黎淑婷,張海煊,滕萬紅

(深圳市計量質(zhì)量檢測研究院,廣東 深圳518131)

智能服裝是將賦予人工智能的微型電子元件整合到服裝中,以滿足人們對智能電子產(chǎn)品微型化、隱形化的需求。近幾年,隨著智能可穿戴電子產(chǎn)品產(chǎn)量爆發(fā)式增長,服裝作為載體之一,也是人們的剛性需求品,智能服裝成為科技企業(yè)和學術(shù)研究爭相開發(fā)的熱點領域,是服裝的未來發(fā)展趨勢。在人工智能、大數(shù)據(jù)、移動通信技術(shù)等新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景下,智能服裝將給人類社會的許多方面帶來革命性的影響。

本文以智能服裝在生活娛樂、運動健身、醫(yī)療健康和軍事裝備等領域的應用為切入點,梳理了智能服裝的發(fā)展現(xiàn)狀,討論其產(chǎn)品設計上存在的問題,并對其未來發(fā)展趨勢和前景進行展望。

1 智能服裝概述

智能服裝是一個復雜的信息載體,它是將紡織與服裝工程、材料科學、電子信息、計算機工程等多門學科交叉融合形成的一個整體,以人們?nèi)粘４┐鞯姆b為物理載體,將智能系統(tǒng)以不同形式嵌入其中,使其具有區(qū)別于傳統(tǒng)服裝一般功能的特殊功能。其技術(shù)構(gòu)成主要有處理元件、傳感器、人機交互設備、電源系統(tǒng)、連接技術(shù)等元素,具有信息識別、存儲、傳遞和處理功能[1]。常見的結(jié)合形式有3種:一是服裝直接外接微型智能電子元器件;二是利用物理或化學整理技術(shù)賦予普通纖維材料特殊功能;三是通過梭織、針織等織造方法將智能纖維或智能紗線織入紡織服裝產(chǎn)品中[2]。

2 智能電子服裝的應用

目前,智能服裝具有各式各樣的功能,以滿足消費者多樣化的需求,根據(jù)其應用領域可以將其劃分為生活娛樂、運動健身、醫(yī)療健康和軍事裝備四大類。

2.1 生活娛樂

應用于生活娛樂領域的智能服裝主要為了解放雙手、方便日常生活,將生活中各環(huán)節(jié)逐步智能化,增強人們對服裝和生活的體驗感。如三星研發(fā)的一款內(nèi)置NFC芯片的智能西裝,能與手機配合使用,用戶無需用手滑動手機屏幕即可實現(xiàn)近距離切換不同應用場景模式。Lyle&Scott推出的一款用于支付的夾克外套,其袖子隱藏NFC芯片,通過手機應用設定支付信息,可在英國30多萬個商家處進行支付。Levi's和谷歌共同開發(fā)的智能外套,通過不同手勢實現(xiàn)手機功能操控,如改變播放曲目、更改地圖導航位置等功能。

近年來,人機交互技術(shù)的成熟發(fā)展加快了智能服裝和虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)的結(jié)合,由Tesla Studios發(fā)布的Tesla Suit是一款將多種功能整合的智能體感服裝,具有觸覺反饋、動作捕捉、氣候控制和生物反饋系統(tǒng)等功能,為VR游戲玩家?guī)砀顚拥某两襟w驗[3]。

2.2 運動健身

運動健身類的智能服裝是將智能手機、手環(huán)中附帶的運動健身類功能轉(zhuǎn)移至服裝上,它將從人體中采集的生理(心率、呼吸)、各部位運動(速度、方向等)等信號轉(zhuǎn)換成電信號,再經(jīng)放大、濾波、干擾抑制等預處理后,通過A/D轉(zhuǎn)換后,供處理器進一步分析和處理,最終輸出結(jié)果。根據(jù)應用場景可分為健身和體育運動兩類。

2.2.1健身

健身類智能服裝是面向關注自身健康的人群,能實時記錄每天的運動量、消耗熱量以及生理參數(shù)等,并提供個性化的運動計劃。如小米科技推出一款與小米手機搭配使用的智能帆布鞋,可測算用戶跑步距離、路線以及跑步時的心率;OMsignal設計一款名為OM-bra智能運動胸罩,能記錄步數(shù)、呼吸頻率、心率、熱量消耗等數(shù)據(jù);Athos智能緊身衣通過內(nèi)置的EMG肌電傳感器監(jiān)測人體的肌肉纖維內(nèi)部活動,讓穿戴者了解自身運動強度、心率和運動步數(shù);Nflux智能健身衣能實時追蹤運動次數(shù)、動作范圍和力量,將所有的數(shù)據(jù)傳輸至虛擬教練查看,并提供實時反饋以指導用戶矯正姿勢。

