發(fā)的熱點[1-3]。 智能服裝是新型的紡織材料或智能紡織材料與微電子技術、軟件技術、通信技術相結合的產物，是模擬生命系統(tǒng)能夠感知身體內部功能或外界環(huán)境的變化，能反饋收集到的信息，能主動或被動的做出相應反應的服裝[4-5]。 自1989 年日本的高木俊宜教授將信息科學融于材料物性和功能，率先提出智能材料的概念，到現(xiàn)在短短的30 年里，很多國家在不斷開發(fā)智能材料的基礎上設計開發(fā)了具有很多不同功能種類的智能化的服裝。 運用的智能服裝材料包括變色材料、相變材料、形狀記憶材料等，將信息技術、傳感技術、微電子技術等逐漸引入到服裝中，創(chuàng)造了具有防護、加熱、降溫、反映生理特征、表達個性等具有各種功能的智能服裝，將來的應用領域會更加廣泛[6-7]。

2 智能服裝的功能與應用

2.1 制冷制熱空調服裝

空調服裝作為一種具有溫度調節(jié)的功能服裝，在維持極冷和極熱環(huán)境中的人體正常溫度方面有極其重要的作用。 制冷空調服主要用在高溫高濕環(huán)境中來降低或維持作業(yè)人員的體溫，而且是以降低人體核心溫度為主要目的，所以四肢部位一般不需要空調服覆蓋。 目前實現(xiàn)制冷空調服的常見原理有空氣冷卻、凝膠/冰袋冷卻、相變冷卻、液體冷卻等，其中的液體冷卻空調服最早由宇航員使用，如今在工業(yè)、礦井、消防、醫(yī)療等領域被廣泛應用。制熱空調服的發(fā)展晚于制冷空調服，主要服務于極冷環(huán)境中的低溫作業(yè)者，主動預防低體溫癥和凍傷。 由于人體在低溫環(huán)境中的新陳代謝降低，皮膚和肢端特別容易發(fā)生局部凍傷，使得制熱空調服還需要考慮肢端的保護。 目前常用的制熱空調服的實現(xiàn)原理有電制熱、相變材料制熱、化學制熱等[8]。

軍事和航空領域的專業(yè)智能服裝是可穿戴智能產品的代表，其在軍事領域的應用要遠早于民用，其智能硬件的技術含量也遠高于日常使用的智能服裝。 軍裝不僅是軍隊人員必須穿著的一整套服裝，可以提高部隊的紀律性、秩序性，還可以據此區(qū)分兵種、服役狀況、軍銜等等。 另外軍裝還要反應其與普通服裝不同的軍事功能，譬如其面料有保護色功能可以實現(xiàn)軍人在地形中的偽裝，在軍裝中增加各種夾具來攜帶裝備和武器，使軍人在不同氣候條件下的行動相對舒適，另外還有防護功能的軍裝。

軍事和航空領域的智能服裝首先要協(xié)助調節(jié)軍人體溫適應各類戰(zhàn)場環(huán)境的需要，還可能需要應用在各類軍用車輛的高溫環(huán)境或寒冷、深海潛水等活動中。 在相對封閉的空間里，了解不同情況下身體的生理參數(shù)發(fā)生了什么變化非常重要，尤其對軍事飛行員。 英國的Intelligent Textiles Ltd(ITL)公司通過編織技術將電子設備一針一線的織進可穿著的編織物產品或者把智能織物材料編織到衣袖和潛水服，可以為穿著者提供保溫功能。 同時該公司正在研發(fā)智能防彈衣，將可感應的、可伸縮的、可暗藏的以及模塊式等技術結合起來，使防彈衣在具備防彈功能的基礎上，該穿衣者也成為可移動的電路網，可以方便的為智能穿戴設備提供電力，在衣服上面獲取需要的數(shù)據。 在特殊的戰(zhàn)爭時期，這些插頭容易連接的特性非常關鍵。 Advanced Fabric Technologes 公司在2017 年宣布成功進行了精仿新技術的試驗，之前這些技術主要用于生產防彈背心，保護軍人避免受到子彈、彈片的傷害。 現(xiàn)在還向面料結構中嵌入可以釋放止血、止痛藥的系統(tǒng)，扎繃帶之前，這種服裝就可以給傷口殺菌、止血、消腫、治療擦傷等[9]。

