劉成揚

(廣東省紡織品進出口股份有限公司 業(yè)務運營支持中心，廣東 廣州 510045)

隨著材料科學、傳感技術、通信技術等關鍵領域的不斷發(fā)展，種類豐富、功能多樣的智能可穿戴設備大規(guī)模進入了人們的視野。智能可穿戴技術可用于醫(yī)療監(jiān)護、運動健身、休閑娛樂、軍事工業(yè)等領域，具有廣泛的應用前景[1-2]。但是，智能可穿戴設備中的傳感器、電源、電路板、電極、無線傳輸設備等智能可穿戴器件大多是基于硬件模塊設計生產的，并且器件的尺寸較大、硬度較高，影響了其舒適性和便攜性。此外，目前基于硬件的智能可穿戴設備還存在功能不夠完善、操作不夠簡便、智能化程度不夠高、制造成本較高等局限，實用性和用戶體驗較差[3]。因此，基于柔性器件的智能可穿戴設備的研發(fā)逐漸受到研究者的重視。隨著智能器件向柔性化、微型化快速發(fā)展，智能可穿戴設備中基于硬件模塊的器件逐漸被柔性器件所替代，器件的體積和厚度也在不斷減小。

智能器件在向柔性化、微型化發(fā)展的同時，也需要一個理想的載體。服裝是人們日常生活必備的用品，天然具有柔軟、可變形的特性。因此，將服裝與智能可穿戴器件結合起來，便成為一種很自然的選擇，智能服裝應運而生。而在智能服裝中，智能運動服裝是其中應用范圍較為廣泛的一種類型。本文主要對基于智能器件的智能運動服裝進行分析。

1 智能服裝概述

智能服裝通常是指能夠感應人體體征與外界環(huán)境，并根據一定的反饋機制，對內外環(huán)境變化做出響應的服裝[4]。智能服裝主要分為2類：一是以智能材料為基礎，如將導電纖維、形狀記憶材料、可逆相變材料、變色纖維、改性纖維等直接通過編織等方式形成織物，制成服裝，使其能夠對外界的應力、溫度、光照等變化進行感應與反饋，甚至能夠對環(huán)境變化自動適應，以實現動態(tài)平衡；二是以智能元器件為基礎，將傳感技術和微電子技術等引入服裝，即令服裝與包括傳感器、電源、電路板、電極、無線傳輸設備等在內的電子元器件相融合，在一定意義上將服裝轉化為智能可穿戴設備[5]。

智能服裝是柔性智能可穿戴技術較為理想的載體。由于服裝與人體長時間、大面積貼身接觸，智能服裝能夠更為連續(xù)、準確、無干擾地對人體運動狀況和生理體征進行采集和分析。同時，由于服裝在日常生活中不可或缺，使用者對其心理排斥感較低，因此智能服裝能夠在使用者低心理負荷狀態(tài)下監(jiān)測人體狀況，獲得更為真實的生理信號[6]。

2 纖維基柔性智能器件研究進展

基于纖維的柔性傳感器、柔性超級電容器、柔性納米發(fā)電機和柔性天線等器件的研發(fā)，為智能運動服裝的發(fā)展提供了更多可能。

2.1 纖維基柔性傳感器

柔性傳感器在智能運動服裝中通過與人體皮膚的接觸，采集心率、體溫、呼吸頻率等生理指標的器件。柔性傳感器以導電纖維為關鍵材料，通過針織、刺繡、編織等織造方式，集成于智能運動服裝[7]。導電纖維可以按其特點分為金屬系導電纖維、炭黑系導電纖維、導電高分子型纖維、金屬化合物型導電纖維等4類[8]。其中，導電高分子型纖維的綜合物理性能較好，且具有相對較好的可紡性與化學穩(wěn)定性，電阻的線性變化較為明顯[9]。另外，利用納米纖維為基體開發(fā)柔性傳感器也逐漸引起了人們的關注。常用于柔性傳感器的納米纖維包括碳納米纖維(CNFs)、熱塑料聚氨酯彈性體(TPU)納米纖維、石墨烯納米纖維等。