2.2.2 體育運動

體育運動類智能服裝主要應用在田徑、游泳、網(wǎng)球、滑雪等項目中,如2014年美國網(wǎng)球公開賽中亮相的Ralph Lauren的智能T恤衫,采用3個電極,能實時監(jiān)測用戶的心率、呼吸和熱量消耗量等參數(shù),除了監(jiān)測生理參數(shù)之外,這款服裝還幫助運動員確認自己位置、方位、速度以及糾正肢體姿勢。三星開發(fā)的智能訓練服Smart Suit,嵌入5個精度為毫米級的傳感器,收集運動員訓練數(shù)據(jù),并精確計算運動員冰道速滑時的身體位置,將運動員姿體信息反饋到教練手機上,教練可用該程序向運動員的Smart Suit發(fā)出振動信號,提醒運動員注意調(diào)整動作。另外,如籃球、足球等位移頻繁的體育項目,智能服裝能記錄運動員們位移點,以便教練調(diào)整方案和策略。

2.3 醫(yī)療健康

醫(yī)療健康類的智能服裝有廣泛的需求基礎,主要體現(xiàn)在人口老齡化與醫(yī)療資源供給不匹配,心腦血管、糖尿病等慢性疾病死亡率增高,疾病預防和健康管理需要智能醫(yī)療協(xié)助多個方面。另外,移動互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的高速發(fā)展為醫(yī)療健康類智能服裝提供了必要條件[4]。

醫(yī)療健康類的智能服裝能實現(xiàn)對人體非介入式、無創(chuàng)的生理體征監(jiān)測,如心電、血壓、血氧飽和度、血糖、體溫、呼吸等多個參數(shù),在預防和康復兩個階段起到重要作用。如聯(lián)想集團發(fā)布的一款無線智能心電衣,可通過12導聯(lián)方式對用戶心臟進行長期連續(xù)的監(jiān)測和監(jiān)護,并實時上傳數(shù)據(jù),實現(xiàn)健康監(jiān)測和醫(yī)院后臺預警服務;杰克遜州立大學推出的智能鞋墊Smart mat,它能夠監(jiān)測用戶的足底溫度,有效地預防糖尿病足和降低截肢風險;Owlet智能襪能夠記錄嬰兒的心率、血氧、體表溫度及睡眠姿勢,以便父母遠程實時監(jiān)控嬰兒健康狀態(tài);丹麥Ohmatex設計的一種智能襪子能夠檢測腿腳水腫,提前預測心臟衰竭和先兆癲癇風險。

醫(yī)療健康類智能服裝具有廣闊的應用前景,改變了傳統(tǒng)醫(yī)療服務的地域性限制和解決了笨重而固定的治療監(jiān)護設備帶來的不便,是智能服裝未來發(fā)展的重要應用方向[5]。

2.4 軍事裝備

軍事裝備屬于尖端科技領域,電子信息技術(shù)與軍事裝備結(jié)合并應用于軍事領域的想法由來已久,但隨著納米技術(shù)的成熟發(fā)展才使其現(xiàn)實化,應用在軍事領域的智能服裝根據(jù)應用場景分為作戰(zhàn)狀態(tài)和日常監(jiān)護兩種[6]。

2.4.1 基于作戰(zhàn)狀態(tài)的智能服裝的應用

為適應戰(zhàn)場多變復雜的環(huán)境,降低被發(fā)現(xiàn)攻擊概率,采用電致變色織物制成的智能服裝在不同電壓作用下,可控制軍服的局部或整體顏色,在軍事偽裝中具有重要應用價值。俄羅斯Rostec研發(fā)了能根據(jù)軍人所處的環(huán)境來改變軍服顏色與圖樣的新型隱形偽裝技術(shù),這項技術(shù)能模擬復雜的圖像,適用于士兵作訓服、坦克、裝甲戰(zhàn)車等軍事裝備。為減少士兵在作戰(zhàn)中受到的傷害,美國推出多款“勇士織衣”智能作戰(zhàn)服,具有質(zhì)量輕、柔韌性好等優(yōu)點,能自動調(diào)整軟硬度以避免士兵受傷,可大幅增強士兵的機動攜行和綜合防護能力,進而提高士兵的戰(zhàn)斗力和生存能力。為降低因踩地雷而傷亡的風險,哥倫比亞Lemur Design Studio公司專門為軍事領域設計了一款名為Save One Life的智能鞋墊,其原理是將印刷電路組成的金屬探測器安裝在鞋底,若巡經(jīng)范圍內(nèi)有大塊金屬的磁場反應,與其配套的手表會出現(xiàn)紅點提示附近的可疑物品位置,告知使用者小心或改變行進方向,降低傷亡[7]。

另外,智能服裝可嵌入定位、信息分析系統(tǒng),幫助士兵在信息化戰(zhàn)爭中更準確、快速地感知、獲取、利用和分發(fā)信息,最終實現(xiàn)信息制勝。

