楊曉紅,韓志清,胡雪睿,張 敏

(西南大學(xué) 紡織服裝學(xué)院,重慶400715)

在全民運(yùn)動(dòng)的大環(huán)境下,人們對(duì)身體健康的要求更加具體和迫切。從2014年開(kāi)始,中國(guó)運(yùn)動(dòng)服飾市場(chǎng)規(guī)模逐年上升,服裝智能化應(yīng)用成為研究熱點(diǎn)。緊身運(yùn)動(dòng)服在著裝過(guò)程中有助于維持運(yùn)動(dòng)能力,增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)效果,成為人們運(yùn)動(dòng)中的常用服裝。文中將緊身運(yùn)動(dòng)服與柔性壓力傳感器結(jié)合,通過(guò)壓力傳感、信號(hào)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理等技術(shù)設(shè)計(jì)出智能運(yùn)動(dòng)服,使其在滿足運(yùn)動(dòng)需求的基本前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)情況的智能監(jiān)測(cè)。

1 緊身智能運(yùn)動(dòng)服發(fā)展現(xiàn)狀

隨著全民運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)的不斷發(fā)展,人們?cè)谶\(yùn)動(dòng)方面的認(rèn)識(shí)和投入不斷增加。作為運(yùn)動(dòng)專業(yè)性裝備的運(yùn)動(dòng)服市場(chǎng)也整體呈現(xiàn)出服裝細(xì)分化、專業(yè)化和智能化三大趨勢(shì)。在一些登山服和滑雪服等專業(yè)性功能服裝方面,俱樂(lè)部、線上應(yīng)用和協(xié)會(huì)成為更專業(yè)的平臺(tái)。中國(guó)運(yùn)動(dòng)服裝市場(chǎng)份額在不斷上升,但人均消費(fèi)數(shù)額與全球相比仍有較大發(fā)展空間。

據(jù)統(tǒng)計(jì),從2014年開(kāi)始,中國(guó)運(yùn)動(dòng)服飾市場(chǎng)規(guī)模逐年上升,2018年達(dá)到五年來(lái)市場(chǎng)最高規(guī)模401億美元,與2017年同期相比增長(zhǎng)了19.5%,預(yù)計(jì)未來(lái)五年行業(yè)的平均增速將超過(guò)10%(見(jiàn)圖1)。

在中國(guó)運(yùn)動(dòng)服市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大的情況下,智能化服裝應(yīng)用也擁有較大的潛力和市場(chǎng)空間。通過(guò)調(diào)研國(guó)內(nèi)主流購(gòu)物平臺(tái),可以看出,市場(chǎng)中已有的智能運(yùn)動(dòng)服產(chǎn)品主要集中在智能溫度控制、心率監(jiān)測(cè)、快速干燥等方面。其中智能溫控是采用碳納米管薄膜電加熱技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)控溫、安全、舒適的穿著目的;心率監(jiān)測(cè)是在服裝袖口安裝心率檢測(cè)芯片并配合智能APP 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)者的心率情況;快速干燥主要是從面料方面進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。

圖1 2014-2023年中國(guó)運(yùn)動(dòng)服飾市場(chǎng)規(guī)模情況(圖源:前瞻數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)研究院)

圖2 天貓智能運(yùn)動(dòng)服搜索結(jié)果

以天貓搜索智能運(yùn)動(dòng)服結(jié)果為例(見(jiàn)圖2),默認(rèn)排序前100件商品中,無(wú)關(guān)商品12件,在其余88件商品中,智能溫控服裝占統(tǒng)計(jì)總量的82%,其主要是通過(guò)USB連接充電寶進(jìn)行電量輸送,進(jìn)而進(jìn)行溫度調(diào)控;速干智能服裝占統(tǒng)計(jì)總量的5%,其主要是通過(guò)服裝材料和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其功能性;智能心率監(jiān)測(cè)服裝占統(tǒng)計(jì)總量的1%,是通過(guò)安裝智能芯片,搭載移動(dòng)端APP實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)者心率情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),為健康保駕護(hù)航。

市場(chǎng)中已有的智能服裝主要集中在溫度控制方面,還不能滿足人們運(yùn)動(dòng)中的多樣化需求。提高運(yùn)動(dòng)服裝功能性可以更好地監(jiān)測(cè)和保護(hù)人體健康。壓力傳感器是可穿戴裝備的必要部件之一[1],將柔性壓力傳感器和運(yùn)動(dòng)服裝結(jié)合,設(shè)計(jì)出基于壓力傳感的緊身運(yùn)動(dòng)服裝,可以使穿著者更客觀地了解自己的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),及時(shí)調(diào)整自己的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃和目標(biāo),達(dá)到健康運(yùn)動(dòng)的目的。

