王 俠,于 淼，2，張春明，鄭廣澤，覃 蕊，劉津池

(1.青島大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，山東 青島 266071；2.東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200051)

0 引 言

目前，服裝行業(yè)中傳統(tǒng)服裝品牌創(chuàng)新力不足,同質(zhì)化嚴(yán)重,面對科學(xué)技術(shù)和大數(shù)據(jù)浪潮的沖擊,推進(jìn)智能服裝的研發(fā),才能緊跟時(shí)代的步伐。可穿戴技術(shù)最早是指一種在服裝中植入多媒體、無線通信、傳感器等技術(shù)實(shí)現(xiàn)交互作用的手段[1]。在二十世紀(jì)七十年代末,可穿戴設(shè)備與紡織服裝才開始結(jié)合,它們均有一定局限性,電子產(chǎn)品功能單一,體積卻很大,而安裝電子器件載體的紡織品主要用于醫(yī)療、軍事、航天等個(gè)別特殊領(lǐng)域[2]。

隨著生活水平的提高,人們對服裝的需求不單是保護(hù)人體、維持熱平衡、時(shí)尚美觀等,還要求其具有個(gè)人健康護(hù)理、休閑娛樂或與他人交流的功能。通過可穿戴設(shè)備與服裝的融合,為醫(yī)療、健身、娛樂等領(lǐng)域提供更多、更便利的智能服務(wù)[3]?？纱┐魅嵝詡鞲衅魇羌喾N功能為一體的可穿戴設(shè)備,其具有生理參數(shù)檢測、能耗檢測、體位檢測、運(yùn)動狀態(tài)檢測等功能。通過這些設(shè)備先收集原始數(shù)據(jù),然后將其傳送至傳輸端設(shè)備,傳輸端設(shè)備再將數(shù)據(jù)通過云端專家數(shù)據(jù)庫分析,從而得出結(jié)果并給出建議,最后把結(jié)果和建議反饋給用戶[4]。其材料要具有柔軟、易變形、低模量等特征,保證傳感器基本功能的同時(shí),還應(yīng)該具有體積小、延展性好、柔軟性等特點(diǎn)[5]。實(shí)現(xiàn)傳感器可以直接穿戴在身上,或者貼附在皮膚上,得到人體血壓、血糖、脈搏等健康參數(shù),并將數(shù)據(jù)收集到智能設(shè)備中,通過分析提取,為醫(yī)生的診斷提供參考[6-7]。

2016年,Chen等[8]研發(fā)出一款可以整合各項(xiàng)生理參數(shù)且可持續(xù)監(jiān)測人體健康狀況的“智慧服裝”,該系統(tǒng)的智能醫(yī)療監(jiān)護(hù)大數(shù)據(jù)通過云存儲技術(shù)獲得。穿戴傳感器除了具有很高的醫(yī)學(xué)應(yīng)用價(jià)值外,還能夠?qū)崿F(xiàn)信息傳遞、娛樂通信等特定功能[9]。2016年仇春燕等[10]設(shè)計(jì)出一款戶外騎行監(jiān)護(hù)服裝,其能夠感知、反饋、影響環(huán)境,實(shí)行人與服裝的交互。目前,柔性傳感器與服裝的整合處于初級階段,且相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)告較少,文中對柔性傳感器在紡織服裝領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展進(jìn)行了系統(tǒng)地概括與闡述,并對柔性傳感器應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)功能材料進(jìn)行了分析。

1 柔性傳感器在紡織服裝中的應(yīng)用

1.1 健康醫(yī)療類服裝

在日常健康管理中,可穿戴傳感器通過藍(lán)牙與手機(jī)建立通訊,其主要功能是測量一些常用參數(shù),包括行走步數(shù)、心率和皮膚導(dǎo)電率等,甚至可以通過加速度傳感器測量人體在睡眠時(shí)的人體姿態(tài),從而反映睡眠質(zhì)量。

可穿戴傳感器用于醫(yī)療領(lǐng)域,可根據(jù)病人實(shí)際情況提供出更適合的治療方案,也能為醫(yī)生及時(shí)掌握病人情況提供便利。目前,可穿戴傳感器已經(jīng)應(yīng)用于監(jiān)測部分疾病,它既可以作為預(yù)防性手段預(yù)防突發(fā)疾病的發(fā)生,又可以作為輔助性治療手段和監(jiān)測手段有利于疾病的康復(fù)[11-12]。2014年,Mino公司研發(fā)的智能嬰兒連體衣,可以通過服裝中的感應(yīng)器對嬰兒的體溫、心電信號、呼吸等進(jìn)行檢測,及時(shí)了解嬰兒的身體健康狀況[13]。Klucken等[14]曾在鞋子中載入集成加速度傳感器和陀螺儀,在標(biāo)準(zhǔn)步態(tài)序列中記錄運(yùn)動信息,并且將采集到的模擬識別算法與傳感器特征信號應(yīng)用在分類帕金森疾病階段中,結(jié)果發(fā)現(xiàn),可穿戴監(jiān)測系統(tǒng)分類結(jié)果與帕金森臨床評價(jià)指標(biāo)相近,準(zhǔn)確率達(dá)到81%～91%。