RYU等[10]使用高取向度碳納米管(CNT)纖維與高彈性柔性基底復合，開發(fā)一種柔性電阻應變傳感器。該傳感器的工作原理是，碳納米管纖維間的導電通路與接觸面積會隨拉伸應變的增大而不斷減小，使元件的電阻隨之增大。該傳感器的應變范圍極寬，響應時間短，循環(huán)性和耐久性極佳。在應變范圍達到960%時，靈敏系數為64。該傳感器經10 000 次應變測試后，能夠基本保持其原有形狀、纖維取向度和初始電導率。在應變范圍為0～300%時，經10 000次應變測試后，較第10次應變測試時，該傳感器的靈敏度漂移量為7%。該傳感器貼服于膝關節(jié)、手指等部位時，能夠實現對人體關節(jié)運動的可穿戴式監(jiān)測。

2.2 纖維基柔性超級電容器

超級電容器是一種具有較高儲能性能的儲能元件。相較于傳統(tǒng)電池，超級電容器具有更高的功率密度，且充放電速度更快，使用壽命更長。超級電容器能夠存儲多種能量，包括柔性納米發(fā)電機產生的電能[11-14]。纖維基超級電容器(FSCs)保留了纖維材料的柔性，具有較好的可彎曲性和可拉伸性，易與服裝集成，在智能運動服裝領域有很大的應用潛力[15]。常用于柔性超級電容器的纖維材料包括碳納米管、石墨烯、碳纖維，以及由纖維材料與導電聚合物復合而成的復合纖維等[14]。

FU等[15]分別采用碳纖維、鎳金屬絲纖維和鍍金塑料纖維為電極材料，通過浸涂法使含石墨碳納米顆粒的鋼筆墨水在纖維電極表面形成薄膜，從而制成纖維狀超級電容器。根據實驗結果，碳纖維/墨水復合纖維電極的比電容達到26.4 mF/cm2，且具有較高的能量密度、功率密度、拉伸強力和化學穩(wěn)定性。使用此方法制備的超級電容器，在充放電循環(huán)15 000次后仍保持穩(wěn)定的比電容。該超級電容器的制備工藝簡單、制備成本低，且柔軟性和穩(wěn)定性較好、綠色環(huán)保，具有大規(guī)模生產應用的潛力。

2.3 纖維基柔性納米發(fā)電機

在野外探險、登山或日常穿著時，智能運動服裝需要長時間持續(xù)工作。為此，其能量來源需要具備持續(xù)、穩(wěn)定、便捷的特點。傳統(tǒng)的電池供電需要依賴外部能量來源，且體積與硬度較大，難以滿足器件持續(xù)供能和運動服裝舒適輕便的需要[16]。超級電容器的電容量有限，也不足以支撐其長期持續(xù)運行。柔性納米發(fā)電機是一種新型的能量收集器，在智能運動服裝領域有很好的應用潛力。其中，纖維基柔性壓電納米發(fā)電機能夠利用壓電效應，隨時隨地將微弱的機械能采集并轉化為電能[17]。另外，纖維基柔性摩擦納米發(fā)電機(TENG)能夠利用摩擦起電與靜電感應，將人體運動時產生的機械能轉化為電能。柔性納米發(fā)電機能夠持續(xù)為柔性器件供能，使其實現自驅動工作[17]。

KWAK等[18]以聚四氟乙烯(PTFE)織物和銀絲織物，開發(fā)了一種可拉伸的摩擦納米發(fā)電機(S-TENG)。基于2×2羅紋結構織造，大小為10 cm×10 cm的S-TENG，在應變范圍達到30%時，最大輸出電壓和電流分別為23.50 V與1.05μA。在垂直接觸方式、頻率為3.3 Hz時，2×2羅紋S-TENG的最大有效功率為60 μW。針織結構S-TENG的拉伸應變，與輸出電壓有效值、輸出電流有效值均存在正相關關系。該S-TENG具有較大的應變范圍，且柔軟高效，可以應用在智能運動服裝領域。

