李萬軍, 王紫怡, 周夢(mèng)燁, 馮安然, 薛菲莉

(武漢紡織大學(xué) a.伯明翰時(shí)尚創(chuàng)意學(xué)院; b.藝術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院,武漢 430070)

紡織服裝行業(yè)作為中國重要的民生產(chǎn)業(yè),是穩(wěn)定外貿(mào)外匯的重要力量,也是繁榮地方經(jīng)濟(jì)的重要力量。紡織服裝行業(yè)的重要地位決定了其需要不斷變革的特性。2012年德國紡織工程學(xué)會(huì)組織80多位專家提出《2025遠(yuǎn)景分析》,明確指出將“研發(fā)未來的新型紡織品材料”作為三大目標(biāo)之一。2016年,美國成立革命性纖維和紡織品創(chuàng)新制造研究所(RFT-IMI),智能纖維的概念也因此應(yīng)運(yùn)而生。隨著智能纖維概念的提出,研究人員正在積極研究“輕薄柔軟、貼身透氣”的電子紡織品和智能紡織品,這已成為智能纖維領(lǐng)域的熱門話題[1]。作為智能纖維探索的重要方向之一,基于智能纖維和紡織品的可穿戴傳感器備受矚目。因此,可以預(yù)見智能纖維將在未來的各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著智能纖維的運(yùn)用,這將會(huì)對(duì)傳統(tǒng)紡織行業(yè)提出挑戰(zhàn),其不僅涉及到纖維材料的研究,還有功能的設(shè)計(jì)和技術(shù)的開發(fā)等多個(gè)層面。在這一背景下,從中國知網(wǎng)(CNKI)和Web of Science(WOS)數(shù)據(jù)庫搜集整理文獻(xiàn),厘清智能纖維的產(chǎn)業(yè)動(dòng)態(tài)、研究現(xiàn)狀和未來的發(fā)展路線就顯得尤其重要。使用文獻(xiàn)數(shù)據(jù)分析軟件CiteSpace對(duì)智能纖維研究領(lǐng)域的整體發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行研究,利用其關(guān)鍵詞共現(xiàn)、聚類、時(shí)區(qū)視圖、合作網(wǎng)絡(luò)等功能,能夠以直觀、科學(xué)的方式呈現(xiàn)該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀,這種可視化方式更有助于揭示出其發(fā)展動(dòng)態(tài)。因此,本文借助CiteSpace數(shù)據(jù)可視化工具對(duì)現(xiàn)有的智能纖維文獻(xiàn)進(jìn)行信息可視化呈現(xiàn),為當(dāng)代智能纖維的發(fā)展和應(yīng)用路徑提供量化數(shù)據(jù)研究支持。

1 數(shù)據(jù)來源及分析方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文利用CNKI和WOS數(shù)據(jù)庫開展智能纖維領(lǐng)域的文獻(xiàn)檢索,對(duì)智能纖維領(lǐng)域近20年來的研究成果進(jìn)行綜述。紡織行業(yè)的未來發(fā)展趨勢(shì)與智能化息息相關(guān),這也決定了智能纖維具有智能材料的研究、智能技術(shù)的開發(fā)和智能功能的應(yīng)用三大屬性。采用CNKI數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵詞檢索式為:SU=“纖維”AND“智能”;SU=“纖維”AND“智能材料”;SU=“纖維”AND“智能技術(shù)”;SU=“纖維”AND“智能應(yīng)用”。WOS數(shù)據(jù)庫的關(guān)鍵詞檢索式為:SU=“textile/fiber”AND“intelligent/smart”;SU=“textile/fiber”AND“intelligent/smart material”;SU=“textile/fiber”AND“intelligent/smart technology”;SU=“textile/fiber”AND“intelligent/smart application”。在學(xué)科領(lǐng)域不限的條件下,檢索時(shí)間跨度為2000年1月1日—2023年3月16日,得到有效文獻(xiàn)信息分別為3 246條和11 256條,過濾掉重復(fù)文獻(xiàn)和不相關(guān)的信息,最終得到785條和2 886條(合計(jì)3 671條)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)分析方法