曾經由美國國家航空航天局研制的技術，服裝面料可以根據外部空氣的溫度來調節(jié)身體溫度，現(xiàn)在美國的Outlast Technologies 公司也發(fā)布了這項技術的最新進展，纖維與微型膠囊交織在一起，微型膠囊里裝有石蠟，可以實現(xiàn)對身體溫度的調節(jié)，從航空應用已經發(fā)展到民用了，滑雪者已經成功使用[10]。

2.2 醫(yī)療監(jiān)控和運動安全服裝

國外研究中美國開發(fā)的生命衫(life shirt)是最早能夠無創(chuàng)、連續(xù)并實時來獲取人體生理參數(shù)的服裝，包括心肺參數(shù)、心電圖、心率等，也可以對體溫、血壓、血氧飽和度等進行外接監(jiān)測。 加拿大開發(fā)的智能襯衫，傳感器通過皮帶固定在胸下和腹部皮膚處，可以監(jiān)測心率、呼吸、步數(shù)、睡眠姿勢等，并通過放置在側袋的藍牙將數(shù)據上傳到應用程序，對于教練可以實時了解運動員的訓練情況和運動量，衣服就相當于一個隨身教練。 還有一種智慧衫(smart shirt)，通過在面料中加入可以作為數(shù)據線的金屬纖維以及柔性光纖螺旋狀織物，來傳輸和連接監(jiān)測的呼吸頻率、體溫、心率等生理參數(shù)。 因此，攜帶各種傳感器、各種信號發(fā)射裝置，以及能方便檢測到心跳、心率、血壓、體溫及新陳代謝等相關數(shù)據，或者利用衛(wèi)星定位實現(xiàn)遠程看護的“醫(yī)護襯衣”和運動健身T 恤發(fā)展很快，穿著者心臟病發(fā)作或虛脫時能及時報警，兒童或老年癡呆病人如果不慎走失可以輕易找到，嬰兒出現(xiàn)呼吸停頓等情況時也會發(fā)出警報[11-14]。

醫(yī)療監(jiān)視和運動安全方面的智能服裝發(fā)展非?？欤瑖鴥扔欣脺貪穸葌鞲衅骱凸饫w設備進行服裝微氣候監(jiān)測，還有設計和實現(xiàn)了基于人體傳感網的穿戴式遠程健康監(jiān)護系統(tǒng)。 通過內置7 個溫濕度傳感器的智能服裝實時監(jiān)控更年期女性的身體情況[15]，實現(xiàn)及時發(fā)現(xiàn)監(jiān)控目標的體溫和出汗量變化判斷是否進入更年期。 采用彈性和吸濕性強的針織面料，采用三針五線無縫縫制等工藝，滿足醫(yī)療健康類智能服裝的美觀和實用，設計傳遞一種積極健康的生活理念[16]。

在嬰幼兒服裝方面也出現(xiàn)了智能化趨勢，創(chuàng)建完整的智能檢測報警系統(tǒng)，實現(xiàn)藍牙終端接口與溫度測控器間的傳感和數(shù)據交換，智能監(jiān)控幼童服裝內微氣候溫度，實現(xiàn)對兒童溫度的監(jiān)控，提高服裝熱舒適性及健康防護功能。

運動服裝方面有從面料、智能元件、款式結構色彩搭配角度等利用LED 技術和感光材料設計騎行服，并驗證了姿勢控制LED 燈組元件的靈敏度和LED 燈組與熒光面料組合視覺警示的協(xié)調功能[17]。

安全服裝方面有通過對需求分析、功能元件、信息交互、測評更新4 個智能服裝設計模塊的分析，提出兼顧美感與功能性的女性智能定位報警服裝[18]。 還有采用三維人體測量技術為智能監(jiān)測服裝量身定制提供個性化數(shù)據，以塑形內衣文胸為載體，利用紡織柔性傳感器，設計具有監(jiān)測心電、呼吸、體溫的多生理信號智能內衣，然后通過智能手機、電腦等通訊設備及無線網絡、藍牙等通訊技術實現(xiàn)人體生理信號的傳輸和遠程監(jiān)控[19-22]。