2.4 纖維基柔性天線

柔性天線能夠將傳感器采集到的人體生理數據傳輸至云平臺或智能移動終端，在智能運動服裝中起到信號傳輸的作用。作為可穿戴天線的其中一種，柔性天線通常由介質基板和輻射片組合而成。柔性天線一般以普通織物為介質基板，以金屬纖維等導電材料為輻射片[15,19]。由于這類柔性天線是基于紡織結構織造的，它除了能夠傳輸信號，還具有柔軟、可彎折、易共形等特點，易于與運動服裝集成[20]。

楊福慧等[20]采用玻璃纖維和銅絲織造了一種紡織四元微帶天線陣。該紡織天線利用三維正交織機，一體化織造銅質輻射貼片(頂層)、玻璃纖維介質基板(中間層)與銅質接地板(底層)。該天線的帶寬為1.43～1.54 GHz，最大增益為7 dB，最大效率為 40%。該天線在彎曲時的性能變化較小。

3 智能運動服裝產業(yè)化應用實例

智能運動服裝是智能服裝在運動健身領域的應用，主要通過集成的運動監(jiān)測系統(tǒng)實現感應、反饋與響應功能。運動監(jiān)測系統(tǒng)由放置于某些特定部位的傳感器、電源、信號傳輸模塊、數據處理器等元件組合而成。智能運動服裝能夠實時準確地采集人體在運動中的心率、呼吸頻率、體溫、體表濕度、加速度等生理數據[21-22]，以及監(jiān)測姿勢準確性、肌肉狀態(tài)等復雜狀態(tài)[23-25]。采集數據后，系統(tǒng)經由藍牙、ZigBee(一種應用于短距離和低速率傳輸的無線網上協(xié)議)或ANT(一種天線)等方式傳輸至云平臺或智能移動應用程序，做出運動評估，幫助運動者了解自身身體狀況，控制運動強度，優(yōu)化訓練效果。

3.1 智能瑜伽褲

Nadi X智能瑜伽褲[22-23]集成了一套觸覺反饋裝置，可以感應運動者的瑜伽運動姿勢，并提供專業(yè)姿勢指導。Nadi X在腳踝、膝蓋和下背部嵌入了5個傳感器，能夠準確全面地監(jiān)測運動姿勢，采集生理信號。同時Nadi X還在多個位置嵌入了振動電動機。運動者在使用錯誤的運動姿勢時，傳感器能夠迅速準確感應并向系統(tǒng)發(fā)出信號，系統(tǒng)借助觸覺振動提醒運動者糾正姿勢。Nadi X需要與放置于膝蓋口袋的電源和藍牙模塊配合使用。Nadi X借助藍牙模塊和移動網絡傳輸數據，并通過智能移動應用程序，與移動終端實現數據同步和分析。

另外，Nadi X還可在日常生活中應用。Nadi X可以實時監(jiān)測使用者在生活中的不良姿勢并即時提醒。Nadi X具有較好的耐洗性，能夠在多次洗滌后保持良好性能。

3.2 Athos智能運動服

Athos公司研發(fā)了上衣和褲子全套的智能運動服[21，24-25]。該款運動服內置了幾塊EMG(表面肌電信號)運動傳感器和生理傳感器，能夠感應和追蹤肌肉的運動狀態(tài)，也能監(jiān)測運動者的心率和呼吸頻率。運動服能夠在移動終端以EMG肌電圖的形式讓運動者了解肌肉鍛煉情況與自身各項指標變化。整套智能裝置僅重不到20 g，并能連續(xù)工作10 h以上。

