胡鋮燁,洪劍寒,2,繆宏超,2,Ignacio Gil

(1.紹興文理學(xué)院紡織服裝學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.浙江省清潔染整技術(shù)研究重點實驗室，浙江 紹興 312000；3.西班牙加泰羅尼亞理工大學(xué)，巴塞羅那 特拉薩 08222)

基于快速變化的全球需求和技術(shù)進步，紡織品響應(yīng)功能的發(fā)展推動了智能紡織品的出現(xiàn)。智能紡織品定義為能夠根據(jù)熱、力、光、電、磁或其他基礎(chǔ)條件對環(huán)境或刺激進行感覺并產(chǎn)生反應(yīng)的材料。智能紡織品總體分為兩大類，即被動智能紡織品和主動智能紡織品。前者可以根據(jù)環(huán)境刺激來改變自身的狀態(tài)，而后者則配備了傳感器和執(zhí)行器，可以主動地從環(huán)境中檢測多個信號，然后給出正確的響應(yīng)[1]。隨著科技的發(fā)展和世界范圍內(nèi)的數(shù)字化，服裝開始通過與電子的結(jié)合成為一種新型的高科技產(chǎn)品。電子信息智能紡織品是一種新興的產(chǎn)品，需要一種跨越傳統(tǒng)工業(yè)邊界的設(shè)計方法。這個具有挑戰(zhàn)性的跨學(xué)科研究領(lǐng)域匯集了信息技術(shù)、微系統(tǒng)和紡織品方面的專家，以便在發(fā)展中取得可穿戴監(jiān)測、計算系統(tǒng)和無線通信應(yīng)用的突破[2]。本文就電子信息智能紡織品的概念、發(fā)展以及應(yīng)用進行綜述，并對電子信息智能紡織品的未來進行了展望。

1 電子信息智能紡織品的內(nèi)涵

1.1 電子信息智能紡織品的概念

電子信息智能紡織品也被稱e-紡織品，是智能紡織品中較為特殊的一類。電子信息智能紡織品是將柔性微電子元件與紡織品結(jié)合為一體，使傳感器能感知外界環(huán)境的變化，通過電子信息處理器對信息進行處理并發(fā)出指令，再通過驅(qū)動器改變材料的狀態(tài)，如顏色、形狀、溫度等，從而達到對外界環(huán)境的適應(yīng)。整個過程中，電子信息智能紡織品做到了自我診斷、自我調(diào)節(jié)和自我修復(fù)的功能[3]。電子信息智能紡織品的主要研究領(lǐng)域是電子工業(yè)、通信系統(tǒng)、軍事應(yīng)用、娛樂和保健行業(yè)。

1.2 電子信息智能紡織品發(fā)展階段

電子信息紡織品的發(fā)展并不是很長，是在滿足日常服用基礎(chǔ)上，伴隨著電子器件和新材料的發(fā)展而產(chǎn)生的。電子信息智能紡織品起源于20世紀(jì)70年代，至今大致經(jīng)歷了兩個階段的發(fā)展[4]。早期的電子智能紡織品是采用一些手工的方法，將電子元件縫制在服裝上。第一款可穿戴的電子信息智能服裝由飛利浦公司研發(fā)制作，這套服裝包含了娛樂和通訊功能，但存在不可折疊、不可洗滌的缺陷，且由于是手工制造，不適合大規(guī)模的生產(chǎn)。伴隨著紡織技術(shù)的提升、紡織材料的發(fā)展，電子信息智能紡織品進入了第二個發(fā)展階段。該階段將傳統(tǒng)的織物織造技術(shù)與新一代材料相結(jié)合，創(chuàng)造出可穿戴技術(shù)的智能織物，在電子信息智能紡織品的生產(chǎn)過程中，既可以選擇導(dǎo)電紗線來織造，也可以采用表面涂層、印刷等方法將電子器件植入織物中，通過這些方法得到的織物可以產(chǎn)生形變，部分還可以清洗[5]。

2 電子信息智能紡織品的應(yīng)用

2.1 時裝領(lǐng)域

早期的電子信息智能紡織品主要應(yīng)用于時裝展覽中，通過將電子元件與服裝的結(jié)合，使得服裝能夠達到所需的效果。例如，通過直接在服裝上植入鍵盤、音樂合成器、電池等元件，使穿戴者通過服裝可以播放、演奏音樂[6]；由美國設(shè)計師Elise設(shè)計的發(fā)光雨衣，能夠在下雨天穿戴時發(fā)光。其原理在于雨衣表面安裝了許多能感應(yīng)雨水的傳感器，這些傳感器與雨衣內(nèi)部的電致發(fā)光材料相連接，因此當(dāng)雨滴落于雨衣表面時，其對應(yīng)的發(fā)光材料就會產(chǎn)生響應(yīng)，發(fā)出光亮[7]。