1.2 運(yùn)動防護(hù)類服裝

不當(dāng)?shù)倪\(yùn)動會使人們受傷,而相關(guān)的防護(hù)類服裝可大大降低人體損傷情況。智能壓縮服裝通過傳感器能夠測量下肢關(guān)鍵肌群之間以及皮膚之間的壓力,能夠評估肌肉收縮舒張狀況和肢體位置[15]。同時(shí),可穿戴傳感器可以測量運(yùn)動員姿態(tài),判斷姿態(tài)準(zhǔn)確性,通過反饋及時(shí)調(diào)整訓(xùn)練方案,促進(jìn)運(yùn)動員提高成績[16]。Ryo Takeda等[17]利用可穿戴傳感器區(qū)分人體的運(yùn)動狀態(tài)并正確評價(jià)運(yùn)動動作的正誤。在此過程中,主要通過加速度傳感器和陀螺儀測量出髖部、膝蓋、腳踝這3個(gè)部位屈伸的角度,與攝像機(jī)采集系統(tǒng)進(jìn)行對照,同時(shí)對比左右腿部位的檢測狀況,依據(jù)角度曲線對人體姿態(tài)做出診斷。

1.3 休閑娛樂類服裝

智能化的休閑娛樂服裝大大提升了服裝的趣味性和功能性。 如將柔性應(yīng)變傳感器安裝在衣物上, 人們可通過自身動作來驅(qū)動游戲, 從而使玩家在虛擬現(xiàn)實(shí)與交互游戲中感受到更真實(shí)、 緊張刺激的游戲體驗(yàn)[18]。 張乃中等[19]運(yùn)用 Action Scrip 語言編程模擬傳統(tǒng)樂器的發(fā)聲規(guī)律, 采用圖案紋樣設(shè)計(jì)處理電路布線, 美化了視覺效果。 2016年, 飛利浦公司研發(fā)出一種衣領(lǐng)上裝置有立體揚(yáng)聲器的智能夾克, 通過衣料中的天線進(jìn)行收音、 接聽電話和下載音樂, 其播放裝置體積小, 易攜帶并可拆除。 通過豎領(lǐng)與翻領(lǐng)實(shí)現(xiàn)獨(dú)自欣賞音樂或與人分享的功能[20]。

2 柔性傳感器應(yīng)用要點(diǎn)與制備材料

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

可穿戴傳感器可分為生物傳感器、動作傳感器和環(huán)境傳感器3類,其中用戶與電子系統(tǒng)之間的接口通過傳感器將生理或環(huán)境信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號來實(shí)現(xiàn)[21]。剛性傳感器是可穿戴設(shè)備中最主要的形式,但強(qiáng)度大、不易彎曲,在應(yīng)用上有局限性[22]。隨后,在柔性電子技術(shù)發(fā)展推動下,柔性可穿戴傳感器得到發(fā)展,部分傳感器實(shí)現(xiàn)了一定程度的拉伸,更適合與人體集成。2008年,Zhang等[23-24]提出柔性傳感器技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)為小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化及標(biāo)準(zhǔn)化。后續(xù)逐漸擴(kuò)展到安全性、不可見性、個(gè)性化、能效性等?？紤]到服裝穿著舒適性,小型化與不可見性是維持長時(shí)間連續(xù)監(jiān)測的關(guān)鍵。Merritt等[25]將電極集成到紡織品上,開發(fā)出可穿戴心電圖監(jiān)測技術(shù),測量信號的穩(wěn)定性較高,經(jīng)過數(shù)個(gè)洗滌周期后仍能保持其測量信號的完整性。安全性是實(shí)現(xiàn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化時(shí)必須慎重考慮的問題,其中涉及對個(gè)人隱私的保護(hù),服務(wù)質(zhì)量的保障。

2.2 柔性傳感器材料技術(shù)

柔性傳感器常用制備材料包括金屬、有機(jī)物、半導(dǎo)體、納米材料等,不同結(jié)構(gòu)的材料相結(jié)合可制備出不同機(jī)械屬性的柔性傳感器。金屬纖維具有良好的導(dǎo)電性和可彎曲性,在紡織領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,新型金屬復(fù)合紗線可以應(yīng)用于觸摸傳感器的研發(fā),改善了傳感器的柔軟度,但金屬纖維有易斷裂的缺點(diǎn)[26]。通過引入可延展材料并設(shè)計(jì)特殊結(jié)構(gòu),利用紡絲或直接利用織物作為基底,保障了其延展性。如神奇“紗線”——Twistron,呈類似彈簧的螺旋結(jié)構(gòu),通過提高紗線捻度,使其具有良好的擴(kuò)展性,碳納米管之間的距離隨著紗線被擰緊或拉伸變小,從而離子密度變大,在這個(gè)過程中,機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。Wang等[27]在兩層柔性PDMS薄膜之間放置單壁納米管薄膜,制備了“三明治”結(jié)構(gòu)柔性傳感器,其具有低壓檢測、快速響應(yīng)、高穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),并實(shí)現(xiàn)了對人體生理活動信號的靈敏檢測。Yao等[28]利用高導(dǎo)電性銀納米線與PDMS柔性材料復(fù)合研發(fā)出柔性電極,獲得的傳感器拉伸性、靈敏度很高。

