電子智能服裝概述

電子智能紡織品的概述摘要：先進(jìn)的紡織技術(shù)，計(jì)算機(jī)工程和材料科學(xué)促進(jìn)了新型功能紡織品的發(fā)展。服裝設(shè)計(jì)師把電線和光導(dǎo)纖維加入傳統(tǒng)紡織品中，使衣服可以在黑暗中發(fā)光或者發(fā)熱保暖。同時(shí)，電子工程師把導(dǎo)線和傳感器植入衣服中，用來(lái)記錄使用者的行蹤和對(duì)外界環(huán)境刺激的反應(yīng)。文章介紹了電子智能紡織品的概念及發(fā)展階段，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，并探索目前電子智能紡織品在基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)研究方面的局限性，最后對(duì)電子智能紡織品未來(lái)發(fā)展方向進(jìn)行了思考。關(guān)鍵字智能紡織品發(fā)展應(yīng)用前言進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)步、科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生活水平的提高，作為與人類密切相關(guān)的紡織品已不僅僅只具有御寒、保暖和視覺(jué)美觀的功能，人們對(duì)紡織品的功能性、智能性有了更高的要求。紡織品正朝著多功能化、智能化、電子化方向發(fā)展，同時(shí)也擴(kuò)大了電子信息技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，智能紡織品則是紡織領(lǐng)域和紡織品設(shè)計(jì)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。電子智能紡織品作為智能紡織品的一種，是電子技術(shù)與現(xiàn)代紡織技術(shù)融合的新型智能紡織品［1］。近幾年來(lái)，國(guó)外許多紡織研發(fā)機(jī)構(gòu)開(kāi)始致力于電子信息智能紡織品的研發(fā)，美國(guó)、日本、歐洲和比利時(shí)等一些國(guó)家在這方面的研究已處于領(lǐng)先地位，他們現(xiàn)已開(kāi)發(fā)的大多電子信息智能紡織品，將柔性電子元件植入紡織品內(nèi)部，傳感器、柔性紡織開(kāi)關(guān)、柔性電子線路板、導(dǎo)電紗線等與紡織品融為一體。然而，電子智能紡織品目前基本停留在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，電子智能紡織品的理論研究也尚未形成體系。探索電子智能紡織品在基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)研究方面的局限性，最終提出電子智能服裝的發(fā)展方向，其研究結(jié)果對(duì)今后的理論研究或產(chǎn)品開(kāi)發(fā)起到重要作用［2］。電子智能紡織品的概念及發(fā)展階段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)程輸手段作進(jìn)一步處理［3］。1.2電子智能紡織品的發(fā)展階段最早的電子智能紡織品采用的是傳統(tǒng)的面料和一些普通的電子元件，如傳感器、電阻、二極管、芯片等通過(guò)對(duì)面料和服裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)把電子元件附加在紡織品或服裝上。1997年，飛利浦公司和Levi公司成功地創(chuàng)造出世界上第一套可穿戴電子智能服裝，此套智能服裝包含了娛樂(lè)（諸如音樂(lè)）以及通信（諸如移動(dòng)電話）的功能，但這套服裝不可以折疊、也不可以洗滌。此外，在制作上基本只能以手工操作的方式進(jìn)行，不便于大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)，導(dǎo)致這類服裝成本高昂。由于傳統(tǒng)的電子元件如剛性印刷電路植入服裝內(nèi)會(huì)造成不舒適感，電路不能隨著織物一起變形。另外，在不移除電子元件的情況下也無(wú)法方便地對(duì)衣物進(jìn)行清潔。因此近年來(lái)科學(xué)家嘗試將電路植入織物中，使其能像織物一樣產(chǎn)生形變，甚至可清洗，這樣也具備了很高的集成度。隨之，電子智能紡織品的發(fā)展邁向了第二個(gè)階段。把傳感器、處理器、存儲(chǔ)器等電子元件微化，將其與纖維結(jié)合，制作成特種纖維，如導(dǎo)電纖維等，再用這些特種纖維編織成面料，制作成服裝。通過(guò)這種方式做成的服裝，根據(jù)使用目的的不同，可以在纖維中加入不同的電子元件，從而使服裝具有了不同的功能。把具有傳導(dǎo)性的光纖與一般纖維交織，變成了具有感應(yīng)裝置的布料，通過(guò)這種方法可制成輕柔型感應(yīng)裝置或開(kāi)關(guān)，服裝的可穿性就大大提高。