光纖器件的操作方便、連接簡單、與人體具有良好的生物相容性等特點，受到了很多研究者的關(guān)注。通過將光纖集成到合適的紡織結(jié)構(gòu)中，可以在可穿戴設(shè)備的任何部分實現(xiàn)光的傳輸或發(fā)射，也就是說，光纖技術(shù)可以通過可穿戴方式到達人體的任何部位。這使得光纖成為嵌入紡織結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的理想材料[8]。利用光纖的側(cè)向光發(fā)射原理，已經(jīng)開發(fā)出許多具有吸引力和變化色彩的可穿戴產(chǎn)品。深圳時尚發(fā)光科技有限公司已商業(yè)化這種光纖照明技術(shù)，制作了一系列的可穿戴的服裝(如夾克、裙子和褲子)和附件(如口罩、帽子、領(lǐng)帶)，如圖1所示。韓國Se-yang紡織品公司也已開發(fā)了一款類似的產(chǎn)品，它可以在不同的運動和照明水平下顯示不同的圖案。通過將微穿孔處發(fā)射光的原始顏色與添加的輻照引導(dǎo)光或反射環(huán)境光的顏色混合，可以改變設(shè)計的發(fā)光光纖織物的顏色。

圖1 可穿戴式光纖照明技術(shù)

2.2 健康監(jiān)測領(lǐng)域

電子信息智能紡織品的一大應(yīng)用領(lǐng)域是醫(yī)療監(jiān)測領(lǐng)域。通過在紡織品中電子元件的植入，導(dǎo)電纖維、導(dǎo)電聚合物涂層、印刷等形式的使用，能夠?qū)崿F(xiàn)實時監(jiān)測人體體征，并起到一定的治療作用，而不用去醫(yī)院或者其他特定地點進行身體的檢測和治療。Wu等人[9]將導(dǎo)電聚合物聚吡咯涂在萊卡織物表面，從而制備了一款智能護膝套。它可以通過發(fā)出聲音向穿戴者提供反饋。護膝套作為電路中的動態(tài)電子元件，當(dāng)涂層織物被拉伸時，織物電阻的變化導(dǎo)致電路輸出的變化，因此根據(jù)涂層織物的應(yīng)變會發(fā)出不同的聲音，可以用來監(jiān)測人體的運動。Abro等人[10-11]開發(fā)了一種新的柔性智能服裝，通過在不同關(guān)節(jié)位置拼接柔性傳感器來感知靜態(tài)和運動中的關(guān)節(jié)彎曲角度。采用伸縮傳感器可以靈活地接觸穿戴者的皮膚，且可以通過腕部、肘部和膝關(guān)節(jié)的不同彎曲角度進行校準(zhǔn)。實驗結(jié)果表明，在一定時間內(nèi)連續(xù)測量人體關(guān)節(jié)變形，不會給穿戴者帶來不適，在骨骼損傷監(jiān)測系統(tǒng)中具有可穿戴性和便攜性。Esfahani等人[12]開發(fā)并評估了一種新型智能汗衫，它被設(shè)計用來監(jiān)測下背部和肩部的運動。這套傳感器由可拉伸汗衫、電子元件和11個印在衣服上的人體傳感器組成。這種汗衫是第一款使用紡織印花傳感器來追蹤下背部和肩部運動的智能服裝，其主要目的是用于康復(fù)者運動的監(jiān)測。

對于普通人而言，常規(guī)理療的費用較高，為了降低成本，可使用高質(zhì)量的醫(yī)療器械來治療疼痛。由于膝關(guān)節(jié)疼痛是最常見的疼痛之一，利用電子設(shè)備進行物理療法治療膝關(guān)節(jié)疼痛的概念已經(jīng)實現(xiàn)。一種基于紡織品的可穿戴電子紡織品，其電極部分由紡織層、導(dǎo)電層和電極層三層功能層構(gòu)成，可提供干擾法治療膝關(guān)節(jié)疼痛，使用該電子紡織品后疼痛明顯減輕，且沒有任何副作用。Priya等人[13]同樣制備了一款治療膝關(guān)節(jié)疼痛的可穿戴智能紡織品，該紡織品類似于普通的護膝，但具有集成振動、交替加熱和冷卻系統(tǒng)，患者可以選擇膝關(guān)節(jié)中需要施加壓力的預(yù)定義區(qū)域，通過智能手機控制，無線連接到護膝。