2.3 消防服裝

在消防員的滅火救援活動中，消防員暴露在火與煙的強輻射高溫危險環(huán)境中，需要采取合理有效的措施減少消防員的熱應激反應，防止皮膚燒傷等身體傷害，并提高消防員的工作效率，增加成功救援的機會。 所以紡織品本身的阻燃性能一直被高度重視，其服裝的智能性首先必須體現(xiàn)在阻燃安全的基礎上[23]。 其次在阻燃的基礎上考慮消防服裝內部微環(huán)境的降溫來減少人體的出汗量，緩解體內水分的流失，緩解消防員產生的熱應激反應和熱疾病。 Bartkowiak 等利用人體平均皮膚溫度、生理參數(shù)、衣下微環(huán)境溫濕度的變化測評了個人液冷式服裝，其可以有效降低衣下微環(huán)境溫度來調節(jié)人體的熱平衡[24]。 天津工業(yè)大學錢曉明教授為解決消防服厚重多層結構帶來的熱應力問題，設計了一款采用液冷循環(huán)管路的可降溫式消防服，能有效緩解消防員的熱應激反應，延長消防員工作時間，提高救援效率[25]。

在傳統(tǒng)的功能性消防服中嵌入檢測相關信息的各類傳感器，尤其實時檢測火場環(huán)境信息，掌握消防人員在火場中的位置非常重要[26]。 林建琴等在《基于智能服裝的消防員位置信息融合研究》中將GPS 接收器的定位與氣壓高度測量儀組合測量來得出消防人員的位置信息，并同時傳輸?shù)较儡囍笓]系統(tǒng)，使消防指揮員在掌握現(xiàn)場情況下，可以更準確的實現(xiàn)調度[27-28]。

2.4 發(fā)光變色或表達情緒與溝通功能的服裝

染料是使纖維和其他材料著色的物質，隨著對染料功能的廣泛研究，采用光敏、熱敏等變色原理，利用變色纖維和變色染料技術研發(fā)變色材料，使服裝服飾的顏色或圖案隨著光照的變化、溫度的變化、干濕的變化等不同的條件下產生特殊的色彩變化，以滿足個性化美觀的需求[29]。

最早的發(fā)光變色服裝是用在軍事上的“變色龍”軍服。 這種軍服面料平時穿著還是舒適透氣的，當檢測到有生化武器出現(xiàn)時會立即密閉起來隔離外界。 該軍服既有防彈功能，也能檢測到士兵心跳，并能隨時調整軍服內部需要的溫度，還會通過改變顏色來適應周圍環(huán)境等等。

英國設計師提出過“情緒香薰衣服”。 該衣服可以將人體的感官、體味腺以及血液循環(huán)系統(tǒng)等的功能模擬出來，并且可以將各種香水存儲在布料里，依據穿衣者情緒和環(huán)境的變化，流控系統(tǒng)噴出適量霧化香水，散發(fā)出不同的香味。 表達情緒的可以是服裝也可以是其他穿戴設備比如手套，對脈搏、手掌溫度以及皮膚導電性等參數(shù)的檢測來判斷人的情緒，對心情有焦慮或情緒有壓抑等異樣情況，該手套會發(fā)光報警，提醒人需要放松心情緩解情緒。

智能服裝的情緒表達，通過信息采集系統(tǒng)對心電、呼吸、體溫等生理信號進行特征提取和特征分類，引入呼吸性竇性心律不齊的生理現(xiàn)象來建立基于多生理信息融合的情緒判斷模型，對情緒的識別率可以達到72%[30]。

“智能服裝”在娛樂上還有“音樂外套”，在這種服裝上可以收聽到喜歡的電臺，可以把喜歡的歌曲和音樂存儲在芯片中，在需要的時候播放出來。其能量來源是太陽能、風能或人們穿上服裝時活動發(fā)電等可持續(xù)能源。 有的科學家正在研制將移動電話和MP3 內置到夾克里，不斷將現(xiàn)實世界和虛擬世界結合，逐漸實現(xiàn)著裝者無論何時何地都可以自由溝通信息。

2.5 殘疾人服裝

正常人穿衣服不會有障礙，對所穿服裝關心的一般也只是風格和保暖。 而殘疾人可能會面臨各種問題，使得殘疾人服裝也是智能服裝研發(fā)的一個方向，希望科技能幫助身體或精神殘疾者解決其面臨的著裝問題。 這一類智能服裝一般稱為特殊服裝。

