劉 宇 ，李林青，韓 琦，鄭開心

（1.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院纖維檢驗(yàn)所，上海200040;2.上海交通大學(xué)中國城市治理研究院，上海200030）

0 引言

近年來，將傳感、通信、人工智能等高科技手段應(yīng)用于紡織技術(shù)上而開發(fā)出的新型紡織品備受關(guān)注。電子元件的嵌入在為紡織品賦予新功能的同時(shí)，也給人們的健康和研究帶來了潛在的安全隱患和新的研究挑戰(zhàn)。如何對市場中的智能紡織品進(jìn)行準(zhǔn)確測試與評價(jià)已經(jīng)成為相關(guān)監(jiān)督部門和檢測機(jī)構(gòu)迫切需要解決的問題。2019年5月，美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）發(fā)布了ASTM D8248-191《智能紡織品標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語》標(biāo)準(zhǔn)。此標(biāo)準(zhǔn)界定了與智能紡織品、技術(shù)紡織品、電子紡織品和可穿戴電子產(chǎn)品（包括纖維、紗線和最終產(chǎn)品）相關(guān)的術(shù)語。目前，紡織行業(yè)面臨的首要任務(wù)是建立用于規(guī)范電子智能紡織品質(zhì)量的產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，對智能紡織品應(yīng)用的測試方法、量化指標(biāo)、評估安全要求，以及確定其在銷售和市場開發(fā)時(shí)所用的智能紡織品標(biāo)識進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定。本文從服用性與功能性兩個(gè)方面闡述了電子智能紡織品的評價(jià)方法，為建立完善的評價(jià)體系提供思路，對今后電子智能紡織品的開發(fā)具有重要的意義。

1 電子智能紡織品的研究進(jìn)展

電子智能紡織品將各種電子元件如傳感器[1-2]、能量收集裝置[3]、場效應(yīng)晶體管[4-5]和傳輸線[6]集成到織物中以實(shí)現(xiàn)紡織品的功能化。隨著可與紡織品整合的柔性可穿戴設(shè)備（如柔性傳感器、傳輸線、電子開關(guān)等）的飛速發(fā)展，新型電子智能紡織品的研發(fā)備受業(yè)界關(guān)注[7-8]，特別是基于紡織材料的壓力傳感器，由于其可集成在衣服和床品上，現(xiàn)已在不同領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，如照顧老年人[8]、診斷病情[9-10]、人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測[11]等。

近年來，電子智能紡織品領(lǐng)域的市場發(fā)展勢頭迅猛，例如：著名內(nèi)衣品牌Victoria’s Secret推出了可實(shí)施檢查佩戴者心跳的運(yùn)動(dòng)文胸；美國Sensoria公司開發(fā)的足部傳感器可以監(jiān)測運(yùn)動(dòng)信號；奧地利Urban Tool公司的襯衣具有智能織物觸摸板，用于控制音樂播放器；Ambiotex、OM Signal、Under Armour等公司也均在市場上推出了可以采集人體體征信號的襯衫、胸帶和內(nèi)衣。

因此，隨著電子智能紡織品領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，對其評估方法的建立已成為檢測領(lǐng)域新的挑戰(zhàn)。電子智能紡織品除了擁有傳統(tǒng)紡織品可穿戴的特性，還可以對環(huán)境的變化和外界的刺激產(chǎn)生響應(yīng)，進(jìn)行信號輸出以觸發(fā)其功能性，因而急需要開發(fā)出新的評估體系以適應(yīng)產(chǎn)品的發(fā)展需求。

2 電子智能紡織品的組成及評價(jià)方法

2.1 電子智能紡織品的組成

電子智能紡織品可分為硬件和軟件兩個(gè)部分。其中，硬件部分指紡織品本身或是紡織品上已裝配的硬件傳感器、數(shù)字設(shè)備、芯片和配件等；軟件部分是指使智能服裝發(fā)揮作用的軟件協(xié)議或系統(tǒng)程序。