采用CiteSpace軟件對(duì)國內(nèi)外智能纖維的文獻(xiàn)進(jìn)行分析研究。CiteSpace是一個(gè)可視化軟件,它具有文獻(xiàn)計(jì)量和數(shù)據(jù)挖掘算法的功能,利用CiteSpace軟件可以檢測(cè)某一研究領(lǐng)域的研究趨勢(shì)和主題[2]。本文利用該軟件所具有的關(guān)鍵詞抽取、共被引分析、共現(xiàn)分析等功能,一方面使用定量的文獻(xiàn)計(jì)量法,生成智能纖維研究的文獻(xiàn)數(shù)量、國家分布、高被引作者等信息,同時(shí)分析研究作者和研究機(jī)構(gòu)共現(xiàn)、關(guān)鍵詞共現(xiàn)、聚類和凸顯圖以揭示研究熱點(diǎn);另一方面運(yùn)用定性的人工判讀法,在數(shù)據(jù)圖譜基礎(chǔ)上深入研讀學(xué)科信息和關(guān)鍵詞聚類,糾正計(jì)量分析的偏差,對(duì)聚類主題進(jìn)行批判性定性分析,以期揭示智能纖維領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀?？傊?使用定量的文獻(xiàn)計(jì)量法和定性的人工判讀法,以數(shù)據(jù)圖譜的方式對(duì)國內(nèi)外智能纖維研究領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r、存在問題及前沿動(dòng)態(tài)三個(gè)方面進(jìn)行挖掘和探討。

2 基于CiteSpace的智能纖維文獻(xiàn)計(jì)量圖譜及分析

2.1 智能纖維研究的基本特征

本文通過收集到的785條和2 886條文獻(xiàn)數(shù)據(jù)按照發(fā)表的年份進(jìn)行頻次計(jì)數(shù)與繪圖,得到如圖1所示的文獻(xiàn)年度分布情況。中文文獻(xiàn)在智能纖維領(lǐng)域的年發(fā)文量從2000—2012年呈現(xiàn)平穩(wěn)的發(fā)展趨勢(shì),但至2013年后出現(xiàn)急劇增長的情況,其中有三次比較明顯的增長點(diǎn)。2013年,年發(fā)文量為28篇,較上一年有115.3%的增長;2015年,年發(fā)文量為44篇,較上一年有62.9%的增長;2019年,年發(fā)文量為75篇,較上一年有31.5%的增長。英文文獻(xiàn)在2000—2006年有關(guān)智能纖維的文獻(xiàn)不多,2010—2012年有關(guān)領(lǐng)域的討論也只呈現(xiàn)少量的增加,但至2013年后,開始出現(xiàn)陡然上升,其中有兩次明顯的增長點(diǎn)。2013年,年發(fā)文量為210篇,較上一年有98.1%的增長;2017年,年發(fā)文量為155篇,較上一年有49%的增長。

國內(nèi)外有關(guān)智能纖維的討論均在2014年前后出現(xiàn)較快的增長,這與2014年德國提出的未來紡織計(jì)劃(futureTEX)密切相關(guān)。因?yàn)殡S著智能纖維這一新型的革命性織物的出現(xiàn),將帶來大量全新的應(yīng)用,美國官方機(jī)構(gòu)認(rèn)為,這將重新定義包括農(nóng)業(yè)、建筑、國防、基建、家具等在內(nèi)的12大應(yīng)用領(lǐng)域,對(duì)國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生巨大的影響[3]。因此,至2014年futureTEX計(jì)劃提出之后,各國專家紛紛開始了有關(guān)智能纖維的重點(diǎn)研究,主要呈現(xiàn)在材料制備、技術(shù)開發(fā)和功能應(yīng)用這三個(gè)方面。在制備階段,需集成導(dǎo)電材料于纖維中,優(yōu)化纖維尺寸與舒適性。技術(shù)開發(fā)關(guān)注于傳感機(jī)制研究、材料特性提升,以及制備技術(shù)的創(chuàng)新。在功能應(yīng)用方面,其研究主要聚焦于醫(yī)療、運(yùn)動(dòng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域,推動(dòng)醫(yī)療監(jiān)測(cè)、智能穿戴和人機(jī)交互等領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。

圖1 近20年智能纖維研究文獻(xiàn)年度分布

2.2 研究作者及研究機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)