那些因腦癱影響手動的患者用尼龍搭扣代替袖扣，患有孤獨癥的孩子父母會把孩子T 恤上的刻痕剪掉，有的衣服要求沒有標簽和接縫，有的希望可以方便更換尿布或避免孩子接觸尿布、側面開口，有適合坐輪椅的袖子拉鏈的夾克。 美國湯米公司推出適合假肢的特殊牛仔褲、襯衫、領口特別大的服裝。 Zappos 公司推出帶有磁性紐扣的襯衫。拉德萬創(chuàng)辦的特殊童裝公司就是希望“看到每個殘疾孩子的需求”，有的衣服上段帶有襟翼，對于在胃內植入食管才能進食的孩子就可以直接連接喂食管， 還有帶環(huán)的襪子，可以幫助發(fā)育障礙的孩子糾正動作。 這些特殊服裝包括為截肢者、坐輪椅者、患有唐氏綜合征或腦血管病的人員等設計的。英國設計師露西·瓊斯(Lucy Jones)近年來為輪椅使用者創(chuàng)作的“坐姿設計”系列，為輪椅使用者設計的連褲襪等考慮接縫處，坐入輪椅時，腿部能避免摩擦，以及能矯正坐姿時骨盆的角度等等，贏得無數(shù)贊譽。 美國帕森斯設計學院(Parson School of Design)為開創(chuàng)殘疾人特殊用途服裝設計專門設立了開放性風格實驗室。 實驗室向全世界的設計師、工程師、職業(yè)治療師和各種殘疾人開放，專門設計適合殘疾人的衣服，同時也兼顧風格多樣性。 每年夏天，研究小組都會為殘疾人定制服裝，這些人從神經敏感到癱瘓等各類殘疾，應有盡有。 他們希望恢復殘疾人著裝的獨立性和尊嚴[31]。

現(xiàn)在許多服裝企業(yè)開始研發(fā)這一類特殊需要的服裝，為特殊服裝需求者量身定做，令殘障人士更容易自己穿衣服，在這里的智能服裝就是“適應性服裝”。 英國時尚科技公司推出了一款名為“the Soundshirt”的服裝(如圖1)，可以讓聾啞用戶在其皮膚上感受到音樂，聲音襯衫使用內置在材料中的一系列觸覺傳感器來體會音樂。 使用專門開發(fā)的靈巧而富有彈性的紡織品制作了聲效襯衫，并不需要電線，服裝中的所有導電路徑均由編織的導電紡織品組成，這些紡織品被無縫地集成到服裝中[32]，如圖2。

圖1 the Soundshirt 的外觀

圖2 the Soundshirt 的工作原理

2.6 具有記憶功能服裝

具有記憶功能的服裝主要由記憶面料來實現(xiàn)。記憶面料是指具有形態(tài)記憶功能的面料，是指具有某一原始形狀的制品，經過形變并固定后，在熱、機械、光、電磁等特定的外界條件的刺激下能回復到初始形狀和特性。 不同款式和尺寸的服裝會對人體產生不同的壓力，直接影響人們對服裝舒適性的感覺。 相比普通服裝，緊身類的運動緊身衣、塑形內衣、速干透氣壓縮衣等的壓力舒適性也很有研究價值。 韓韜提出的深度長短時記憶模型是基于不同人體穿衣時采樣壓力數(shù)據來訓練模型，可以從數(shù)據中很好的學習到人體不同部位壓力數(shù)據之間的聯(lián)系，并可以標準人體不同部位壓力的信息特征，為智能服裝提供基礎數(shù)據[33]。