2 柔性壓力感應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

D2027型柔性壓力傳感器是由薄膜接收人體壓力而產(chǎn)生形變,進(jìn)而影響可變電阻電阻值,在電路中通過(guò)電阻值變化影響輸出電壓的變化,通過(guò)無(wú)線傳感系統(tǒng)將電壓變化傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理系統(tǒng),再通過(guò)特定算法將電壓變化值轉(zhuǎn)化為直觀可讀的人體變化數(shù)據(jù),最后通過(guò)終端顯示設(shè)備呈現(xiàn)給用戶的[2]。

2.1 柔性壓力傳感器

GB/T 7665-2005中將傳感器定義為“能感受被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置,通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。傳感器是對(duì)外界信息進(jìn)行捕捉的裝置,其通常與測(cè)量電路共同構(gòu)成將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成電參數(shù)的裝置,然后將信息傳輸?shù)脚c之對(duì)應(yīng)的單片機(jī),實(shí)時(shí)進(jìn)行信息的進(jìn)一步處理。壓阻式壓力傳感器利用具有較強(qiáng)過(guò)壓能力的半導(dǎo)體材料制成,因半導(dǎo)體材料高強(qiáng)度、反應(yīng)快等優(yōu)異的機(jī)械性能,壓阻式壓力傳感器感應(yīng)更加靈敏和精確。

隨著電子元器件的小型化,薄而柔性傳感器的出現(xiàn),使得這些新型電子元器件與傳統(tǒng)紡織品相組合呈現(xiàn)新的可能性,其也可以與功能纖維及其紡織品相結(jié)合[3]。除了傳統(tǒng)的把服裝表面或內(nèi)部作為支撐結(jié)構(gòu),將纖維狀導(dǎo)電材料或傳感元件嵌入其中外,改變服裝材料本身即使用導(dǎo)電材料涂層織物,使織物具有導(dǎo)電能力也成為一種新的方式。

文中采用D2027壓阻式柔性薄膜壓力傳感器,其長(zhǎng)度小于8 c m,可根據(jù)用途縮短使用,寬2.7 c m,是柔性壓力傳感器中的一種,根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可適用于運(yùn)動(dòng)、健康、安全監(jiān)控、工業(yè)檢測(cè)等方面。其抗電磁干擾和靜電屬性良好,可將傳感器安裝在服裝特定部位,如肘關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、臀部等處用于監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中具體部位的壓力分布和變化。以下是D2027壓阻式柔性薄膜壓力傳感器具體尺寸(見(jiàn)圖3)和使用參數(shù)(見(jiàn)表1)。

圖3 傳感器尺寸

表1 D2027柔性壓力傳感器使用參數(shù)

2.2 傳感系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

緊身運(yùn)動(dòng)服傳感流程設(shè)計(jì)聯(lián)合應(yīng)用了傳感器系統(tǒng)、無(wú)線通信、處理軟件開(kāi)發(fā)等技術(shù),通過(guò)移動(dòng)端和電腦端顯示設(shè)備,使用戶可以實(shí)時(shí)了解人體運(yùn)動(dòng)情況,實(shí)現(xiàn)自我健康監(jiān)測(cè)和調(diào)整運(yùn)動(dòng)計(jì)劃。

智能傳感系統(tǒng)將傳感器采集的數(shù)據(jù)通過(guò)轉(zhuǎn)換處理器轉(zhuǎn)化為可傳輸?shù)臄?shù)據(jù),結(jié)合無(wú)線通信技術(shù)將接收的電信號(hào)變化發(fā)送至上位機(jī),實(shí)現(xiàn)壓力數(shù)據(jù)的收集和傳遞;當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)后會(huì)通過(guò)固定算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ);最后將處理結(jié)果傳輸至終端顯示設(shè)備,實(shí)現(xiàn)人機(jī)單向交互的目的[4](見(jiàn)圖4)。其中上位機(jī)系統(tǒng)會(huì)設(shè)定提醒范圍值,在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理傳輸?shù)浇K端顯示設(shè)備的同時(shí),若數(shù)值超過(guò)預(yù)設(shè)定范圍,會(huì)觸動(dòng)預(yù)警系統(tǒng),達(dá)到對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的監(jiān)測(cè)及警示作用。

傳感模塊整體是將在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中由于人體動(dòng)作變化對(duì)柔性壓力傳感器產(chǎn)生不同的壓力轉(zhuǎn)化為不同的電阻變化值RS,在接通電源VT的基礎(chǔ)上,通過(guò)傳感電路將其輸入電阻變化值RS轉(zhuǎn)換成輸出電壓變化值VOUT,即可傳輸?shù)碾娦盘?hào)數(shù)據(jù)V(見(jiàn)圖5)。