對(duì)CNKI數(shù)據(jù)庫的785篇文獻(xiàn)和WOS數(shù)據(jù)庫的2 886篇文獻(xiàn)進(jìn)行作者共現(xiàn)圖譜分析,利用CiteSpace軟件繪制可視化圖譜,設(shè)定時(shí)間切片為1年,TopN選擇15,如圖2所示。文獻(xiàn)共涉及453位中文文獻(xiàn)作者和296位英文文獻(xiàn)作者。中文文獻(xiàn)發(fā)文量排名前10的作者分別是田明偉(9篇)、曲麗君(8篇)、劉皓(8篇)、沈雷(7篇)、劉樹英(6篇)、劉曉霞(6篇)、方東根(5篇)、陶寶祺(4篇)、沈新元(4篇)、許黛芳(4篇),圍繞這10位中文文獻(xiàn)作者存在著較為明顯的8個(gè)聚類,形成作者合作集群;英文文獻(xiàn)發(fā)文量排名前10的分別是LI Yi(曼徹斯特大學(xué),50篇)、ZHANG X(西安理工大學(xué)服裝藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,29篇)、ZENG X Y(Ecole Natl Super Arts &Ind Text,France,24篇)、YING B A(西安理工大學(xué)服裝藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,20篇)、MENG J G(西安工程大學(xué),12篇)、LIN J H(逢甲大學(xué)研究生研究所文本工程、實(shí)驗(yàn)室纖維應(yīng)用及制造,12篇)、LOU C W(臺(tái)灣科技大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程與材料科學(xué)研究所,12篇)、LI J S(香港理工大學(xué)紡織服裝學(xué)院,11篇)、MILITKY J(利貝雷茨理工大學(xué),11篇)、DING Y S(東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,11篇),圍繞這10位英文文獻(xiàn)作者也存在著較為明顯的6個(gè)聚類,形成英文文獻(xiàn)作者合作集群。

圖2 智能纖維文獻(xiàn)研究作者共現(xiàn)圖譜

圖2采用由紅到黃的漸變色進(jìn)行年份標(biāo)記2000—2023年。對(duì)中文文獻(xiàn)的研究作者共現(xiàn)圖譜進(jìn)行分析,編號(hào)為6和7的研究作者集群連線時(shí)間較新,處于較前沿的研究階段,緊密跟進(jìn)了當(dāng)前領(lǐng)域的最新發(fā)展趨勢(shì),因此其研究具有可持續(xù)性。編號(hào)6的作者方東根與沈雷在2014年公開發(fā)表了第一篇有關(guān)智能纖維的文章,認(rèn)為隨著傳感器技術(shù)的優(yōu)化,能夠增強(qiáng)童裝的安全性能,為兒童在交通、醫(yī)療等領(lǐng)域提供更全面的保護(hù)[4]。最新合作發(fā)表的文章將嬰兒常用的墊背汗巾與智能纖維相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了溫濕度監(jiān)測(cè)功能,在一定程度上滿足了人們的監(jiān)護(hù)需求[5]。編號(hào)7的作者田明偉和曲麗君在2013年展開第一次合作,先后合作發(fā)表了94篇文章,主要是針對(duì)智能纖維的制備材料進(jìn)行研究,如探討不同濃度石墨烯涂層對(duì)織物結(jié)構(gòu)和性能的影響[6]、各類柔性傳感器的制備策略等[7]。英文文獻(xiàn)編號(hào)為5的研究作者集群連線密集且年份較新,因此其研究具有可持續(xù)性。編號(hào)5中發(fā)文量最多的作者LI Yi有關(guān)智能纖維的研究與其材料研發(fā)有關(guān),研究重點(diǎn)包括用于傷口修復(fù)的醫(yī)用護(hù)理紡織纖維[8],以及更高透氣性和彈性的壓力傳感器纖維等方面[9]。

本領(lǐng)域的各個(gè)研究機(jī)構(gòu)的合作關(guān)系可視化圖譜如圖3所示。文獻(xiàn)共涉及333所中文文獻(xiàn)研究機(jī)構(gòu)和290所英文文獻(xiàn)研究機(jī)構(gòu)。中文文獻(xiàn)發(fā)文量排名前10的院校分別是東華大學(xué)(58篇)、天津工業(yè)大學(xué)(39篇)、上海工程技術(shù)大學(xué)(22篇)、青島大學(xué)(18篇)、江南大學(xué)(17篇)、北京服裝學(xué)院(12篇)、西安工程大學(xué)(11篇)、蘇州大學(xué)(9篇)、中國科學(xué)院(7篇)、中國紡織信息中心(5篇),圍繞這10所中文文獻(xiàn)研究機(jī)構(gòu)存在著較為明顯的5個(gè)聚類,形成中文文獻(xiàn)研究機(jī)構(gòu)合作集群。英文文獻(xiàn)發(fā)文量排名前10的院校分別是Xi’an Polytechnic University(西安工程大學(xué)163篇)、Donghua University(東華大學(xué)154篇)、Wuhan Textile University(武漢紡織大學(xué)147篇)、Universite de Lille-ISITE(法國里爾大學(xué)106篇)、Hong Kong Polytechnic University(香港理工大學(xué)83)、Beijing Institute of Fashion Technology(北京服裝學(xué)院67篇)、Wuhan Institute of Technology(武漢工程大學(xué)54篇)、Soochow University-China(蘇州大學(xué)53篇)、Ecole Nationale Superieure des Arts et Industries Textiles(ENSAIT)(高等紡織工藝學(xué)校49篇)、Tiangong University(天津工業(yè)大學(xué)48篇),圍繞這10所英文文獻(xiàn)研究機(jī)構(gòu)形成一個(gè)巨大的研究機(jī)構(gòu)合作集群。