2.3 體育運動領(lǐng)域

除了在醫(yī)療監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用外，電子信息智能紡織品在體育運動領(lǐng)域也有一定的研究與應(yīng)用。Park等人[14]設(shè)計了一款智能運動服，在原型服裝的腰部插入了一個應(yīng)變儀，如圖2所示。該服裝由棉/氨綸針織面料制成，經(jīng)過納米銀和氟硅烷處理，具有抗菌和自清潔效果。采用空氣注入的方法模擬了腰圍的變化，同時測量了電子應(yīng)變片的電阻。衣服上安裝了萬用表來檢測和監(jiān)測運動的大小、方向和速度。Lin[15]研究設(shè)計并開發(fā)了一種基于智能服裝的智能運動引導(dǎo)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由三個模塊組成：前端心電信號傳感裝置、中端運動控制應(yīng)用程序和后端云服務(wù)器。普通布料嵌入傳感器和導(dǎo)電纖維組成了心電圖傳感組件。除此之外，作者還設(shè)計了一種由松緊帶和尼龍搭扣帶組成的張力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)心電信號傳感元件與皮膚之間的接觸張力，同時還設(shè)置了音樂節(jié)拍，被用來指導(dǎo)鍛煉。這款多功能智能服裝能夠幫助穿戴者進行有效、健康的運動。Belbasis等人[16]設(shè)計了一款智能壓縮服裝(SCG)，能夠有效評估運動者的肌肉運動和肢體定位。用于測試的SCG包含5個傳感器，能夠通過基于標(biāo)記的視頻分析來確定膝關(guān)節(jié)屈曲角度，從而測量下肢關(guān)鍵肌肉群上方的織物與皮膚之間的壓力。

圖2 智能運動服

2.4 特殊防護服領(lǐng)域

防護服裝是為了保護穿戴者免受惡劣環(huán)境和各種可能導(dǎo)致傷害或死亡的威脅。根據(jù)其最終用途，防護服裝可以具有一種或多種功能特性，如防水、阻燃、防彈、防冷熱天氣、耐化學(xué)品等。除了這些保護特性外，一些功能性服裝還具有電子功能，可用于娛樂、醫(yī)療、安全和通信。

2.4.1 消防智能服

救援人員和消防員是在艱苦條件下工作的專業(yè)人員，在工作時，他們的判斷可能會受到體力、溫度、壓力的影響。因此，了解和評估消防人員所處的情況，對行動指揮部做出行動執(zhí)行的決策至關(guān)重要。歐洲的一項PROETEX項目，為消防員和救援人員開發(fā)智能服裝，幫助他們和他們的總部了解在危險領(lǐng)域的緊急救援人員的位置、能力和遇到的風(fēng)險[17]。PROETEX項目開發(fā)的服裝包括了一件T恤，可以通過傳感器評估穿戴者的心電圖、呼吸情況、脫水情況等。主體服裝由主電子系統(tǒng)組成，是人體網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)。這個網(wǎng)絡(luò)將不同的傳感器連接在一起，包括一個用于在戶外情況下確定位置的全球定位系統(tǒng)(GPS)模塊；幾個用于活動和姿態(tài)確定的三軸加速度計；用于監(jiān)測消防員環(huán)境的傳感器，包括一個溫度傳感器、一個熱流傳感器和一個氣體傳感器。該網(wǎng)絡(luò)通過紡織天線與藍牙通信模塊連接到遠程通信模塊。該網(wǎng)絡(luò)還包括可以被該系統(tǒng)激活的警報，即當(dāng)檢測到特定危險情況時向消防員發(fā)出警報。

2.4.2 航海智能服

Kara等人[18]開發(fā)了一套電子系統(tǒng)，并將其集成到航海服中，以提供航海服的功能特性，航海服如圖3所示。該電子系統(tǒng)被設(shè)計用來探測船上的船員，并在船員落水時發(fā)出警報信息。為此，系統(tǒng)采用了微控制器、藍牙模塊、GPS模塊、全球移動通信系統(tǒng)模塊和屏幕。此外，還在系統(tǒng)設(shè)計中加入了心率傳感器和溫度傳感器，以獲得船員的心率值，并提供有關(guān)周圍環(huán)境溫度的信息。在不影響原航海服的防水性能、重量和外觀的前提下，該功能服裝系統(tǒng)的應(yīng)用有望加快救援行動，提高效率，保障船員的安全。

圖3 智能航海服

3 結(jié)語

智能紡織品是紡織領(lǐng)域的一次重大突破，智能紡織品的涵蓋范圍不僅僅局限于可穿戴的紡織品，隨著紡織材料的不斷創(chuàng)新、不同學(xué)科的交叉融合，智能紡織品是多方向融合的一種發(fā)展趨勢。雖然智能紡織品有許多的優(yōu)點，但還存在不足，就電子信息智能紡織品而言，存在水洗性、穿著舒適性、傳導(dǎo)性能差等問題，其中最重要的問題是綠色安全性，當(dāng)這些智能材料應(yīng)用于紡織品上時，有些與皮膚直接接觸，則特別需要重視對人體是否有危害?？傮w而言，智能紡織品有很大的發(fā)展?jié)撃?，電子信息智能紡織品的研究與應(yīng)用將為人們的生活提供便利，也將為傳統(tǒng)服裝帶來創(chuàng)新發(fā)展。