圖4 傳感系統(tǒng)流程

圖5 傳感模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

以此傳感電路為基礎(chǔ),結(jié)合無(wú)線通信技術(shù)將電壓變化數(shù)據(jù)V傳送至具有特定算法的上位機(jī)中,經(jīng)過(guò)預(yù)設(shè)程序得出人體運(yùn)動(dòng)狀況。最終在移動(dòng)端顯示設(shè)備中進(jìn)行結(jié)果顯示,當(dāng)使用者收到信息后會(huì)更加了解自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),并進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整,完成人機(jī)交互的最終目的。

3 智能緊身運(yùn)動(dòng)服裝設(shè)計(jì)

緊身運(yùn)動(dòng)服裝以身體為模型設(shè)計(jì),其與人體貼合穿著的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),可以更準(zhǔn)確直觀地感受人體運(yùn)動(dòng)的形態(tài)變化;將柔性壓力傳感器置于服裝中,可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)人體健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

在軟件系統(tǒng)和硬件設(shè)施已經(jīng)完善的基礎(chǔ)上,通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研統(tǒng)計(jì)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中容易受傷的人體部位,結(jié)合D2027型柔性壓力傳感器的物理特征,從結(jié)構(gòu)和面料方面出發(fā),設(shè)計(jì)出適合運(yùn)動(dòng)者穿著,可以更好監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)狀況的運(yùn)動(dòng)裝備。緊身運(yùn)動(dòng)服整體造型展示如圖6所示。

圖6 緊身運(yùn)動(dòng)服整體設(shè)計(jì)

3.1 感應(yīng)部位分析

運(yùn)動(dòng)損傷中膝關(guān)節(jié)損傷率可達(dá)到25%～30%,約占人體損傷的四分之一[5-10]。膝關(guān)節(jié)是運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的主要穩(wěn)定關(guān)節(jié),其主要生理活動(dòng)為屈伸,范圍為0°～180°[11],在彎曲的過(guò)程中會(huì)與服裝表面產(chǎn)生一定的壓力作用。在日常運(yùn)動(dòng)中,由于膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)量和運(yùn)動(dòng)頻率較大,易出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)性損傷[12]。加強(qiáng)膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的監(jiān)測(cè),對(duì)保護(hù)膝關(guān)節(jié)和防止運(yùn)動(dòng)損傷有積極意義。

肘關(guān)節(jié)是將上臂和前臂連接,并保證可以自由伸屈 (40°～180°)和旋轉(zhuǎn) (140°)的重要關(guān)節(jié)[13],也是運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,保證手部用力及運(yùn)動(dòng)水平的重要關(guān)節(jié)之一。只有保持肘關(guān)節(jié)功能完整健康,手和手臂才能良好發(fā)揮其功能。在骨科臨床中肘關(guān)節(jié)損傷是常見(jiàn)的關(guān)節(jié)損傷疾病,任躍兵[14]指出45 000例骨傷病例中肘關(guān)節(jié)損傷占14%,占所有骨關(guān)節(jié)損傷的首位。由于肘關(guān)節(jié)解剖特性,如果造成功能性損傷,需要很長(zhǎng)時(shí)間恢復(fù)。通過(guò)在運(yùn)動(dòng)服裝中安裝柔性壓力傳感系統(tǒng),可以有效進(jìn)行預(yù)防和監(jiān)測(cè)訓(xùn)練強(qiáng)度,避免關(guān)節(jié)的局部負(fù)荷過(guò)重,有效減少損傷的發(fā)生。

人體由關(guān)節(jié)連接在一起,在運(yùn)動(dòng)中與服裝表面產(chǎn)生明顯的壓力作用多集中在肘、膝蓋、臀等活動(dòng)量較大的部位。結(jié)合文獻(xiàn)研究結(jié)果并基于運(yùn)動(dòng)動(dòng)作的普遍性和智能服裝運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的適用性,選擇將柔性壓力傳感器安裝在上身肘關(guān)節(jié)尺骨末端表面和下身膝蓋髕骨表面(見(jiàn)圖7)。

圖7 感應(yīng)部位

3.2 運(yùn)動(dòng)服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合緊身服裝特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)舒適性需求進(jìn)行服裝整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。與其他運(yùn)動(dòng)服相比,緊身運(yùn)動(dòng)服更突出人體特點(diǎn),在設(shè)計(jì)中以身體為模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于面料的高彈力特性,在設(shè)計(jì)中通過(guò)分割和面料差異來(lái)滿足其造型需求。

