杜勁松,李司琪,余雅蕓,費中華,丁妤婕

(1.東華大學 服裝與藝術設計學院,上海 200051; 2.浙江森馬服飾股份有限公司,浙江 溫州 362000)

0 引 言

智能化服裝推動了科技的發(fā)展,它不僅能夠感知服裝外部環(huán)境和內(nèi)部的狀態(tài)變化,還通過反饋機制實時地對各種人體變化做出響應。智能服裝在保障服裝穿著舒適的前提下,給用戶提供智能分析、反饋控制和決策支持[1],融合了電子信息技術、傳感器技術、紡織科學及服裝設計等多個學科[2-3]。國外對于智能化服裝的研究開始于20世紀30年代,涉及到社會醫(yī)療、政治軍事、運動監(jiān)護等方面,而國內(nèi)研究起步較晚,起初多集中在面料研發(fā)方面。隨著電子信息技術、紡織科學等領域的發(fā)展,智能化服裝的研究也進入了一個全新階段[4]。自20世紀90年代美國麻省理工學院媒體實驗室研發(fā)出可穿戴多媒體計算機以來,服裝也不再僅限于舒適和時尚,具有了健康監(jiān)測、溝通交流等額外的功能,智能化服裝已經(jīng)成為未來智能穿戴技術的載體。根據(jù)Gartner的預測,未來5年內(nèi)的市場規(guī)模將達到49.7億美元,預估到2020年的智能服裝年銷售量達到1000萬件。目前市面上的智能服裝存在著設計不夠美觀、電子元件與服裝一體化程度較低等外部問題,也存在著材料研發(fā)程度低、安全性能較低等內(nèi)部問題[1]。隨著智能服裝研發(fā)的推進,研究熱點和難點聚焦在產(chǎn)品優(yōu)化設計、提高服用性能、完善研發(fā)模式[5]以及建立可持續(xù)發(fā)展的智能服裝產(chǎn)業(yè)鏈上。由于智能化服裝品類繁多、功能各異,并涉及各學科領域的前沿技術,產(chǎn)品信息繁雜,設計研發(fā)工作難度大,所以有必要對智能服裝的分類、功能、技術、發(fā)展趨勢及技術瓶頸等進行詳細總結分析。

1 智能化日常服裝

智能化服裝在人們?nèi)粘Ｉ钪性絹碓狡占?智能化日常服裝可分為運動保健類、健康監(jiān)測類和休閑娛樂類等。

1.1 運動保健類

運動保健智能化服裝能對人體運動時候的心跳、呼吸、壓力等數(shù)據(jù)做出分析,結合移動終端的應用,實時提示人體運動量,為運動者制定有針對性的健身計劃。Ralph Lauren發(fā)布的Polo衫具有3類32種不同的感應器,讓檢測結果會更為準確。OMSignal公司推出的男士運動衫和女士智能運動文胸能跟蹤穿戴者的步數(shù)、跑步距離、卡路里和心率等健身指標,并能分析出人體呼吸效率、疲勞水平、運動消耗等數(shù)據(jù)。Radiate熱感應變色T恤[6]能通過熱敏感傳感器將運動者身體特定部位或肌肉群訓練情況轉化為面料的顏色變化,讓運動者隨時了解體內(nèi)新陳代謝、血液流動、肌肉膨脹等情況。Hexoskin運動背心通過生物傳感器能夠記錄穿戴者的測量心率、步數(shù)、卡路里消耗和呼吸等數(shù)據(jù),并能追蹤人體夜間睡姿、心跳、呼吸等睡眠狀況,對人體進行遠程監(jiān)控。以Arduino UNO與Myoware表面肌電傳感器[7]為設計基礎所制作的運動緊身衣能夠采集、計算、比較運動者的肌電,并將其與之前設定的閾值進行比較。當肌電達到設定閾值時就會對穿戴者發(fā)出警告,以防止運動過程中的肌肉拉傷等。