對(duì)圖3的節(jié)點(diǎn)變化進(jìn)行分析,中文文獻(xiàn)編號(hào)為4和5的合作研究機(jī)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)連線密集且年份較新,因此其研究機(jī)構(gòu)的研究具有可持續(xù)性。編號(hào)為4的研究機(jī)構(gòu)集群以東華大學(xué)、江南大學(xué)和上海工程技術(shù)大學(xué)為核心,東華大學(xué)研究核心聚焦在防寒及電加熱的智能服裝領(lǐng)域[10],江南大學(xué)研究重點(diǎn)為以智能服裝為核心的材料研發(fā)和功能應(yīng)用[11-12],上海工程技術(shù)大學(xué)圍繞智能纖維的抗菌、柔性傳感器、健康監(jiān)測(cè)及控溫材料進(jìn)行研究[13]。編號(hào)為5的研究作者集群以天津工業(yè)大學(xué)、北京服裝學(xué)院和中國科學(xué)院為核心,其研究重點(diǎn)聚焦在以智能纖維為基礎(chǔ)的柔性傳感器的應(yīng)用上,如智能調(diào)溫纖維[14]、智能仿生紡織品[15]及各類材料的制備(碳納米管、人工肌肉纖維、導(dǎo)電織物等)[16];英文文獻(xiàn)所構(gòu)成的合作集群反映出,揭示國內(nèi)學(xué)者傾向于在國際英文期刊上發(fā)布研究成果,并且呈現(xiàn)多位學(xué)者合作共同撰寫文獻(xiàn)的趨勢(shì)。這一現(xiàn)象反映出國內(nèi)學(xué)者在追求更廣泛國際影響力和學(xué)術(shù)認(rèn)可的同時(shí),也可能暗示著國內(nèi)學(xué)術(shù)期刊在國際學(xué)術(shù)舞臺(tái)上的競(jìng)爭(zhēng)壓力和地位相對(duì)不足。同時(shí),多位學(xué)者合作的趨勢(shì)可能表明智能纖維領(lǐng)域的研究日益復(fù)雜,需要多方面的專業(yè)知識(shí)和技能,因此合作變得更為重要。

圖3 智能纖維合作研究機(jī)構(gòu)共現(xiàn)圖譜

同時(shí)對(duì)英文文獻(xiàn)發(fā)文量排名前10的學(xué)科進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(表1),發(fā)現(xiàn)涉及材料科學(xué)、機(jī)械工程、物理學(xué)、化學(xué)、光學(xué)工程等學(xué)科領(lǐng)域。其中,材料科學(xué)、物理學(xué)和化學(xué)學(xué)科凸顯智能纖維的智能屬性是建立在物理特性和化學(xué)特性之上的,而機(jī)械工程和光學(xué)工程與智能纖維的制備有關(guān),這進(jìn)一步反映出智能纖維的研究呈現(xiàn)多學(xué)科交叉發(fā)展的趨勢(shì)。

表1 英文文獻(xiàn)發(fā)文量排名前10的學(xué)科

2.3 關(guān)鍵詞共現(xiàn)聚類分析

2.3.1 國內(nèi)關(guān)鍵詞共現(xiàn)聚類

依據(jù)年發(fā)文量的變化趨勢(shì),設(shè)定時(shí)間切片為1年,TopN選擇15,利用CiteSpace的數(shù)據(jù)處理能力對(duì)所收集到的文獻(xiàn)進(jìn)行關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析。同時(shí)生成了中文文獻(xiàn)智能纖維關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)聚類表,共得到由381個(gè)關(guān)鍵詞構(gòu)成的關(guān)鍵詞共現(xiàn)聚類,其中共形成五個(gè)主要聚類,如表2[17]所示。從生成的聚類圖分析結(jié)果來看,中文文獻(xiàn)有關(guān)智能纖維的熱點(diǎn)研究主題可以劃分為五大類,分別為#1智能、#2復(fù)合材料、#3相變材料、#4紡織行業(yè)、#5仿生學(xué)。

