吳艷平,董衛(wèi)國(guó)

(天津工業(yè)大學(xué)，天津 300387)

電子智能紡織品的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)

吳艷平,董衛(wèi)國(guó)

(天津工業(yè)大學(xué)，天津300387)

文章介紹了電子智能紡織品的概念及其具體組成元件，并對(duì)其在醫(yī)療、娛樂(lè)、體育、軍事等方面的應(yīng)用做了簡(jiǎn)單介紹,對(duì)其存在的問(wèn)題進(jìn)行了描述，最后評(píng)述了其未來(lái)的發(fā)展方向。

電子智能紡織品；傳感器；應(yīng)用

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著世界范圍內(nèi)工業(yè)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)紡織已經(jīng)不能滿足人們的需求，于是智能紡織品得到飛速發(fā)展。所謂智能紡織品，它是一類(lèi)既有一般紡織品的特征同時(shí)通過(guò)特殊處理使其對(duì)外界變化能夠感知并且做出反應(yīng)的紡織品，因此它比一般的紡織品具有更多的功能[1]。根據(jù)目前已有的研究和報(bào)道，典型的智能紡織品主要可以分為下幾大類(lèi)：電子信息智能紡織品、相變材料和智能調(diào)溫紡織品、變色紡織品、抗菌紡織品、形狀記憶高分子及紡織品等。本文就電子信息智能紡織品做一簡(jiǎn)單介紹。

1 電子智能紡織品的概念及設(shè)計(jì)過(guò)程

1.1電子智能紡織品的概念

電子智能紡織品是智能紡織品中比較特殊的一類(lèi)紡織品，它不只是電子組件及電子電路與紡織品結(jié)合，而是基于電子技術(shù)，將傳感、通訊、人工智能等高科技手段應(yīng)用于紡織技術(shù)上而開(kāi)發(fā)出的新型紡織品，它是把電子組件及電子電路以紡織品形態(tài)呈現(xiàn)，導(dǎo)電性紗線可用來(lái)傳輸電流及訊號(hào)，而導(dǎo)電性織物可作為電容器、傳感器、加熱器等。它可以收集機(jī)密信息、監(jiān)控重要的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并把這些信息通過(guò)無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸手段作進(jìn)一步處理[2]。

1.2電子智能紡織品的設(shè)計(jì)過(guò)程

電子智能紡織品具體組成及具體設(shè)計(jì)過(guò)程可以從圖1進(jìn)行說(shuō)明[3]，我們把它分成5個(gè)部分，首先從最基礎(chǔ)的部分說(shuō)起。電子智能紡織品的設(shè)計(jì)涉及到了使用的材料、組織結(jié)構(gòu)和制作工藝的探究。這一部分對(duì)其功能實(shí)現(xiàn)的好壞起到很關(guān)鍵的作用。因?yàn)檫@幾部分是它實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，選擇不當(dāng)會(huì)最終導(dǎo)致其功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)。電子智能紡織品設(shè)計(jì)需考慮的第二個(gè)主要部分就是織物里各個(gè)結(jié)構(gòu)體系間的相互聯(lián)系。這涉及到數(shù)據(jù)傳輸通道的設(shè)計(jì)與整合和一般連接技術(shù)的應(yīng)用，比如紡織品里的織物電路回路的布局。整合傳感器、微芯片和其它設(shè)備對(duì)實(shí)現(xiàn)電子智能紡織品的智能化是非常重要的，這就是它的第三個(gè)主要部分：計(jì)算機(jī)硬件的整合，這一部分涉及到了數(shù)據(jù)的傳輸。信息處理的問(wèn)題如由于制作不完善引起的故障容差以及在電子紡織品內(nèi)部和電子紡織品與外部設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境對(duì)最佳利用電腦資源是相當(dāng)關(guān)鍵的，因此，軟件是它的第四個(gè)主要部分，這一部分的結(jié)果可用來(lái)指導(dǎo)穿著者或使用者下一步的動(dòng)作。最后一個(gè)部分說(shuō)明了評(píng)價(jià)電子智能紡織品的性能需要考慮到的因素，它具體包括最終成品的的外形尺寸、成本、工藝、數(shù)據(jù)流動(dòng)率、故障容差等。這個(gè)圖像同時(shí)說(shuō)明了電子智能紡織品的成功研制需要研究許多學(xué)科包括紡織、計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)、傳感器技術(shù)和最終應(yīng)用的領(lǐng)域(例如醫(yī)學(xué)、軍事等)。