1.2 健康監(jiān)測類

為達到監(jiān)測身體各項健康指標的目的,智能化服裝對人體健康數(shù)據(jù)測量準確性要求更高,并能夠低負荷、長期連續(xù)地獲取人體心電、呼吸、體溫等生理信息[8],讓著裝者隨時關注自身健康狀況,預防疾病。加拿大Hexoskin公司研制的生理參數(shù)測量襯衫,通過在胸下、腹部的傳感器監(jiān)測人體的步數(shù)、心率、呼吸、睡姿等[9]。日本ATOUN公司的老年人動力輔助智能服裝,當傳感器檢測到人體重心變化時,會通過馬達對人體施加輔助力量。健康監(jiān)測類智能服裝還能檢測老年人的睡眠質量,并且達到助眠的效果。老年人的體溫調(diào)節(jié)能力較差,相變調(diào)溫面料[10]擁有抗靜電性能,同時還能根據(jù)老年人不同的體表狀況儲存或者釋放熱量,提高老年人的體表舒適度。Owlet care兒童睡眠呼吸監(jiān)測襪可識別人體潛在的如睡眠不規(guī)則、RSV(呼吸融合細胞病毒)、肺炎、支氣管炎、慢性肺病和心臟缺陷等健康問題。英特爾和臺灣AIQ公司合作研發(fā)的監(jiān)測身體健康狀況的T恤,也是通過監(jiān)測心率、心電圖等來分析著裝者的身體健康水平。Lumo Bodytech Lumo Lift公司的姿勢追蹤智能服裝能感知脊椎活動狀況,通過傳感器的振動來改善穿著者的站姿和坐姿。

1.3 休閑娛樂類

休閑娛樂智能化服裝為都市人群提供了多元化生活體驗,通過增加智趣性和易攜帶性實現(xiàn)了新的娛樂方式[11]。Danilo等設計的Pacer連體服配備有捕捉人體肌肉運動的傳感器,并通過觸發(fā)器將信息轉化成音樂旋律,將人體動作轉化為不同的音樂。英國CuteCircuit公司開發(fā)出能夠顯示推文的服裝(Twitter dress)和配飾[12],研發(fā)團隊運用激光蝕刻的丙烯酸鏡面來制作服裝,這種材料可以使LED光線穿透其表面,在服裝表面顯示各種有趣的動畫效果,以達到娛樂的效果。

2 智能化功能性服裝

2.1 人衣交互

人和服裝之間的有效互動能調(diào)節(jié)人的情緒,提升體驗效果,有利于消費者與服裝的深度溝通,感性和理性的雙重追求能夠在人衣交互中實現(xiàn)。在體驗經(jīng)濟時代,智能化功能性服裝能夠給用戶帶來心理上的認同感以及感官體驗[13],調(diào)整穿著者心理狀態(tài),以達到舒緩情緒的目的。針對兒童設計的智能化可穿戴產(chǎn)品[14]遵循兒童成長的發(fā)展規(guī)律,將人的情感與服裝進行有效結合,增強不同年齡段兒童的情感體驗。人體可以直接與服裝進行“溝通”,人的心情、體溫、運動等生理特征通過服裝的造型、顏色、結構變化進行交互影響。蒙特利爾大學和倫敦大學的研究人員設計開發(fā)的可智能情緒感知服裝Wearable Absence Project(WAP),通過內(nèi)部裝置的傳感器、擴音器、信號分析器等,實時判斷使用者的情緒變化,服裝會自動播放輕音樂來舒緩穿戴者低落的情緒,使穿著者達到內(nèi)心的平靜。類似的智能服裝也能對兒童心理成長和智力開發(fā)進行輔導,如會講故事的T恤、會唱歌的睡衣、會發(fā)光的裙子等。