聚類#1為智能共包含9個(gè)聚類成員,主要包括仿生設(shè)計(jì)、變色纖維、異形纖維、中空纖維、人造纖維、人工肌肉、智能紡織品、差別化纖維、功能性纖維。智能纖維因其能收集用戶視覺、聽覺和觸覺上的信息,并能將信息進(jìn)行綜合處理及時(shí)反饋給用戶,因此具有智能屬性。結(jié)合該聚類中高頻關(guān)鍵詞的特征,因此可以將聚類#1的研究熱點(diǎn)歸納為:基于信息傳導(dǎo)與反饋的相關(guān)功能需求,推進(jìn)智能纖維的研發(fā)。智能纖維作為一種紡織材料,其應(yīng)用范圍非常廣泛。1989年,日本高木俊宜教授將信息科學(xué)融于材料構(gòu)性和功能,首先提出智能材料(Intelligent Materials)概念[18]。馬特奧·斯托帕(Matteo Stoppa)和亞歷山德羅·奇奧萊奧(Alessandro Chiolerio)將智能紡織材料的功能特性分為被動(dòng)智能、主動(dòng)智能和非常智能三大類[19]。隨著科技的發(fā)展,半導(dǎo)體元件的小型化和納米技術(shù)的出現(xiàn)使得電子元件的體積更小,這些電子元件得以編織到紡織材料中[20],這將賦予紡織纖維材料智能的特性。纖維材料的智能化,實(shí)際上是給予了其信息處理的能力。傳統(tǒng)紡織行業(yè)制成的衣物僅僅起到御寒蔽體的功能和審美價(jià)值,而智能纖維則更加側(cè)重于信息的傳遞功能,這意味著其具有感知信息、傳遞信息、反饋信息的能力,紡織材料也就能夠監(jiān)測(cè)身體數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等。由智能纖維所制備的服裝具有智能性,其研究始于20世紀(jì)90年代,最初其主要用于軍事、醫(yī)療和運(yùn)動(dòng)服裝領(lǐng)域,而智能服裝是智能纖維領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。智能纖維也將進(jìn)一步推動(dòng)服裝行業(yè)的發(fā)展,不僅制成衣物來保護(hù)人的身體,還可以感知身體各種狀況的數(shù)據(jù),從而對(duì)用戶的行為進(jìn)行收集和評(píng)估[21-22]。在應(yīng)用方面也得到了進(jìn)一步推廣,智能服裝已經(jīng)運(yùn)用在老年人護(hù)理、運(yùn)動(dòng)健康、航空航天及安全防護(hù)等領(lǐng)域[23-24];在技術(shù)方面,由柔性電池、傳感器、芯片、屏幕及低功耗處理器組成了智能服裝的紡織系統(tǒng)[25]。

聚類#2為復(fù)合材料共包含9個(gè)聚類成員,主要包括智能材料、紅外傳感器、應(yīng)變傳感器、顆粒彌散、智能結(jié)構(gòu)、智能蒙皮、智能監(jiān)測(cè)、土木工程、智能傳感材料。復(fù)合材料(composite materials),是以一種材料為基體(matrix),另一種材料為增強(qiáng)體(reinforcement)組合而成的材料[26]。復(fù)合材料具有高強(qiáng)度、輕量化、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn),因此在航空航天、汽車、建筑等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。智能纖維和復(fù)合材料雖然是兩個(gè)不同的概念,但是它們可以相互結(jié)合進(jìn)行應(yīng)用。在建筑行業(yè)中,將柔性傳感器集成到復(fù)合材料中,可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、振動(dòng)、溫度等參數(shù),幫助預(yù)測(cè)和檢測(cè)可能的磨損、裂紋、損傷等問題[27],這種組合可以使復(fù)合材料不僅具有傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性能,還能在使用過程中獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并進(jìn)行反饋控制;在智能服裝領(lǐng)域中智能服裝可以通過集成發(fā)熱元件,如導(dǎo)電纖維,將熱能傳輸?shù)缴眢w,提供溫暖,這種創(chuàng)新使得智能服裝能夠滿足用戶的不同需求,從健康監(jiān)測(cè)到交互娛樂,進(jìn)一步推動(dòng)了智能紡織品的發(fā)展[28]。