2002年，德國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備制造商InfineonTechnologies公司在日本發(fā)布了可穿戴的“MP3播放夾克”。這種MP3播放夾克采用了可穿戴電子技術(shù)，將微電子芯片植入衣服纖維之中。2005年，德國(guó)半導(dǎo)體設(shè)備制造商InfineonTechnologies公司改進(jìn)了“MP3外衣”設(shè)計(jì)，MP3外套的左手前臂袖子多了一排“紡織鍵盤(pán)”，由電線連接的導(dǎo)電織品做成［4。2010年，英國(guó)Eleksen與Spyder公司一起開(kāi)始銷售帶有ElekTex電子織物嵌人物的運(yùn)動(dòng)服，ElekTex保持了傳統(tǒng)織物的性能，例如材料可以揉軟、扭折和擦洗。普通的導(dǎo)電材料與服裝材料織成的電子智能織品磨損很快，易脆，穿在身上不舒服。因此ProeTEX項(xiàng)目以創(chuàng)新的方式把自然纖維和納米技術(shù)生產(chǎn)的纖維結(jié)合在一起，制成的服裝柔軟且電流傳導(dǎo)率大大提高。雖然目前傳導(dǎo)性纖維、納米技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)使電子智能紡織品在紡織品的質(zhì)地、外觀以及穿著舒適性有了大幅度的提高，但是在電子智能紡織品成為電子產(chǎn)品與服裝領(lǐng)域的消費(fèi)主流之前，仍需克服很多問(wèn)題，如靈活性、使用壽命、可洗性與穩(wěn)定性，而成本也是重要的因素之一［5。］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。2．1醫(yī)用電子智能紡織品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，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；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，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VivoMetrics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)，如下圖（1），極大地提高了人們對(duì)疾病的監(jiān)測(cè)［6］。1KMiHlWHSdl4-WVT圖1智能服裝（預(yù)防老人跌倒）2?2娛樂(lè)用電子智能紡織品Sunwoo等人利用FSB技術(shù)成功研究出了一種智能連帽外套，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/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)隨著周圍環(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)。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)體育用電子能紡織品的研究也逐漸增多。ShirleyCoyle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，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。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。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)了解周圍情況及時(shí)安排救援；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)軍用車輛及坦克移動(dòng)的偵查。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。我國(guó)對(duì)智能作戰(zhàn)服也進(jìn)行了深入研究，如在作戰(zhàn)服中嵌生化傳感器用以監(jiān)測(cè)士兵的心率、血壓和體表溫度等生命體征，甚至可通過(guò)嵌入超微感應(yīng)器辨別傷者體表的出血部位，并在作戰(zhàn)服中植入微電腦，結(jié)合遠(yuǎn)程控制技術(shù)使該部位周圍的軍服收縮，起到止血的功能；智能降落傘在跳傘士兵失去控制能力時(shí)能夠自動(dòng)打開(kāi)，并根據(jù)所檢測(cè)到的空中和地面具體情況改變飛行方向和速度等等。近日，歐洲航天局(ESA)與丹麥智能紡織品專業(yè)開(kāi)發(fā)商O(píng)hmatex公司簽署了一份協(xié)議，將共同開(kāi)發(fā)和測(cè)試一種智能襪子裝置，以描繪大腿肌肉的代謝活動(dòng)。該項(xiàng)目旨在開(kāi)發(fā)一種特殊的襪子，即將近紅外傳感器和基于紡織品的EMG(肌電)電極進(jìn)行集成，EMG傳感器可通過(guò)織襪機(jī)或針織橫機(jī)與襪子進(jìn)行結(jié)合，而近紅外傳感器NTE可能被塑于襪子上。