2 電子智能紡織品的應(yīng)用

隨著人們對(duì)電子智能紡織品研究的深入，各種功能的產(chǎn)品已經(jīng)被研發(fā)出來(lái)并且應(yīng)用到生活中的各個(gè)領(lǐng)域，極大地提高了人們的生活質(zhì)量。

圖1 電子智能紡織品

2.1醫(yī)用保健電子智能紡織品

Taccini.N等人研究出了一種用于心肺疾病監(jiān)測(cè)的智能內(nèi)衣，這種內(nèi)衣包含三個(gè)壓阻織物傳感器，位置如圖2所示，通過(guò)無(wú)線藍(lán)牙技術(shù)把電信號(hào)傳給相應(yīng)監(jiān)測(cè)的家人或醫(yī)生，就可以得出病人的健康狀況；美國(guó)太空總署艾姆斯研究中心研發(fā)出利用銅與氧化銅導(dǎo)線緊密交織織物，并且在這種面料的每個(gè)交織結(jié)合點(diǎn)上放置了納米的鉑金薄膜，從而形成抗阻存儲(chǔ)電路。將紡織品與納米電子技術(shù)結(jié)合從而形成電子紡織品，可以監(jiān)測(cè)老年人或在惡劣環(huán)境中工作人員的生命信號(hào)，如呼吸、血壓、脈搏、體溫等數(shù)據(jù)，然后通過(guò)傳感器技術(shù)將這些數(shù)據(jù)傳送給醫(yī)務(wù)工作者[4]；Coyle等人利用聚吡咯開(kāi)發(fā)出了一種織物彎曲傳感器的手套(圖3)，通過(guò)利用手指彎曲到手指伸直這一過(guò)程顯示器圖像的變化，我們可以用來(lái)評(píng)估人們身體各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，并且可以利用這種技術(shù)評(píng)估中風(fēng)后身體肌肉的恢復(fù)情況，通過(guò)這種監(jiān)測(cè)關(guān)節(jié)的彎曲的方式有望用于自動(dòng)評(píng)定病人身體恢復(fù)情況。瑞士一家公司研制的防止老年人摔倒的防撞服裝及美國(guó)南加利福尼亞州VivoMet rics 健康信息與監(jiān)測(cè)公司研制的幾乎可以監(jiān)測(cè)30多種生理變化的救生襯衫以及預(yù)防嬰兒猝死綜合癥生命衣的開(kāi)發(fā)以及其它一些醫(yī)用保健電子智能紡織品的開(kāi)發(fā)，極大地提高了人們對(duì)疾病的監(jiān)測(cè)[5-6]。

2.2娛樂(lè)用電子智能紡織品

Sunwoo,J等人利用FSB技術(shù)成功研究出了一種智能連帽外套(圖4)，這種外套通過(guò)導(dǎo)電紗線把帽子和外套連接，內(nèi)部由導(dǎo)電紗線縫上兩個(gè)芯片，它們分別是光/溫度傳感器和MP3播放器軟件，當(dāng)穿著者穿上連帽外套時(shí)，MP3播放器就會(huì)播放音樂(lè)，當(dāng)脫下時(shí)，音樂(lè)就會(huì)停止，并且音樂(lè)音量會(huì)隨著周?chē)h(huán)境的亮度變化而變化。當(dāng)穿著者在比較暗的環(huán)境中時(shí)，音樂(lè)音量會(huì)自動(dòng)減小，當(dāng)穿著者從黑暗環(huán)境中走出來(lái)時(shí)，音樂(lè)音量又會(huì)恢復(fù)正常；香港理工大學(xué)利用聚吡咯涂層織物傳感器開(kāi)發(fā)出了一種跳舞衣，可以監(jiān)測(cè)人肘部和膝部的傳感器放在跳舞衣的肘部和膝部，當(dāng)跳舞者動(dòng)作變化時(shí)，傳出的變化信號(hào)就會(huì)使相應(yīng)連接電腦的音響傳出相應(yīng)的音樂(lè)。