聚類#3為相變材料共包含8個(gè)聚類成員,主要包括智能調(diào)溫纖維、黏膠纖維、光致變色、保溫機(jī)理、智能調(diào)溫、功能纖維、吸附特性、智能纖維。相變材料(PCM)能夠在一定溫度范圍內(nèi)改變其狀態(tài),最初在紡織品中應(yīng)用相變材料的領(lǐng)域是航空航天,其目的是將其使用在宇航服中,為宇航員提供更好的保暖效果,抵御外層空間的極端溫度波動(dòng)[29]。相變材料有四種狀態(tài),即固體、液體、氣體和等離子體,因此其具有四種相變過程。但在智能紡織品的應(yīng)用中,只用考慮固體到液體的相變。將相變材料應(yīng)用于智能紡織品之前,需要將其封裝在非常小的球體中,稱為微膠囊。這些智能材料對(duì)溫度波動(dòng)具有高度敏感性,當(dāng)環(huán)境溫度上升時(shí),微膠囊中的相變材料熔化溫度降低,吸收熱量并儲(chǔ)存能量;而在環(huán)境溫度下降時(shí),它們則釋放之前儲(chǔ)存的熱能[30]。相變材料微膠囊與紡織品結(jié)構(gòu)相互作用,在智能紡織品中的功能表現(xiàn)為:保持人體溫度熱平衡,減少人體暴露在低溫或高溫環(huán)境中的概率。

聚類#4為紡織行業(yè)共包含8個(gè)聚類成員,主要包括智能制造、中國制造、綠色制造、再生纖維、紡織產(chǎn)業(yè)、中國紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)、牛仔服裝、生物基聚酰胺。紡織行業(yè)涵蓋了一系列與纖維、紡織品制造、加工和銷售相關(guān)的活動(dòng)。由于智能化技術(shù)的快速提升,積極推動(dòng)了紡織行業(yè)中三個(gè)方面的發(fā)展,主要包括智能化纖維材料、智能化針織設(shè)備與技術(shù)、智能化后整理技術(shù)[31]。其中,智能纖維的崛起顛覆了傳統(tǒng)紡織行業(yè)。融合智能技術(shù),賦予紡織品智能感知和交互功能,使其不僅局限于外觀與保暖,更具健康監(jiān)測(cè)、環(huán)境適應(yīng)等多重用途。這一變革不僅創(chuàng)新了產(chǎn)品,也引領(lǐng)了紡織行業(yè)未來的發(fā)展方向。

聚類#5為仿生學(xué)共包含了9個(gè)聚類成員,主要包括仿生設(shè)計(jì)、異形纖維、中空纖維、變色纖維、人造纖維、分子組裝、智能材料、智能系統(tǒng)、納米技術(shù)。仿生學(xué)又稱為生物仿真學(xué)或仿生技術(shù),指的是對(duì)自然界進(jìn)行模仿并從中獲取靈感的領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步,仿生學(xué)的研究內(nèi)容也在不斷擴(kuò)展和深化。在電子仿生、機(jī)械仿生、建筑仿生、信息仿生等各個(gè)領(lǐng)域,都取得了令人矚目的成就與突破[32-33]。研究智能纖維與其他智能材料一樣,同樣以仿生學(xué)為起點(diǎn)[34]。借鑒仿生學(xué)原理,可以制造出智能紡織品或紡織原材料。通過對(duì)動(dòng)物的皮膚、毛發(fā),以及植物的硬殼和氣孔等進(jìn)行仿生研究,可以找到適用于服裝領(lǐng)域的智能織物,以滿足不同的功能和需求[35]。如仿照某種生物結(jié)構(gòu)可以優(yōu)化智能纖維的強(qiáng)度、柔韌性,也可以在某些方面模仿生物體的溫度敏感、壓力響應(yīng)等?？傊?仿生學(xué)與智能纖維之間的關(guān)系在于,從自然界的生物體中獲得靈感和啟發(fā),以創(chuàng)造出更具功能性、智能性和適應(yīng)性的纖維材料。這種跨學(xué)科的合作可以推動(dòng)新材料和技術(shù)的發(fā)展。

2.3.2 國外關(guān)鍵詞共現(xiàn)聚類

本文同時(shí)生成了英文文獻(xiàn)智能纖維關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)聚類,這些關(guān)鍵詞共現(xiàn)聚類由470個(gè)關(guān)鍵詞構(gòu)成,其中共形成五個(gè)主要聚類,如表4所示。從生成的聚類圖分析結(jié)果來看,英文文獻(xiàn)有關(guān)智能纖維的熱點(diǎn)研究主題可以劃分為五大類,分別為#1 wearable electronics(可穿戴電子產(chǎn)品)、#2 smart materials(智能材料)、#3 smart clothing(智能服飾)、#4 smart textile(智能紡織品)、#5 electrical conductivity(導(dǎo)電性)。