2.2 實時監(jiān)控

具有遠程監(jiān)控功能的智能化服裝將柔性紡織結構、柔性高分子膜器件、嵌入式傳感器等系統(tǒng)集成技術應用在服裝設計上,對穿著者進行健康體征監(jiān)測[15-16],利用無線通信、無限體域網(wǎng)技術將數(shù)據(jù)遠程發(fā)送到信息平臺,使得人體生理狀況得到實時監(jiān)控,可有效預防疾病和醫(yī)學治療輔助等。兒童智能監(jiān)控裝備設計為具有防止兒童走失功能的智能服裝、書包、鞋、電話、手表等。嬰幼兒生命體征監(jiān)護內(nèi)衣、睡衣可以設計為具有尿濕提醒功能。Intel聯(lián)手運動服裝設計師Chromat推出的運動型“響應式服裝”能根據(jù)用戶的體溫、腎上腺素或壓力進行監(jiān)控響應。挪威實驗室開發(fā)的“感知身體”智能服裝,通過濕度傳感器監(jiān)控穿著者的狀況,確保極端天氣條件下工作者的安全性。美國喬治亞理工學院研發(fā)了多功能的非干擾計算模型[17],運用該計算模型可通過智能襯衫實時遠程監(jiān)控士兵的生命體征。

2.3 外界環(huán)境響應

2.3.1 變色服裝 由于外界環(huán)境中溫度、光、電、濕度等的變化,導致變色材料或器件的折射率(或反射率)改變,進而從視覺上產(chǎn)生了顏色變化。服裝變色材料或器件可分為熱致變色、光致變色、電致變色等。Karpagam等將藍色和橙色熱致變色染料進行配比,在棉織物上繪制出不同顏色印花圖案[18]。變色服裝可隨人體體溫的改變而變色,以提醒運動員各部位的鍛煉情況。當服裝受到光照時,材料內(nèi)部的高分子排列順序發(fā)生變化,使得服裝的狀態(tài)改變,這種基于光敏變色[19]材料特性的變化也是可逆的。美國Clemson大學的研究者將光纖與噻吩衍生物等變色染料相結合,實現(xiàn)了纖維顏色的自動變化。碳納米管(CNT)表面直接涂覆聚丁二炔(PDA)前軀體,并使丁二炔基在紫外光下發(fā)生拓撲化學聚合,從而合成CNT/PDA復合纖維,該復合纖維在電流刺激下迅速改變顏色,可應用于航空航天及軍事領域。

2.3.2 變形服裝 變形材料在外部環(huán)境刺激下會產(chǎn)生變形致動響應,引發(fā)的形變可分為熱響應變形、光響應變形、濕響應變形等。柔性變形纖維可應用于智能化服裝設計中,如可舒張卷曲的全氟磺酸離子聚合物(PFSA)薄膜對濕度敏感,利用其不均勻吸水膨脹的特性,模擬自然界中花瓣隨濕度變化,材料呈現(xiàn)出不同形狀,將其與旗袍結合制作出不同的變形旗袍。另外,不同螺旋角的PAAS/GO纖維(tP/GO),由于其光熱效應和對水的吸附性,使得纖維螺旋槽收縮,纖維的遠程控制光響應變形特性在智能服裝設計中也得到應用。

2.4 軍事防護

目前智能化服裝在軍事領域的應用也受到廣泛關注。軍事防護型智能服裝能夠感知子彈、病毒、輻射及化學物質等,從而阻隔子彈等外部沖擊,保護士兵安全。智能面料可以過濾有害化學物質、戰(zhàn)場灰塵等,同時使空氣、水分能夠穿透服裝表面,起到防護保濕作用,如I-Protect項目[20]能監(jiān)控周圍的空氣質量、氧氣濃度等,并反饋給監(jiān)測臺,發(fā)揮數(shù)據(jù)監(jiān)測的作用。

3 智能化服裝前沿技術運用

3.1虛擬技術AR/VR

虛擬技術與智能服裝的結合能增強穿戴者的沉浸式體驗。Teslasuit是全球首款集成了觸覺反饋、動作捕捉、氣候控制和生物特征反饋系統(tǒng)的智能服裝,擁有64個觸點傳感器,玩家在游戲中能夠通過震動傳感器體驗到被擊中的感受,借助動作捕捉傳感器實現(xiàn)玩家在虛擬環(huán)境下的真實感受。Dior Eyes的VR頭顯設備讓穿戴者仿佛置身于時裝秀后臺,可清晰看到模特化妝和著裝準備的場景。其屏幕像素密度達515 ppi,視角接近100°,立體音效增強了用戶視聽體驗。Tommy Hilfiger與荷蘭VR研發(fā)團隊合作推出的VR設備,使用專業(yè)鷹眼鏡頭相機全程拍攝,VR設備會自動調(diào)節(jié)最佳視角呈現(xiàn)模特的T臺表演,讓顧客能身臨其境地欣賞到服裝的動態(tài)美,提高顧客的購買欲望。