3.2.1 領(lǐng)、袖部位

服裝領(lǐng)部在運(yùn)動(dòng)中要滿足各種動(dòng)作的服裝貼體度,為了保障運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的舒適感和無(wú)束縛感,設(shè)計(jì)為圓領(lǐng)造型,在保障運(yùn)動(dòng)舒適安全性基礎(chǔ)上,盡可能提高服裝美化形體的程度。在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)進(jìn)行大范圍的肢體舒展,袖窿結(jié)構(gòu)會(huì)極大地影響運(yùn)動(dòng)幅度,在服裝設(shè)計(jì)中既要保障最大程度的運(yùn)動(dòng)幅度,又要保證在正常行走過(guò)程中的適體性,故選擇插肩袖,袖口設(shè)計(jì)露指環(huán)形袖(圖8)。貼體類服裝環(huán)形袖能保持穿著活動(dòng)中衣袖平整,并減少手部在運(yùn)動(dòng)中的摩擦傷害。

圖8 運(yùn)動(dòng)服上衣設(shè)計(jì)

3.2.2 衣身

緊身運(yùn)動(dòng)服裝要根據(jù)身體濕度分布、運(yùn)動(dòng)幅度和功能美觀性來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。運(yùn)動(dòng)中人體高濕度分布區(qū)域?yàn)榍靶睾秃蟊持锌p部位,雖然后背肩胛骨部分溫度很高,但其汗液一般會(huì)積聚,然后凝結(jié)在后中縫[15]。針對(duì)后中縫和前胸高濕度分布區(qū)域,使用排濕透氣性良好的網(wǎng)眼面料進(jìn)行拼接設(shè)計(jì)(圖8)。下裝襠部和臀下處也有部分汗液積聚現(xiàn)象,但這些部位為人體隱私部位,要注意面料厚薄和整體美觀性,采取同種顏色密度高透氣的聚氨酯類面料進(jìn)行隱形分割設(shè)計(jì)。在運(yùn)動(dòng)幅度較小的側(cè)縫設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)和反光面料,擴(kuò)展服裝適用環(huán)境,達(dá)到增強(qiáng)服裝辨識(shí)性和運(yùn)動(dòng)安全性的功能。

3.2.3 傳感部位

在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中膝部和肘部不屬于人體高濕度分布區(qū)域,運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的汗液蒸發(fā)會(huì)帶走身體的熱量,故在膝關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)處進(jìn)行分割設(shè)計(jì),應(yīng)用雙層面料達(dá)到防低溫保暖功能,將柔性傳感系統(tǒng)置于聚氨酯面料之間(圖9),在穿著過(guò)程中運(yùn)動(dòng)服與人體緊密貼合,可以隨時(shí)感知膝蓋和肘部的運(yùn)動(dòng)情況。

3.3 運(yùn)動(dòng)服面料

緊身運(yùn)動(dòng)服貼合人體穿著,面料舒適性是選擇時(shí)必須要考慮的因素。面料要滿足針織運(yùn)動(dòng)服面料國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22853-2019[16],且人體不同部位對(duì)面料的敏感程度不同,在進(jìn)行面料選取時(shí)要具體分析,以保障人體穿著舒適性。在服裝設(shè)計(jì)中要綜合舒適的服裝觸感、良好的吸濕排汗功能和優(yōu)異的彈性這3點(diǎn)需求。

圖9 傳感器與服裝結(jié)合示意圖

人體在劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí),體內(nèi)產(chǎn)生熱量導(dǎo)致出汗,良好的運(yùn)動(dòng)服裝面料應(yīng)能及時(shí)將汗液吸收或排出,為人體營(yíng)造干燥的運(yùn)動(dòng)環(huán)境。該設(shè)計(jì)服裝主體選用以滌綸、錦綸和丙綸等濕傳遞較好的面料交織氨綸彈性纖維;在前胸及后背中縫等人體高濕度分布區(qū)域,選用輕薄、透氣性好、易洗快干的網(wǎng)眼新型面料。這可以滿足緊身運(yùn)動(dòng)服延展性能良好且排汗快干性能優(yōu)異的需求。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著服裝智能化的發(fā)展,應(yīng)用柔性壓力傳感器的功能性服裝成為研究熱點(diǎn)。通過(guò)查閱中國(guó)服裝市場(chǎng)發(fā)展大數(shù)據(jù),結(jié)合當(dāng)前主流購(gòu)物平臺(tái)中已有的智能服裝種類,得出智能運(yùn)動(dòng)服發(fā)展存在需求日益增加和市場(chǎng)空缺之間的矛盾。結(jié)合D2027柔性壓力傳感器具體使用參數(shù)和應(yīng)用電路進(jìn)行整體傳感模塊設(shè)計(jì),綜合考慮傳感器物理特性及其與服裝的結(jié)合方式,將柔性壓力傳感器置于緊身運(yùn)動(dòng)服膝蓋和肘關(guān)節(jié)處,從結(jié)構(gòu)和面料方面出發(fā)進(jìn)行緊身運(yùn)動(dòng)服設(shè)計(jì),在滿足服裝穿著舒適性的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)間、強(qiáng)度、狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),以達(dá)到防止過(guò)度運(yùn)動(dòng),長(zhǎng)期健康運(yùn)動(dòng)的目的。