圖2 智能內(nèi)衣

圖3 智能手套

圖4 連帽外套

圖5 呼吸傳感器襯衣

2.3體育用電子智能紡織品

隨著競(jìng)技比賽的增多以及人們對(duì)自身的重視，對(duì)體育用電子智能紡織品的研究也逐漸增多。Shirley Coyle等人研究出了一種測(cè)試人運(yùn)動(dòng)時(shí)呼吸速率的傳感器(圖5)，它是把導(dǎo)電的聚吡咯涂在改性的海綿上，或用碳處理后制成傳感器通過(guò)導(dǎo)電紗線與處理器連接，并通過(guò)無(wú)線傳輸系統(tǒng)傳到電腦上，進(jìn)行分析判斷。這種傳感器可以很好地反饋運(yùn)動(dòng)員的的訓(xùn)練耐力及訓(xùn)練效果，建議繼續(xù)用同種方式訓(xùn)練還是改變訓(xùn)練方式以及是否適合繼續(xù)訓(xùn)練。通過(guò)利用這種傳感器改善呼吸方式對(duì)身體健康特別是壓力過(guò)大者都是很有幫助的。澳大利亞一個(gè)大學(xué)的研究人員利用可導(dǎo)電的聚合物傳感器研究出了一種智能胸衣，這種智能胸衣可以監(jiān)測(cè)人胸部的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)胸部運(yùn)動(dòng)情況來(lái)自行調(diào)節(jié)背帶的松緊以及罩杯的軟硬情況，從而把胸衣調(diào)節(jié)到運(yùn)動(dòng)時(shí)的最舒適狀態(tài)，這對(duì)喜愛(ài)運(yùn)動(dòng)的女性尤其是女性運(yùn)動(dòng)員都是相當(dāng)有利的[7]。拉普蘭大學(xué)與一些機(jī)構(gòu)合作, 開(kāi)發(fā)了一種包括羅盤(pán)、加速度計(jì)和全球定位系統(tǒng)( GPS)等傳感器的滑雪運(yùn)動(dòng)服裝。 它可提供穿著者的運(yùn)動(dòng)情況、健康信息及位置。如果穿著者不幸出現(xiàn)意外狀況, 它們會(huì)即時(shí)向監(jiān)測(cè)穿著者情況的辦公室發(fā)送其所在位置坐標(biāo)和生理數(shù)據(jù)的信息，以便及時(shí)救援[8]。

2.4軍事用電子智能紡織品

電子智能紡織品應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域除了醫(yī)療領(lǐng)域就是軍事領(lǐng)域。美國(guó)佐治亞州理工學(xué)院將塑料光纖植入襯衣,制成了一種智能襯衫,它可以協(xié)助醫(yī)務(wù)工作者監(jiān)測(cè)士兵的各項(xiàng)生理指標(biāo)以便了解他們的身體情況,在戰(zhàn)爭(zhēng)中，如果穿著者被子彈擊中以致T恤出現(xiàn)破洞，T 恤中的光信號(hào)便不能傳至另一端,于是監(jiān)測(cè)士兵狀況的醫(yī)務(wù)人員就會(huì)監(jiān)測(cè)到已經(jīng)受傷的士兵，并會(huì)通過(guò)了解周?chē)闆r及時(shí)安排救援[6];弗吉尼亞理工大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)出了一種聲陣織物帶，它可被裝配在降落傘、帳篷或偽裝網(wǎng)上并通過(guò)內(nèi)置的麥克風(fēng)接收處理數(shù)據(jù)，并可將結(jié)果傳輸?shù)酵饨缁蛳鄳?yīng)系統(tǒng)，這種織物帶用于對(duì)軍用車(chē)輛及坦克移動(dòng)的偵查[9]。嵌有生化、超微感應(yīng)器的智能化作戰(zhàn)服具有很多特殊功能，士兵的多項(xiàng)身體機(jī)能如血壓、心率、體溫等都可以通過(guò)它監(jiān)測(cè)到，并可辨別止血位置然后自行止血，同時(shí)還能抵御火焰、化學(xué)試劑及其它戰(zhàn)場(chǎng)災(zāi)難的侵害[10]。