3.2 可穿戴技術

可穿戴設備與服裝的融合為人類提供更為便利的智能服務。谷歌聯(lián)合Levi’s推出了一款Project Jacquard智能夾克,利用導電紗線制成電容式觸控感測器連接織物控制器,將傳感器與服裝面料融合,利用織物來控制移動設備。2017年蘋果公司申請了3種智能織物發(fā)明專利,包括可識別觸摸手勢的觸敏紡織裝置、具有嵌入式輸入輸出設備的3D織物結構、具有嵌入式電子元件的織物。Mimo的嬰兒連體衣可通過服裝表面的感應器來監(jiān)測嬰兒的呼吸。Thomas等用紗線將由太陽能電池板和超級電容器組成的銅帶編織在一起,并嵌入到服裝中,研制出可吸收和儲存太陽能的服裝[21],這種自供電裝備解決了蓄電池體積大、不易攜帶的問題[22]。

3.3 智能面料

智能面料的開發(fā)賦予了智能服裝更多的功能性。美國華盛頓大學用其開發(fā)的新型智能面料制作成夾克衫,可儲存從安全碼到識別標簽等信息,且不需要任何機載電子設備或傳感器,實現(xiàn)無線化的互聯(lián)互通。在160 ℃下經(jīng)洗滌、干燥和熨燙后,服裝仍保留著原有數(shù)據(jù)[23]。美國馬里蘭大學研發(fā)出一種智能面料,能夠根據(jù)環(huán)境溫濕度自動調(diào)節(jié)面料溫度,這種面料的紗線中含有導電碳納米管[24],同時結合紗線自身的吸濕放濕性能,在透氣散熱的同時,也能在低溫狀態(tài)下防止熱量散失。墨子星智能科技公司自主研發(fā)出墨璽智能纖維,它將石蠟類相變材料(phase change material,PCM)制成的納米顆粒與磁性纖維一起加入紡絲材料中。該面料具有磁療、遠紅外、恒溫儲熱、抑菌除臭等特點,能夠促進血液循環(huán)、調(diào)節(jié)血壓、消除疲勞、提高機體免疫力,改善穿戴者的身體健康。瑞士Schoeller公司推出的可彈性調(diào)整溫度的智能面料,運用類似冷杉球果的薄膜原理,根據(jù)環(huán)境變化自動調(diào)整著裝的溫濕度。

3.4 人工智能AI技術

AI技術的發(fā)展給服裝制造業(yè)帶來了技術革新。韓國HANDSOME公司的“SJYP”品牌與Designovel公司聯(lián)合推出了人工智能設計的衣服。將品牌的logo和卡通形象提供給AI技術研究員并輸入Style AI系統(tǒng),系統(tǒng)根據(jù)服裝品牌及材質等信息,利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的圖像處理技術學習掌握產(chǎn)品風格,并與設計師合作進行產(chǎn)品規(guī)劃,根據(jù)設計師的要求反復修改完善設計。深蘭科技DeepVogue服飾輔助設計系統(tǒng)具有人工智能深度學習技術,設計師將自己采集到的時裝秀圖片、產(chǎn)品照片等素材導入系統(tǒng),并設置主題或關鍵詞,即可生成上千張設計圖,有效縮短了設計時間,保障了品牌內(nèi)涵的傳承統(tǒng)一。

3.5 3D打印技術

目前3D打印技術主要包括疊層制造技術、熔融沉積技術、三維打印成型技術等[25]。3D打印技術給智能服裝的研發(fā)提供了新思路,不僅降低了智能化服裝的成本且綠色環(huán)保。如3D打印材料BioFila Silk,其是一種可降解新型材料[26],這也是未來智能化能源環(huán)保產(chǎn)品的發(fā)展方向。

