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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jìn)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(gè)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(jì)方法。這個(gè)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(jì)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(jìn)行綜述，并對電子信息智能紡織品的未來進(jìn)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(jìn)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(dá)到對外界環(huán)境的適應(yīng)。整個(gè)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(gè)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(jìn)入了第二個(gè)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(shí)裝領(lǐng)域

早期的電子信息智能紡織品主要應(yīng)用于時(shí)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(dá)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(jì)師Elise設(shè)計(jì)的發(fā)光雨衣，能夠在下雨天穿戴時(shí)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(shí)，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(diǎn)，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(shí)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(dá)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(shí)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(yùn)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(jì)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(shí)時(shí)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(diǎn)進(jìn)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(hù)膝套。它可以通過發(fā)出聲音向穿戴者提供反饋。護(hù)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(shí)，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(yùn)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(yùn)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(jìn)行校準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定時(shí)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(jì)用來監(jiān)測下背部和肩部的運(yùn)動。這套傳感器由可拉伸汗衫、電子元件和11個(gè)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(yùn)動的智能服裝，其主要目的是用于康復(fù)者運(yùn)動的監(jiān)測。

對于普通人而言，常規(guī)理療的費(fèi)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(jìn)行物理療法治療膝關(guān)節(jié)疼痛的概念已經(jīng)實(shí)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(hù)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(jī)控制，無線連接到護(hù)膝。

2.3 體育運(yùn)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(yùn)動領(lǐng)域也有一定的研究與應(yīng)用。Park等人[14]設(shè)計(jì)了一款智能運(yùn)動服，在原型服裝的腰部插入了一個(gè)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(shí)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(yùn)動的大小、方向和速度。Lin[15]研究設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種基于智能服裝的智能運(yùn)動引導(dǎo)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由三個(gè)模塊組成：前端心電信號傳感裝置、中端運(yùn)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(jì)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(shí)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(jìn)行有效、健康的運(yùn)動。Belbasis等人[16]設(shè)計(jì)了一款智能壓縮服裝(SCG)，能夠有效評估運(yùn)動者的肌肉運(yùn)動和肢體定位。用于測試的SCG包含5個(gè)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(yùn)動服

2.4 特殊防護(hù)服領(lǐng)域

防護(hù)服裝是為了保護(hù)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(hù)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(hù)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(shí)，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(xiàng)PROETEX項(xiàng)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(xiǎn)領(lǐng)域的緊急救援人員的位置、能力和遇到的風(fēng)險(xiǎn)[17]。PROETEX項(xiàng)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(gè)網(wǎng)絡(luò)將不同的傳感器連接在一起，包括一個(gè)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(gè)用于活動和姿態(tài)確定的三軸加速度計(jì)；用于監(jiān)測消防員環(huán)境的傳感器，包括一個(gè)溫度傳感器、一個(gè)熱流傳感器和一個(gè)氣體傳感器。該網(wǎng)絡(luò)通過紡織天線與藍(lán)牙通信模塊連接到遠(yuǎn)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(bào)，即當(dāng)檢測到特定危險(xiǎn)情況時(shí)向消防員發(fā)出警報(bào)。

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(jì)用來探測船上的船員，并在船員落水時(shí)發(fā)出警報(bào)信息。為此，系統(tǒng)采用了微控制器、藍(lán)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(jì)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(diǎn)，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(shí)，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)撃埽娮有畔⒅悄芗徔椘返难芯颗c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。