發(fā)光類智能紡織品的設計研究

邵琪琪

（天津美術學院，天津300141）

1 智能紡織品的發(fā)展狀況

1.1 什么是智能紡織品

智能紡織品是一種新興的紡織品，在隨著時代的發(fā)展進程中將科技與現(xiàn)代化的紡織品結合，讓紡織品在既有的基礎上增加多層次的功能作用和視覺表現(xiàn)力。當前的智能紡織品可以從兩方面來定位，從廣義上講，智能紡織品是一類紡織、電子、化學、生物、醫(yī)學等多學科交叉研究的智能化紡織品，基于仿生學概念，能夠模仿生命系統(tǒng)，同時具有可感知和反應的雙重功能；從狹義上講，智能紡織品是指電子信息智能紡織品，是將微電子、信息、計算機、物聯(lián)網(wǎng)等技術融合到紡織品中，通過傳感器能夠發(fā)出不同頻率信號，使其在紡織品上有所反映，并進行信息采集和記錄。在軍事領域、生物醫(yī)療、通訊領域方面進行應用研究。

1.2 智能紡織品的發(fā)展

大體分為三個發(fā)展階段：第一個階段是被動智能紡織品，按照預先的設定采集信號并做出反饋；第二個階段是指主動智能紡織品，除能夠感知外界環(huán)境的變化和刺激外還具有反饋能力；第三個階段是適應性智能紡織品，是集多學科交叉研究為一體的智能紡織品，除了感知、反應并自我調節(jié)外，還可以適應外界環(huán)境。在材料領域，電致發(fā)光、光致發(fā)光、熱致發(fā)光、聲致發(fā)光和化學發(fā)光材料種類豐富，未來有望實現(xiàn)各種形式的柔性發(fā)光織物。

2 發(fā)光智能紡織品的種類

2.1 電致發(fā)光智能紡織品

智能紡織品近年發(fā)展迅速，逐漸滿足各個領域的不同需求，與普通紡織品不同，可穿戴智能紡織品集紡織、計算機、生物學等多學科技術集于一體。目前基于織物制備的可穿戴發(fā)光器件主要有無機發(fā)光二極管（LED）、有機發(fā)光二極管（OLED）、聚合物發(fā)光電化學電池（PLEC）和交流電致發(fā)光（ACEL）器件。將此類發(fā)光器件通過編織、針織、機織等多種方式融入我們的紡織品設計中，可形成兼具紡織品柔性和發(fā)光智能紡織品[1]。

2.1.1 無機發(fā)光二極管LED 與智能紡織品

基于LED 的智能紡織品在面前階段應用最為廣泛，也是目前可在服裝設計中展現(xiàn)較為常見的一種電致發(fā)光形式，LED 具有低功耗、高亮度、發(fā)光穩(wěn)定、低成本和耐用等特點[2]，可發(fā)光LED 紗線智能紡織品面料以及；另外一種將多個LED 集成顯示屏幕與織物基底集合，形成具有未來感的服飾設計，此外將一段連接有LED 的光纖植入紡織品中，通過光纖的側發(fā)光原理實現(xiàn)光點的效果，將聚合物光纖POF 植入面料中可實現(xiàn)可穿戴效果的紡織品服裝設計，這種面料柔軟不會對人體產(chǎn)生影響，也可以大面積大批量生產(chǎn)。

2.1.2 有機發(fā)光二極管OLED 與智能紡織品

可穿戴發(fā)光器件作為柔性電子領域的一種新興技術備受關注。柔性電子是一種經(jīng)過折疊、壓縮、彎曲變形后依然保持著高效光電性能，因其具有柔性、高效能、低成本的特點，使得柔性電子技術與智能紡織品相結合成為可能，作為前沿領域的方向將有機發(fā)光二極管OLED 與紡織品相結合[3]，OLED 顯示屏的顯色度高，色彩鮮艷，作為前沿的科技領域與藝術相結合，美國的蘋果公司、韓國的三星公司都加大了對柔性電子領域的研究投入，近年同電子產(chǎn)品相結合，韓國KAIST 的研究人員，研發(fā)出了一種可驅動的OLED 電子纖維，這種OLED 纖維使用了浸涂法，通過在一個3D 纖維上，進行Deep 涂層制程，使其具有兼容纖維的OLED 結構。在性能上完全不輸平面OLED 器件。研究人員還通過手工編織的方式，證實了這種OLED 可以被編織成紡織品或針織類型的服裝。