4 智能化服裝發(fā)展方向

智能化服裝具有學科交叉性和系統(tǒng)復雜性,需進一步完善產(chǎn)品設計理念及產(chǎn)業(yè)化模式,秉承人性化需求,將科技與服裝深度融合。在保證其個性化的基礎上,有必要加強測試方法和系統(tǒng)結構的標準化。

1) 產(chǎn)品設計人性化。未來智能服裝的研發(fā)設計要將“以人為本”的理念貫穿始終。將設計充分帶入消費者的使用場景中,產(chǎn)品應符合穿著者所進行的社會活動。對于特殊群體,還應加強需求調(diào)研并做針對性設計,以體現(xiàn)產(chǎn)品的人文關懷,更好地滿足穿著者的情感需求。產(chǎn)品的交互方式盡可能便捷與多元化,穿著者可通過手勢交互、眼球追蹤等方式使用產(chǎn)品,以提升操作體驗。將個性化定制融入產(chǎn)品設計中,打造帶有強烈個人風格標簽的服飾產(chǎn)品,增加用戶黏度。

2) 產(chǎn)品器件微型化。智能服裝所采用的器件通常體積與硬度較大,導致穿著舒適度降低。為了提高數(shù)據(jù)采集的準確性,智能服裝往往制作得較為緊身,產(chǎn)品器件緊貼人體,影響穿著者正常生活[27],因此,智能化服裝配件未來將向微型化、輕量化發(fā)展,以避免穿著異物感,同時隱蔽性更好?？沙浞掷美w維狀器件的形狀可記憶、質量輕等優(yōu)勢,將其編織成可變形彎曲、耐水透氣的紡織品,使服裝本身成為電子器件或數(shù)字化系統(tǒng)[28]。傳感器、電池、屏幕等的微型化處理也可以提升電池的續(xù)航能力,從而提升產(chǎn)品的使用效率。

3) 產(chǎn)品供應鏈的產(chǎn)業(yè)化。智能化服裝必須與新興科技交叉融合,新材料技術與電子信息技術的結合、芯片技術與人工智能技術的結合[29],不斷打通智能服裝與高新技術間的上下游產(chǎn)業(yè)鏈,降低智能化產(chǎn)品成本的同時,讓智能服裝的發(fā)展與物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)相結合,形成多維度產(chǎn)業(yè)供應鏈的發(fā)展空間。

4) 產(chǎn)品能源環(huán)保化。綠色環(huán)?？沙掷m(xù)理念迫切要求智能服裝向環(huán)境友好型產(chǎn)品發(fā)展。智能化服裝綜合了紡織品、電子元件和金屬等材料,加工工序復雜,其中印染紡織品、電子元件加工會導致資源浪費和環(huán)境污染等問題,因而在未來需更加注重對生物燃料電池、太陽能電池等環(huán)境友好型技術的研發(fā)和利用,以“減少使用、重復再用、循環(huán)再造”的思路貫穿智能服裝整個研發(fā)周期,提高資源利用率。

5 結 語

智能化服裝是未來智能產(chǎn)品發(fā)展的主流趨勢之一,同時也為服裝產(chǎn)業(yè)轉型提供了重要途徑。目前服裝企業(yè)在信息化、物聯(lián)化、智能化的布局仍處在起步,服裝行業(yè)需要充分發(fā)揮各學科的優(yōu)勢資源,加強國內(nèi)企業(yè)的自主研發(fā)能力,增強綠色環(huán)保意識,不斷完善產(chǎn)品的差別化和系統(tǒng)化,更精準地達到消費者的預期,滿足大眾的多元化、功能化需求。但是,智能化服裝的產(chǎn)業(yè)化仍存在著一些技術瓶頸,例如柔性傳感器的應用、智能面料的缺陷與用戶體驗的不足。柔性傳感器的可植性好,但傳感器供電技術不佳,電池壽命也嚴重影響其性能。柔性傳感器在保證柔軟的同時,很難具有較高的延展性與靈敏性,另外,智能面料存在不可水洗和保養(yǎng)昂貴等問題,上述技術瓶頸都會制約智能化服裝的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。