2.4.2 基于日常監(jiān)護的智能服裝服飾的應用

智能加熱服裝在軍事領域具有很大的發(fā)展前景。由于長期生活在極端低溫、高濕、低壓、紫外線輻射強度大、高風速等環(huán)境中,士兵的皮膚、關節(jié)、器官等部位容易發(fā)生不同程度的凍傷損壞。智能加熱服能保護駐守在惡劣極端氣候中士兵的身體,減少環(huán)境因素對其造成的不必要傷害。

士兵日常需要經(jīng)受嚴苛的訓練任務,體力幾乎達到極限,持續(xù)高強度訓練可能會對個別士兵的身體狀況有害,因此,智能監(jiān)測衣能夠長期連續(xù)監(jiān)測士兵生理體征變化狀況,及時發(fā)現(xiàn)異常,防止士兵在日常訓練中發(fā)生意外,同時根據(jù)反饋數(shù)據(jù)調(diào)整訓練方案,更好地發(fā)揮每個士兵的戰(zhàn)斗能力。

無論在日常護理還是單兵作戰(zhàn)中,智能服裝在軍事領域的應用具有重要意義,它體現(xiàn)了各國在軍事上的科技實力。從長遠看,伴隨著信息技術(shù)和新材料、新能源技術(shù)的進一步發(fā)展,智能服裝很有可能成為未來軍事系統(tǒng)不可缺少的硬件,像普通軍裝及槍械一樣成為士兵的標配。

3 智能服裝存在的問題

如今,智能服裝仍處于發(fā)展的初級階段,產(chǎn)品款式單一,功能設計以及用戶群體認知程度都不夠成熟,主要存在幾個方面的問題:

3.1 舒適性

由于學科融合度不足,在注重實現(xiàn)功能的同時,無法滿足服裝穿著舒適性,如嵌入智能服裝內(nèi)部的電子元件相對體積大、柔軟度低,讓用戶覺得有明顯的異物感。除此之外,為提高采集數(shù)據(jù)的準確性,往往選擇緊身衣為載體,降低服裝穿著舒適性,也妨礙用戶日?；顒?。

3.2 黏性

大部分智能服裝在設計時偏重于趣味性和互動性,使用一段時間后便逐漸顯露出功能短板,功能上的不完善導致無法有效地解決實際問題,難以滿足用戶真正需要,使得產(chǎn)品的用戶黏性降低。

3.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測精確度

數(shù)據(jù)檢測的精確度偏低是智能服裝普遍存在的難題,尤其在實時采集人體信號過程中,由于智能服裝具有隨時隨地性、便攜性和移動性等特點,不可避免地面臨采集信號微弱、運動噪聲和運動偽跡等干擾因素,會不同程度地造成信號特征點提取的誤判和漏判[8]。

3.4 安全性

智能服裝是跨領域產(chǎn)物,既是服裝,又是電子產(chǎn)品,其安全性能涉及服用性能、材料使用安全性、電學安全性、電磁安全性及環(huán)境可靠性等多個方面。然而,智能服裝未形成規(guī)范、完整的測試方法和標準系統(tǒng),無法確保智能服裝的質(zhì)量安全,在一定程度上降低了消費者熱度。

3.5 耐用性

在使用和洗滌過程中,嵌入了傳感器、芯片及其他電子元件組成的電路系統(tǒng)要經(jīng)受水洗、拉伸、彎曲、摩擦等耐用性能考驗,電路中任意一處的損壞均能導致服裝整體功能失效,影響服裝的穿著耐用性能。

4 發(fā)展前景

未來智能服裝將更契合人性化需求,將科技與服裝進一步地深度融合。

從材料方面,纖維基智能材料、柔性電子技術(shù)在智能服裝中的應用前景廣闊,將低維結(jié)構(gòu)材料通過紡織織造或柔性3D打印等手段實現(xiàn)服裝輕薄化、柔性化,滿足消費者對服裝貼合性、輕便、易于彎曲形變的需求,改善當前智能服裝穿著舒適性問題,實現(xiàn)從“戴”向“穿”的過渡。

從能量供應方面,采用石墨烯、碳納米管、碳布/碳纖維、導電聚合物為電極材料的柔性電池,具有可拉伸彎曲、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點,是智能服裝能量主要來源。另外,Li-S電池、太陽能電池、生物燃料電池等環(huán)境友好型電池的研發(fā),有利于智能服裝能源供應的可持續(xù)發(fā)展[9]。

從功能方面,智能服裝功能多樣化才能夠滿足消費者各種需求,除了提供專業(yè)、精確、可靠的實時信息反饋外,還需相應地提升社會配套資源,構(gòu)建軟件生態(tài)系統(tǒng),不斷整合各種數(shù)據(jù)、應用與服務,為消費者打造一體化、個性化的智能服裝體驗。

從人機交互方面,智能服裝需要新穎的交互模式,以滿足穿著舒適性、移動性、隱蔽性、不干擾人的其他活動等性質(zhì)?？梢酝ㄟ^語音識別、手勢、生物反饋、情感感知等特殊的輸入方式操縱產(chǎn)品,主動獲取信息,從而提高用戶體驗感和生活質(zhì)量。