2.5其它方面的應(yīng)用

Jan Meyer等人在美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)的織物鍵盤(pán)的基礎(chǔ)上研究了一種監(jiān)測(cè)人們坐姿的傳感器，把這種傳感器分別安裝在椅子的座位處和后部背椅處，當(dāng)人們坐姿變化時(shí)，人對(duì)椅子各部位的壓力也隨之變化，于是這種傳感器根據(jù)壓力的變化監(jiān)測(cè)出人的坐姿，利用這種傳感器，我們可以糾正人們的坐姿，預(yù)防痔瘡，非常有利于人體健康，把這種傳感器應(yīng)用到汽車(chē)上，還可以監(jiān)測(cè)司機(jī)的坐姿，通過(guò)坐姿推測(cè)司機(jī)的開(kāi)車(chē)方式，這對(duì)車(chē)禍分析也是很有幫助的[11]。把一些特殊的光導(dǎo)纖維織入織物中制成探測(cè)有毒物質(zhì)的織物，當(dāng)感應(yīng)裝置探測(cè)到生物化學(xué)藥劑、有毒物質(zhì)時(shí)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)提醒工作者，這對(duì)會(huì)接觸到有毒物質(zhì)的人員或消防員的自身保護(hù)都很有作用[12]。同時(shí)當(dāng)把導(dǎo)電纖維織入消防服中，當(dāng)消防人員執(zhí)行消防任務(wù)時(shí)，如果面臨火焰危險(xiǎn)自己卻未能注意時(shí)，這種能夠傳輸信號(hào)的纖維就能通過(guò)傳感器系統(tǒng)提醒消防人員躲避危險(xiǎn)[13]。

3 存在的問(wèn)題

相比于最初的電子紡織品，目前研究的電子智能紡織品具有更多的優(yōu)勢(shì)。它摒除了以前笨重的特點(diǎn)，正在向輕薄、柔軟、可機(jī)洗方向發(fā)展，同時(shí)它沒(méi)有了電線的牽制，并且傳感器可以隱藏在紡織面料中進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)，但在它的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，仍然存在一些問(wèn)題，需要進(jìn)一步研究改進(jìn)[11-14]。

3.1靈敏性

作為能有效傳輸信號(hào)的紡織品，對(duì)于身體的變化都要能感知出來(lái)，由于有些變化很細(xì)微，需要有足夠高的精度才能感應(yīng)出來(lái)，這就需要電子智能紡織品有足夠的靈敏性，但目前的電子智能紡織品靈敏度都不是很高。

3.2信號(hào)的延遲

從目前的研究來(lái)看，許多傳感器都存在信號(hào)延遲的問(wèn)題，即傳感器從開(kāi)始變化到信號(hào)傳入電腦軟件顯示結(jié)果的過(guò)程中都需要一定的反應(yīng)時(shí)間，這段時(shí)間因所應(yīng)用的技術(shù)不同而不同，這也許與傳感器的靈敏程度及信號(hào)的接收有關(guān)，現(xiàn)在許多研究者正致力于減小這種信號(hào)延遲的研究，以便使信號(hào)延遲的時(shí)間減到最小，因?yàn)樾盘?hào)的延遲可能會(huì)危及到人的生命。

3.3安全性

目前研究的電子智能紡織品里都會(huì)存在電子元件，如果電子元件長(zhǎng)期穿在人身上，它勢(shì)必會(huì)對(duì)人體的健康產(chǎn)生不良影響，同時(shí)信號(hào)的傳遞已經(jīng)使用無(wú)線技術(shù)，傳遞過(guò)程中出現(xiàn)的電磁波也會(huì)對(duì)人體健康有一定影響，如何使這些影響減小到最小，也成為我們噬待解決的難題。

4 展望

隨著人們對(duì)納米技術(shù)、無(wú)線傳輸技術(shù)以及微電子技術(shù)研究的加大，使電子智能紡織品的開(kāi)發(fā)有了更廣闊的空間。同時(shí)利用這種多學(xué)科交叉開(kāi)發(fā)的高附加值的的紡織品也促進(jìn)了紡織業(yè)的發(fā)展。未來(lái)電子智能紡織將會(huì)逐漸脫離融合技術(shù)或是安置技術(shù), 而是會(huì)在兩種產(chǎn)品的原材料制造或服裝布料的織造過(guò)程中就已經(jīng)有機(jī)地結(jié)合在一起[15]。但目前的研究仍然處于探索階段，隨著科技的進(jìn)步和人們對(duì)電子智能紡織品研究的深入，這種智能化的電子智能紡織品一定會(huì)成為社會(huì)的主流，發(fā)展勢(shì)頭將勢(shì)不可擋。

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ApplicationandDevelopmentTendencyofSmartTextileswithElectronicInformation

WuYanping,DongWeiguo

(Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387,China)

The concept of smart textiles with electronic information and the components were introduced.as well as the application at healthcare, entertainment, sport,military and other aspects.The problems and future development were described at last.

smart textiles with electronic information; sensor； application

TS10

A

1009-3028(2012)03-0038-04

2012-04-21

吳艷平(1985—)，女，河北廊坊人，碩士研究生。