一般電子智能紡織品是通過導(dǎo)電紗線或柔性電路把包括控制器、傳感器、分析器、電池等各個(gè)部分連接起來形成回路，從而達(dá)到傳感、控制和執(zhí)行等功能為準(zhǔn)確建立電子智能紡織品的評估體系，結(jié)合市售產(chǎn)品和國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，本項(xiàng)目收集并歸納了幾種典型電子智能紡織品的組成，詳見表1。

表1 電子智能紡織品的組成

2.2 電子智能紡織品的評價(jià)方法

一般對電子智能紡織品的性能評價(jià)可分為服用性和功能性兩部分進(jìn)行。其中：對服用性能部分的評價(jià)包括對服裝的相容性、耐久性、材料等方面的評價(jià)；對功能性的評價(jià)包括與功能性相關(guān)的電氣∕電子性能和智能性能的評價(jià)。

2.2.1 電子智能紡織品的服用性能評價(jià)方法

電子智能紡織品應(yīng)具有基本的服用性能，如尺寸變化、外觀變化和重金屬檢測等（見表2），其檢測方法可參考現(xiàn)行紡織品相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)和ISO標(biāo)準(zhǔn)。由于電子智能紡織品的信號感應(yīng)和傳輸元件依附于紡織基材，因而對其洗滌性能或尺寸變化的評價(jià)是至關(guān)重要的，這也是與傳統(tǒng)紡織品相比存在的最大差異。因電子智能紡織品常直接接觸人體皮膚，以便監(jiān)測人體體征信號，因而應(yīng)符合國家紡織產(chǎn)品基本安全技術(shù)規(guī)范要求，且應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注產(chǎn)品中重金屬的含量。若紡織品上嵌入了電子元件，如傳感器、微處理器等，在對織物的撕破強(qiáng)度測試時(shí)，應(yīng)對嵌入?yún)^(qū)域的接縫部位重點(diǎn)關(guān)注。此外，織物鍵盤、織物心電測試電極等在使用過程中經(jīng)常彎折，故其彎折強(qiáng)度也應(yīng)作為重點(diǎn)檢測項(xiàng)目。

表2 電子智能紡織品服用性能評價(jià)項(xiàng)目

2.2.2 電子智能紡織品的功能性評價(jià)方法

2.2.2.1 電子智能紡織品電氣/電子性能

電子智能紡織品額定輸入電壓較低，一般不大于12 V，屬于特低安全電壓的范疇，由于此類產(chǎn)品使用時(shí)直接穿戴在人體上，其電學(xué)安全性是首要的考核內(nèi)容。電子智能紡織品裝備的電子元件應(yīng)滿足相應(yīng)電子電器的安全標(biāo)準(zhǔn)（見表3），對于內(nèi)部含有電線的織物，檢測時(shí)也必須符合電線評估標(biāo)準(zhǔn)。

表3 電子智能紡織品電氣/電子性能評價(jià)項(xiàng)目應(yīng)符合的標(biāo)準(zhǔn)

2.2.2.2 電子智能紡織品智能性能

電子智能紡織品的智能性能主要體現(xiàn)在體征信號監(jiān)控、肢體運(yùn)動(dòng)檢測、織物鍵盤、智能控溫和能量收集等6個(gè)方面。

（1）體征信號監(jiān)控 織物電極兼具透氣透濕、舒適、可與皮膚曲面貼合的特性，常用于人體長期生理信號的采集與監(jiān)測過程。由于該類產(chǎn)品對輸出信號的容錯(cuò)率極低，因此人體體征信號監(jiān)控服裝在進(jìn)入市場前及在使用過程中應(yīng)定期對其監(jiān)控性能進(jìn)行測試，對應(yīng)需要建立的評估方法應(yīng)包括：①皮膚—織物電極的阻抗關(guān)系的評估[12]；②感應(yīng)系統(tǒng)輸出信號可靠性、穩(wěn)定性和正確性的評估（參考JJG1041—2008《數(shù)字心電圖機(jī)檢定規(guī)程》）；③長期使用舒適性的評價(jià)。