隨著科技的不斷發(fā)展，智能服裝又有了新型功能，具有形狀記憶和智能型自動選擇透通、智能型自動選擇膨脹離體或緊縮貼身等功能。 有的帶記憶功能的運動衣，通過檢測運動中人體的脈搏數(shù)據和靜止時的血壓，脈搏數(shù)據按時間分布形成曲線，隨時提醒鍛煉者增加或減少活動量，為選擇最適合本人的鍛煉項目提供科學依據[34]。 南開大學的劉遵峰教授、史林啟教授團隊和國內外多個科研團隊一起成功制備出了一種雙層褶皺結構的電阻型應變傳感器。 首先預拉伸高分子彈性體纖維，然后將彈性體薄層和碳納米管薄層自組裝在高分子彈性體表面，最后釋放預拉伸。 制備的變電阻型應變傳感器其“雙層褶皺”結構是“褶皺彈體層”+“褶皺碳納米管”。 該傳感器性能優(yōu)異，可以監(jiān)測人體呼吸和運動以及肢體彎曲等[35-36]，如圖3。 該研究團隊還研制了通過感知濕度來實現(xiàn)自動伸縮的純蠶絲“人工肌肉”。 該蠶絲可以在水霧或不同濕度下實現(xiàn)拉伸、扭轉和收縮致動等“人工肌肉”功能。同時開發(fā)了一種扭矩平衡的纖維結構，不需要外界的固定來實現(xiàn)可逆驅動，蠶絲纖維可以通過對折或合股扭曲的纖維來實現(xiàn)自平衡。 研究者用該種蠶絲伸縮肌肉制作了如圖4 所示的玩偶智能上衣，可以有效實現(xiàn)熱量和水分的管理。 這種通過改變宏觀形狀的紡織品對水分敏感，可以在環(huán)境濕度增加時，智能上衣的衣袖長度會收縮，達到原長度的一半；濕度下降時，會再恢復到原長度[37-38]。

圖3 雙層褶皺電阻型應變傳感器

圖4 人出汗時長袖變短袖，汗干后恢復為長袖

3 智能服裝的發(fā)展趨勢

服裝是現(xiàn)代科技進步的載體，其代表就是智能服裝。 智能服裝的研發(fā)使得具有高附加值的高科技智能服裝將逐漸商業(yè)化，不管是功能性的智能服裝還是個性化的智能服裝將來逐漸會成為服裝工業(yè)的主流和未來。

今天的防寒服雖然可以抵御零下50 攝氏度的嚴寒，但其加溫系統(tǒng)需要消耗大量的電，電池續(xù)航能力差，依靠幾節(jié)電池可能連續(xù)工作的時間不能太長，一旦電池耗盡沒有電，就會感到非常冷，而且下雨時保溫服還可能失效，也許會有觸電的可能性出現(xiàn)。 全世界的科學家正在研究對溫度變化敏感的服裝，未來的服裝面料可能由幾層面料制成，其中專門有一層面料是微型傳感器，可以對身體和周圍空氣的溫度變化做出反應，并可以據此確定允許還是禁止外部空氣進入身體。 身體不同部位的傳感器還可能對冷、熱做出不同的反應，實現(xiàn)有的部位允許外部空氣進入，而另一些部位可能禁止外部空氣進入身體，實現(xiàn)對身體不同部位的透氣控制。

目前空調服的要么制冷要么制熱，功能單一，無法滿足復雜氣候環(huán)境中的需要，同時具備制冷和制熱雙向功能的空調服將是發(fā)展趨勢之一。

未來在軍事醫(yī)學領域，需要監(jiān)控特殊崗位的軍人或醫(yī)院的病人的生理參數(shù)，以前縫到或固定在服裝上的各種傳感器，將來會直接嵌入面料纖維中，可以將身體的狀態(tài)信息譬如脈搏、體溫、排汗量等便捷的發(fā)送到手表、手機或個人電腦或互聯(lián)網。 這種新型傳感器不僅可以嵌入任何面料的纖維，甚至清洗也不會影響其功能特性。

在紡織材料、紡織工藝、服裝設計等學科融合的基礎上，增強新型材料的研發(fā)和應用，不斷優(yōu)化制作工藝和方法，將數(shù)字化、網絡化、可穿戴生命體征檢測技術和綠色環(huán)保理念等全方位應用起來，加強人機交互和相應的反饋機制，未來智能服裝將迎來變革。

4 結語

智能服裝目前成為紡織、服裝、材料、信息等相關行業(yè)關注的焦點。 除了以前在軍事、航空航天、醫(yī)療方面作為功能服裝外，越來越多的使用在生活方面。 譬如各種可以檢測生理參數(shù)特征、能實現(xiàn)健康管理或者能輔助生活的功能性服裝；可以增強運動或者運動軌跡追蹤或者實現(xiàn)娛樂等的功能性服裝。 同時在具備不同功能的基礎上逐漸添加一些時尚的設計元素，慢慢也在獲得普通消費者的青睞。 智能服裝不會影響正常的人際交流，還可以讓人更多的與外界溝通，將簡化穿著者與數(shù)字世界的聯(lián)系，智能服裝將迎來廣泛的應用。