2.1.3 交流電發(fā)光ACEL 基于發(fā)光材料ZnS 與紡織品

無機交流電因發(fā)光材料ZnS 儲存簡單、成本低廉等優(yōu)勢在柔性電子發(fā)光器件中極具優(yōu)勢，摻雜具有不同特征發(fā)光峰的金屬元素可使器件發(fā)出不同顏色的光，如ZnS,Cu（綠色）、ZnS,Mn（橙色）、ZnS,Al（白色）[4]。在與智能紡織品、可穿戴發(fā)光器具領域具有一定的應用，當ZnS 通過加在兩端電極的交流電壓，從而形成的電場激發(fā)熒光物質發(fā)光，因其發(fā)光不產(chǎn)生熱量，所以通常被稱為冷光源。由于其發(fā)光率高、高效節(jié)能、柔軟可彎曲可裁切等特點現(xiàn)廣泛用于廣告類背板，照明和警示服裝等，由于其可彎折，彎折后不會對發(fā)光產(chǎn)生影響，對人體無傷害[5]。對于智能紡織品和可穿戴產(chǎn)品的需求會越發(fā)多元化、精細化，可發(fā)光智能紡織品與發(fā)光材料的結合在可穿戴設備中顯示出良好的前景。

2.2 光致發(fā)光智能紡織品

光致發(fā)光紡織品因添加紡織的材料不同可分為熒光型和余輝光型[6]，由于在材料吸收了光能后能夠展現(xiàn)出發(fā)光效果，熒光材料在經(jīng)過光的照射下會立刻發(fā)射光子，分為紅外熒光和紫外熒光材料，紅外熒光是指在紅外線的照射下可以發(fā)光的材料，由于紅外發(fā)光是人眼無法看到的紅外輻射光，因此紅外熒光材料多用于防偽。紫外熒光材料是指在紫外線的作用下可以發(fā)出的光，但紅外光或紫外光消失后便會恢復到原來的顏色。可制成熒光面料起到視覺警示作用，常用于警示服飾[7]。而長余輝型以稀土鋁酸鹽為發(fā)光材料，在受到紫外線和太陽光的照射后，可以持續(xù)發(fā)光的材料。目前發(fā)光纖維有熔融紡絲法、高速氣流沖擊法、表面粘層法等方法。稀土發(fā)光材料因其無毒無害、發(fā)光性高，將發(fā)光材料與纖維面料相結合可以使其在紡織品領域應用較多。稀土發(fā)光材料是一種環(huán)境友好、綠色環(huán)?？裳h(huán)使用的材料，我國研發(fā)的發(fā)光纖維在吸收10 分鐘的可見光后，可以持續(xù)在黑暗中發(fā)光超過10 小時，常用家用紡織品、服裝面料設計等。發(fā)光纖維容易引起團聚、穩(wěn)定性不高、發(fā)光亮度不大、余輝衰減快等問題，必須通過深入研究材料的表界面、提高不同材料之間的相容性進行解決[8]。

2.3 光導纖維紡織品

光纖本身不發(fā)光，但具有良好的導光性能，通過LED 具有導光性的纖維PMMA 聚合物光纖，光導纖維簡稱光纖[10]，是一種透明光學材料制成的可傳導光功率的纖維，光纖維可以根據(jù)材料的不同區(qū)分為石英光纖、玻璃光纖、聚合物光纖等。目前市場上常用于紡織品的是PMMA 聚合物光纖，該物具有柔軟、輕便、直徑可選擇、導光不導電、可傳導光源等特點。

聚合物光纖按照發(fā)光方式可分為端面發(fā)光光纖和側面發(fā)光光纖，端面發(fā)光光纖通過光的全反射從光的一個端點傳導至另一個端點；該物具有柔軟、輕便、直徑可選擇、導光不導電、可傳導光源等特點與紡織品相連接。現(xiàn)在光纖面料因其具有可發(fā)光的效果已在市場上較為常見。

2.4 智能紡織品與傳統(tǒng)紡織品有何優(yōu)勢

2.4.1 多功能

智能紡織品在傳統(tǒng)的紡織品基礎上增加其他的額外功能，除了基礎的功能外，增加了對于安全性、心理、人性化、個性化的需求，以更加新穎的現(xiàn)代化表現(xiàn)，色彩的變化等，體現(xiàn)出現(xiàn)代新型智能紡織品與時代相接軌，不只是單一無差別的紡織品。

2.4.2 可發(fā)光

與LED 燈相連接的智能紡織品中，將光纖編入纖維布料中形成可發(fā)光的效果，并根據(jù)光源的色彩變化可以控制纖維布料光的顏色變化，并通過傳感器，與紡織品相連接，使纖維布料可形成可交互的裝置藝術作品。