（2）肢體運(yùn)動(dòng)檢測 將導(dǎo)電織物制備為柔性傳感器袖管或褲管，可檢測人體肢體的運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)電織物作為應(yīng)變傳感器，是根據(jù)其電阻與應(yīng)變的關(guān)系，將應(yīng)變轉(zhuǎn)化為電信號來表征所受拉力，進(jìn)而表征肢體的運(yùn)動(dòng)。柔性導(dǎo)電織物傳感器傳感性能的優(yōu)劣評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)主要取決于靈敏度、線性度、穩(wěn)定性等[13]。除此之外，由于應(yīng)用時(shí)導(dǎo)電織物兩端加載電壓，在導(dǎo)電織物形變過程中導(dǎo)電紗線之間會(huì)產(chǎn)生位移，使導(dǎo)電織物產(chǎn)生電感或者電容效應(yīng)，對其應(yīng)用的感應(yīng)信號產(chǎn)生干擾，因而可通過監(jiān)控導(dǎo)電織物在形變過程中的阻抗變化來評估其應(yīng)用過程中的干擾信號[14]。

（3）織物鍵盤 織物鍵盤由導(dǎo)電紗線和絕緣紗線共同織造而成,通過按鍵開關(guān)可控制電路的接通斷開。穩(wěn)定性和疲勞壽命是衡量柔性織物鍵盤開關(guān)的一個(gè)重要因素，評估方法可參考GB 16915.1─2014《家用和類似用途固定式電氣裝置的開關(guān)第1部分：通用要求》（等同于IEC 60669-1∶2017）、GB 15092.1─2010《器具開關(guān)第1部分：通用要求》（等同于IEC 61058-1∶2008）等標(biāo)準(zhǔn)中用于檢測家用和類似用途開關(guān)器具產(chǎn)品機(jī)械壽命的試驗(yàn)。

（4）智能控溫 電加熱服裝是利用電能驅(qū)動(dòng)衣服內(nèi)的電熱元件進(jìn)行工作的，對其發(fā)熱性能評估方法可參考ISO 13732-1∶2006《熱環(huán)境的人類工效學(xué)人對表面接觸的反應(yīng)的評定方法第1部分：制熱表面》和GB 4706.8─2008《家用和類似用途電器的安全電熱毯電熱墊及類似柔性發(fā)熱器具的特殊要求》中關(guān)于電熱毯和電熱褥表面溫度及電熱元件升溫的項(xiàng)目進(jìn)行評估。保溫率測試參照GB∕T 11048─2018《紡織品生理舒適性穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定》方法進(jìn)行。

（5）能量收集 電子智能紡織品的能量收集主要為壓電能量收集、摩擦能量收集和光伏能量收集3種方式。Qiyao Huang等[15]通過對儲能能力（單位長度、面積和體積的電容∕容量）、能量密度與功率密度和設(shè)備壽命3個(gè)方面評價(jià)能量收集類電子智能紡織品的性能，并建立測試方法，為相關(guān)產(chǎn)品的檢測提供了借鑒。

3 結(jié)論與展望

（1）電子智能紡織品是紡織、服裝和電子產(chǎn)業(yè)的融合產(chǎn)物，為人們?nèi)粘Ｉ钐峁┍憷耐瑫r(shí)，也帶來不可估量的機(jī)遇和經(jīng)濟(jì)效益?，F(xiàn)階段業(yè)界主要關(guān)注電子智能紡織品在性能和應(yīng)用程序的研發(fā)階段，下一階段則是建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系，以及擴(kuò)大市場規(guī)模，但這需要不同行業(yè)、不同城市間產(chǎn)學(xué)研等部門間的通力合作。

（2）從服用性能與功能性兩個(gè)方面闡述的電子智能紡織品的評價(jià)方法可作為科研單位和企業(yè)對電子智能紡織品質(zhì)量控制的參考，同時(shí)也可為電子智能紡織品行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國家標(biāo)準(zhǔn)的制訂提供有益的思路，促進(jìn)此類涉及多學(xué)科領(lǐng)域產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的制訂，盡早彌補(bǔ)該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)空白。