Ohmatex公司將利用其豐富的紡織傳感器開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)評(píng)估找出最佳的開(kāi)發(fā)方案。如果開(kāi)發(fā)成功，將有助于監(jiān)測(cè)和維護(hù)執(zhí)行探月等航天任務(wù)的航天飛行員的健康，減少其肌肉受損的可能［8］。電子智能紡織品的局限性電子智能紡織品要投入到大規(guī)模生產(chǎn)中，仍需解決許多技術(shù)難題，需要在以下方面重點(diǎn)突破。需制定出統(tǒng)一而又為學(xué)術(shù)界公認(rèn)的電子智能智能紡織品定義和劃分標(biāo)準(zhǔn)。電子智能服裝發(fā)展仍需在其靈活性、使用壽命、可洗性與穩(wěn)定性、成本等方面增強(qiáng)科技力量研究，這也是其產(chǎn)業(yè)化和市場(chǎng)接受程度高低的關(guān)鍵所在。電子元件和紡織品的連接技術(shù)仍是難點(diǎn)。目前國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)的電子智能紡織品在人體穿著或工程應(yīng)用方面離傳統(tǒng)紡織品還有一定的差距，包括舒適性能、美學(xué)性能、質(zhì)地等。今后的研究應(yīng)在織造理論學(xué)和電子元件組裝技術(shù)上突破，將兩種產(chǎn)品有機(jī)融合，使得電子智能紡織品更加滿足人們的需求。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)傳人電腦軟件顯示結(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。除了軍事和醫(yī)學(xué)等少數(shù)領(lǐng)域，智能服裝要進(jìn)入尋常百姓家，需要通過(guò)規(guī)?；a(chǎn)降低價(jià)格。也只有不斷采用新材料、新工藝批量生產(chǎn)，智能紡織品制成的智能服裝才真正具有市場(chǎng)價(jià)值，智能服裝才能實(shí)現(xiàn)普遍化和大眾化。結(jié)語(yǔ)從前面的介紹來(lái)看，國(guó)內(nèi)外許多紡織研發(fā)機(jī)構(gòu)致力研發(fā)的電子信息智能紡織品，無(wú)非是將柔性電子元件植入紡織品內(nèi)部，只不過(guò)是將非紡織材料的電子傳感器、柔性電子開(kāi)關(guān)、柔性電子線路板、電線與紡織品融為一體，從此看來(lái)以前智能型紡織品的研究，只不過(guò)是研究與采用先進(jìn)的高科技的插拔技術(shù)或是電子器件與傳統(tǒng)紡織品的融合技術(shù)，這種智能紡織品在人體的穿著或是工程應(yīng)用中跟傳統(tǒng)的紡織品在某些方面還是有一定的差距，如舒適性、外觀、質(zhì)地等。隨著國(guó)內(nèi)外許多的采用融合技術(shù)的智能紡織品的研制成功，將來(lái)智能紡織品的研究以及發(fā)展方向，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，這樣就使得智能紡織品不只在功能性能上滿足人們的要求，同時(shí)還可以在紡織品的質(zhì)地以及外觀等以及其它的紡織品的穿著舒適性也能夠滿足人們的要求。如紡織計(jì)算機(jī)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)與研制，指一種根據(jù)織造學(xué)理論參照織物的結(jié)構(gòu)，按照生物化學(xué)方式，應(yīng)用模擬傳統(tǒng)紡織品中紗線以及纖維的物理現(xiàn)象設(shè)計(jì)制造的元器件而組裝的紡織計(jì)算機(jī)。智能紡織品的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)使人們看到了紡織工業(yè)的希望和未來(lái)，同時(shí)也看到了其他電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊、生物醫(yī)療等在紡織行業(yè)的重要應(yīng)用以及重要體現(xiàn)。環(huán)保、生態(tài)、智能化、數(shù)字化是21世紀(jì)全球紡織品研究的必然趨勢(shì)，隨著科技應(yīng)用范同的擴(kuò)大，由此引發(fā)新的科技商機(jī)產(chǎn)生則更能激發(fā)企業(yè)的想像力，科技與時(shí)尚更加融洽的結(jié)合起來(lái)。參考文獻(xiàn)[1]張?jiān)埔荨Ｖ悄芾w維的生產(chǎn)及其發(fā)展前景[J].山東紡織科技，2010,51(2)：44-46.⑵黃雅婷。新型電子智能紡織品[J].印染，2011,(11)：50-52.[3]王運(yùn)利，劉奪奎，張瑩。智能紡織品及其在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].染整技術(shù)，2008,(1)：10-14.[4]JanMeyer,BertAr