2.4.3 可監(jiān)測心率

通過傳感器，將可穿戴的智能紡織品與可監(jiān)測心率的傳感器經(jīng)過編程相連接，表現(xiàn)出光效的變化，并上傳入可記錄的手機程序中，使得心率在任何時候的視覺可視化表現(xiàn)。

3 發(fā)光智能紡織品的應用

3.1 光纖與紡織品的應用

3.1.1 光纖紡織品面料

由于光纖維具有柔韌呈現(xiàn)纖維形式的特點，所以適合將其與紡織品相結合。作為瑞士智能紡織品面料、紡織藝術家，馬琳·波貝克（Malin Bobeck），她用顛覆傳統(tǒng)的方式將光纖維融入自己的紡織品及裝置藝術作品中，采用提花織機，并在互動裝置過程中與觀者相互動，數(shù)字時代不僅聚焦于虛擬與現(xiàn)實，屏幕儀器交互出來的醒目活躍色彩，色彩雖是一方面，但面料技術和創(chuàng)新也同樣是焦點，并成為一種需求推進數(shù)字時代時裝的發(fā)展。讓觀者體驗沉浸式的感受紡織品的魅力，使其并不只是一塊冰冷的面料而是充滿溫度的充滿人性化的智能紡織裝置藝術品。

3.1.2 光纖與纖維藝術

ATARA 設計成立于2015 年，由Heike Stuckstedde 創(chuàng)立。作為一名藝術家、設計師、室內設計師和藝術歷史學家，她在自己的項目中結合了藝術、建筑和設計[13]。在這里，重點是光藝術的主題。用微妙的手法創(chuàng)造光的詩歌是每個物體和裝置的挑戰(zhàn)。其中LIGHTTRACE 系列的白色玻璃纖維織物中的透明光學纖維巧妙地將光發(fā)射進房間。精細的光學纖維被手工編織在織物中，從兩個不同的方向創(chuàng)造了相互作用，交叉的光線，光線發(fā)射的不均勻性創(chuàng)造了一種幾乎閃爍的效果，隨著觀看者立場的每一步而變化。這使得物體看起來非常具有動感。

3.2 電致發(fā)光智能紡織品的應用

美國的AFFOA 公司將面料是服務而不是商品的概念融入他們的理念中，他們想避免了服裝對于消費者來說只是購買然后扔掉。前沿的纖維的制作研究到紡織品和產(chǎn)品的規(guī)模性開發(fā)，該團隊專注于電子纖維織物。他們同麻省理工學校合作推出一款將發(fā)光二極管（LED）編織到柔軟可洗織物中，通過熱纖維拉伸工藝設計整合到針織物和最終的產(chǎn)品中。并不會影響材料的自然觸感將半導體器件整合到纖維中，這標志結合半導體制程智能面料的長期目標已經(jīng)實現(xiàn)。并且在軍事的軍裝方面和醫(yī)療領域的醫(yī)療監(jiān)測進行了應用，在軍事領域他們計劃開發(fā)一系列軍事佩戴通訊設備，在戰(zhàn)斗的同時佩戴有無線電和天線的功能背心。

彭慧勝團隊將智將電致發(fā)光原理、紡織結構與電路設計巧妙融合，將導電纖維和發(fā)光纖維交織在一起形成的接觸點可以起到發(fā)光的效果，并通過編程方式去點亮每一個單元的發(fā)光點，以控制顯示出的信息和內容[14]。他們最終制造出了一塊600 cm×25 cm（長×寬）的大面積顯示織物，包含大約50 萬個EL 單元。不僅發(fā)光性能良好，而且經(jīng)過1 000 次彎曲、拉伸和按壓循環(huán)測試后，絕大多數(shù)EL 單元的強度保持穩(wěn)定狀態(tài)。此項研究為可穿戴柔性智能顯示織物的應用增加了可能性，同時在通訊領域、醫(yī)療領域、物聯(lián)網(wǎng)領域等進行應用。

4 結語

光帶給紡織品更深層次的研究方向，將其與時代發(fā)展相結合，融入科技的力量。同時也應該在科技與藝術的同時，融入我們自己的歷史文脈和美學原則，思考在我們獨特文化語境中使用的技法和材料會有何突破，對于創(chuàng)新性發(fā)光智能紡織品的研究，同時也要注意綠色設計對環(huán)境影響，可持續(xù)發(fā)展的理念，并提升對于資源的利用率等。

在設計中滿足對人們的個性化需求，創(chuàng)作出更加人性化并具有人情味、關懷性的藝術作品。紡織品歷史悠久，加入燈光效果，在滿足照明的基礎上能給人以溫暖的關懷。在未來，結合現(xiàn)代的藝術美學形式，必將會創(chuàng)作出更加打動人的更具有創(chuàng)造性的發(fā)光智能紡織作品。