3.3 BodyPlus智能運動服

BodyPlus公司采用杜邦Intexar智能面料，開發(fā)了智能運動上衣和運動內衣、智能背心等產品[26-28]。Intexar智能面料將可拉伸的含碳或銀的電子油墨和熱塑性聚氨酯彈性體(TPU)膜貼合于布料表面，構成薄型線路，實現感應與通信功能。Intexar智能面料可以通過面料表面的碳或銀，感知人體的心率、呼吸頻率、肌肉狀態(tài)和身體姿態(tài)。Intexar智能面料保持了織物輕薄柔軟的特性，能夠與服裝一體成型，并具有良好的舒適性。同時，Intexar智能面料還能承受多次往復拉伸和100次以上反復洗滌，具有很好的耐久性。Intexar智能面料已在運動領域投入使用。

4 智能運動服裝發(fā)展中尚需解決的問題

4.1 舒適度

人們運動時的肢體動作比較劇烈，拉伸、彎曲程度和頻率較高，且運動者會長時間、貼身穿著運動服。目前柔性器件的柔性化和微型化水平較低，智能運動服裝的舒適度還有待進一步提高。

4.2 數據準確性

人體在運動中會發(fā)生位置移動和汗液分泌，容易使纖維基傳感器和人體接觸的位置、接觸壓力、電阻等發(fā)生變化，導致傳感器的靈敏度發(fā)生變化，采集的人體數據不夠準確。

4.3 耐久性

柔性傳感器等器件的耐水洗性較差，器件封裝技術有待提高。同時，纖維基柔性器件的耐磨損性能較差。這些都影響了智能運動服裝的耐久性。

4.4 服裝款式設計

在相關研究人員更關注智能運動服裝的功能開發(fā)，而對其服裝款式設計較為忽視，這對其市場推廣造成了一定影響[3]。

4.5 產品價格

纖維基柔性器件的研發(fā)尚在初期階段，其研發(fā)和制造加工成本較高，制作工藝較為復雜，導致此類智能運動服裝的價格普遍偏高，消費者購買意愿有限。

4.6 技術標準和行業(yè)規(guī)范

基于柔性器件的智能運動服裝作為一種新興產品，尚缺乏技術標準；作為新興行業(yè)，相應的法規(guī)和制度尚未建立健全。

5 結論與展望

近年來，由于各交叉學科關鍵技術的持續(xù)發(fā)展與智能可穿戴設備的普及，柔性智能可穿戴技術具備了成熟的研發(fā)環(huán)境和廣泛的應用前景。智能器件正在向柔性化、微型化快速發(fā)展，而纖維具有較好的柔性，因此，纖維基柔性智能器件的研發(fā)，成為柔性智能可穿戴技術的發(fā)展重點之一。同時，隨著人們運動保健意識的不斷提高，智能運動服裝因其能夠實時監(jiān)測、反饋人體運動狀態(tài)和各項生理指標、滿足運動者的科學運動訓練需求，存在著巨大的市場潛力。

目前，很多研究機構和公司正在基于多種纖維材料開發(fā)各類柔性智能器件，探索通過一體化紡織成型技術實現柔性智能器件與服裝的融合，從而提高包括智能運動服裝在內的智能可穿戴產品的舒適性、便攜性與實用性，推動智能可穿戴技術的發(fā)展和應用。

在基于纖維的柔性智能器件方面，需要進一步加強材料和制備工藝的研發(fā)，推進器件的柔性化、微型化，提高器件的數據準確性和耐久性。在應用了纖維基柔性智能器件的智能運動服裝方面，需要關注柔性器件與服裝的協(xié)同開發(fā)，重視服裝設計，提升服裝結構、款式設計與顏色搭配的美感。另外，對于搭載柔性器件的智能運動服裝的產業(yè)化應用，需要進一步完善產品功能，制定技術標準，實現產品規(guī)模化，降低生產成本和銷售價格，促進智能運動服裝產業(yè)快速健康發(fā)展。