表4 英文文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)聚類

聚類#1為wearable electronics(可穿戴電子產(chǎn)品)共包含了7個(gè)聚類成員,主要包括textile(紡織)、electronics(電子)、smart(智能)、triboelectric(摩擦學(xué))、fabric wearable(織物穿戴)、monitoring(監(jiān)測(cè))、sensing(傳感)。與剛性和平面電子設(shè)備相比,基于纖維的可穿戴電子設(shè)備在柔韌性、拉伸性和透氣性方面具有顯著優(yōu)勢(shì),被認(rèn)為是新一代柔軟可穿戴設(shè)備的先驅(qū)[36]。可穿戴電子產(chǎn)品是智能纖維的一大應(yīng)用方向,其中可穿戴電子產(chǎn)品的導(dǎo)電傳感特性的研究尤為突出,能量收集及數(shù)據(jù)傳感是可穿戴電子產(chǎn)品和電子紡織品面臨的一大挑戰(zhàn)[37]。目前,大多數(shù)可穿戴設(shè)備由外部鋰電池供電,鋰電池笨重且體積大,與紡織相關(guān)的能量收集技術(shù)的研究包括高效柔性無機(jī)薄膜、可印刷有機(jī)薄膜、染料敏化太陽能電池及光伏纖維的使用[38],這些技術(shù)的出現(xiàn)改變了鋰電池笨重不易攜帶的缺點(diǎn),為基于纖維織物的柔性電子器件提供了能量收集的途徑。此外,可穿戴電子設(shè)備憑借基于無線網(wǎng)絡(luò)連接的集成柔性傳感器系統(tǒng),已經(jīng)在環(huán)境和個(gè)體之間發(fā)揮著主導(dǎo)作用。因此,在過去的十年中,通過模仿類似皮膚的功能,如觸覺、濕度或溫度感測(cè)能力,已經(jīng)投入了巨大的努力來開發(fā)多功能的人機(jī)交互設(shè)備,進(jìn)一步推動(dòng)了可穿戴電子產(chǎn)品領(lǐng)域的發(fā)展[39]。導(dǎo)電傳感技術(shù)的不斷優(yōu)化,將增強(qiáng)可穿戴電子產(chǎn)品的感知準(zhǔn)確性、穿戴舒適性和多功能性,從而為科技創(chuàng)新開辟道路。

聚類#2為smart materials(智能材料)共包含了7個(gè)聚類成員,主要包括textile(紡織)、materials(材料)、shape(形狀)、memory(記憶)、polymers smart(聚合物智能)、knitted(針織)、muscle(肌肉)。智能材料是一類具備環(huán)境感知、自適應(yīng)響應(yīng)功能的新型材料,這一概念是由日本的鷹木教授和高木俊宜教授將信息科學(xué)融合于材料的物性和功能而提出的一種材料新構(gòu)思,其構(gòu)成要素包括:1)以人類視角構(gòu)思的智能特性;2)材料內(nèi)在的智能特性;3)材料的基本功能[40]。而基于紡織的智能材料——智能纖維擁有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),其中的靈活性是至關(guān)重要的。這種靈活性包括可彎曲性、可滾動(dòng)性、可拉伸性及永久變形性[41],正是這種卓越的靈活性使得這些智能材料能夠舒適地貼合人體,從而更加準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)人體數(shù)據(jù)。這樣的設(shè)計(jì)不僅能夠提供出色的穿戴體驗(yàn),還能夠保證數(shù)據(jù)的精確性。

聚類#3為smart clothing(智能服飾)共包含了8個(gè)聚類成員,主要包括smart(智能)、clothing(服裝)、antenna(天線)、fabric(織物)、wireless textiles(無線紡織品)、wearable(穿戴)、electronic(電子)、triboelectric(摩擦電)。智能服裝將最新技術(shù)與傳統(tǒng)紡織服裝設(shè)計(jì)和技術(shù)相結(jié)合[42]。服裝是與人類日常生活密切相關(guān)的,而智能服裝的應(yīng)用可以監(jiān)測(cè)用戶的健康狀況并且感知情緒,明確用戶需求從而改變其顏色、紋理和形狀等,以滿足各種需求[43]。目前智能服裝和電子紡織品在軍事、醫(yī)療保健、體育和航空航天領(lǐng)域使用,而不是在普通大眾的日常生活中使用。智能服裝目前雖僅吸引了少數(shù)熱衷技術(shù)的消費(fèi)者,但這些人對(duì)其充滿熱情并紛紛購買。未來,電子產(chǎn)品將悄然隱藏于衣物中,成為更加普遍的趨勢(shì)。