3 可穿戴傳感器研究前景

3.1 精準(zhǔn)醫(yī)療監(jiān)測

精準(zhǔn)醫(yī)療作為新興醫(yī)療領(lǐng)域,是未來發(fā)展熱點(diǎn),可穿戴傳感器將會為其發(fā)展提供核心解決方案。在精準(zhǔn)醫(yī)療中,從兩方面對個(gè)人大數(shù)據(jù)進(jìn)行采集:一方面采用基因測序等方法獲得;另一個(gè)重要方面是對人體進(jìn)行全方面測量,包括運(yùn)動、睡眠監(jiān)測,心率、呼吸等生理參數(shù),生活環(huán)境和飲食習(xí)慣,興趣愛好,心理壓力的記錄,并對其數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,作為醫(yī)生診斷和跟蹤療效的依據(jù)[29]。如一種網(wǎng)狀石墨烯應(yīng)變傳感器,將網(wǎng)狀石墨烯平鋪在高聚物和醫(yī)用膠帶復(fù)合薄膜,實(shí)現(xiàn)了對面部表情變化、呼吸、脈搏等微弱運(yùn)動的監(jiān)測,同時(shí)確保了與人體皮膚的兼容性,達(dá)到了與皮膚緊密貼合的效果[30]。通過提升柔性醫(yī)學(xué)檢測系統(tǒng)的性能,使其更好地服務(wù)于精準(zhǔn)醫(yī)療模式,方便患者與醫(yī)生獲取經(jīng)過整合與分析的個(gè)人健康信息,從而及時(shí)了解自身健康狀況,并進(jìn)行調(diào)整與反饋。同時(shí)對中國群體健康大數(shù)據(jù)庫的構(gòu)建起到很大的作用[31]。

3.2 高度集成與能量供給問題

為了更好地獲取、處理、傳輸人體信息,需要傳感器與人體柔性組織高度貼合與集成。壓力傳感器、光電傳感器和電導(dǎo)率傳感器等逐漸被集成在可穿戴系統(tǒng)中,用于測量血氧、心率、脈搏等信息。

功耗與供電是可穿戴傳感器面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。關(guān)于電池技術(shù),目前可充電電化學(xué)電池依然是主要解決方案,它具有高能量密度,在傳感器體積最小化的情況下,可長時(shí)間待機(jī)與使用[32]。此外利用大量電磁輻射,采用不同波長的分布式天線,接收到的不同頻率無線信號所具有的能量組合可為可穿戴傳感器供電。摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)因具有優(yōu)異的輸出特性以及不受材料限制等突出優(yōu)點(diǎn),成為近年來最受關(guān)注的微能源采集技術(shù)[33]。基于TENG原理的傳感技術(shù)可以直接對外部特定信號產(chǎn)生響應(yīng),器件功耗大幅降低。

4 結(jié) 語

隨著科技的進(jìn)步和生活水平的提高,柔性傳感器將會有深刻的變革和新突破,人們對可穿戴產(chǎn)品的接受程度也會隨之提高。目前醫(yī)院運(yùn)行壓力大,醫(yī)療體系需要得到可穿戴傳感器的輔助,才能極大的提高人們健康水平。醫(yī)療水平地方性差異明顯,尤其農(nóng)村地區(qū)存在看病難的問題,借助已大規(guī)模普及的互聯(lián)網(wǎng),可穿戴傳感器可以改善醫(yī)療資源分配不均的差異,能夠公平享受醫(yī)療資源。同時(shí),針對老齡化問題、兒童安全問題,通過可穿戴傳感器可以對其步態(tài)及生活狀態(tài),進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測,如兒童智能定位服裝的設(shè)計(jì),確保了兒童在不同環(huán)境下穿著服裝的健康安全性。

柔性傳感器與服裝的結(jié)合仍然面臨諸多挑戰(zhàn),電池壽命制約著傳感器的工作效率,未來應(yīng)不斷探索柔性傳感器供電技術(shù),脫離電池束縛。重點(diǎn)發(fā)展柔性傳感器的可延展性、靈敏性,實(shí)現(xiàn)與人體的高度集成,提高穿著舒適性,使服裝具有感知、傳導(dǎo)、儲存的電子性能,突破傳統(tǒng)紡織服裝企業(yè)的運(yùn)行模式,進(jìn)行創(chuàng)新轉(zhuǎn)型。