聚類#4為smart textile(智能紡織品)共包含了9個(gè)聚類成員,主要包括smart(智能)、poly(聚合物)、nanoweb(納米網(wǎng))、sulfonate(磺酸鹽)、transmission textiles(傳輸紡織品)、conductive(導(dǎo)電)、resistance(電阻)、polyurethane(聚氨酯)、printing(印刷)。智能紡織具有物理和化學(xué)兩方面的特性,物理特性方面使用納米技術(shù)使得智能纖維元件小型化、微型化,如研究人員設(shè)計(jì)了各種納米發(fā)電機(jī)和超級(jí)電容器,集成到紡織品中,還開發(fā)了可以感知外部刺激并為各種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)產(chǎn)生電子信號(hào)的設(shè)備[44-45];化學(xué)特性方面使用各類化學(xué)物質(zhì)產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)使得纖維材料具有功能性,如納米結(jié)構(gòu)聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)和聚噻吩(PT)是智能紡織中廣泛應(yīng)用的導(dǎo)電聚合物,可以增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度、光學(xué)和導(dǎo)電性能[46]。未來隨著納米技術(shù)、材料科學(xué)和電子工程的進(jìn)一步突破,智能紡織有望變得更加微小而高效。正是智能纖維的物理特性與化學(xué)特性的結(jié)合,使智能纖維具備了更加完善的功能性特征。

聚類#5為electrical conductivity(導(dǎo)電性)共包含了9個(gè)聚類成員,主要包括smart(智能)、textiles(紡織品)、cotton(棉花)、nanotechnology(納米技術(shù))、finishing textile(整理紡織品)、nanoparticles(納米顆粒)、carbon(碳)、silver(銀)、nanotube(納米管)。導(dǎo)電纖維作為一種智能纖維,具有優(yōu)良的導(dǎo)電性,不僅可以用來消除靜電、吸收電磁波,更重要的是具備電信號(hào)的探測(cè)和傳輸[47]。電紡技術(shù)和纖維材料的結(jié)合為智能纖維的制造提供了新想法,并為其在藥物釋放系統(tǒng)、執(zhí)行器、自供電材料、可穿戴電子設(shè)備、人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)視器和傳感器方面的創(chuàng)新應(yīng)用提供了新思路[48]。此聚類反映出智能纖維的核心制備技術(shù)即纖維的導(dǎo)電性能,這是智能纖維功能性的基礎(chǔ)。

根據(jù)中英文文獻(xiàn)關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)聚類表的數(shù)據(jù)的分析,研究認(rèn)為:在技術(shù)方面,智能纖維研究領(lǐng)域利用納米技術(shù)對(duì)傳感器及各類電子元件進(jìn)行微小化處理;在功能方面,利用其導(dǎo)電傳感及發(fā)光的特性對(duì)人體進(jìn)行健康監(jiān)測(cè);在應(yīng)用場(chǎng)景方面,根據(jù)應(yīng)用人群的年齡可劃分為嬰兒、幼兒、老年人、病人、運(yùn)動(dòng)員、宇航員、飛行員等。纖維與傳感技術(shù)的融合將引領(lǐng)創(chuàng)新,可能實(shí)現(xiàn)更精確、實(shí)時(shí)的生物監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸,改善人們的生活質(zhì)量。同時(shí),個(gè)性化設(shè)計(jì)和應(yīng)用將成為重要方向,以滿足不同需求,并為多領(lǐng)域帶來創(chuàng)新和便利。

2.4 關(guān)鍵詞熱點(diǎn)遷移分析研究

突現(xiàn)詞是指總結(jié)出不同時(shí)間段的熱點(diǎn)關(guān)鍵詞,這樣能更好地預(yù)測(cè)研究的前沿方向。本文對(duì)所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)鍵詞突現(xiàn)分析,選取關(guān)鍵詞突現(xiàn)的最短年限為“2”,設(shè)定閾值為“0.6”,最終得到25個(gè)中文文獻(xiàn)突現(xiàn)詞和95個(gè)英文文獻(xiàn)突現(xiàn)詞。本文選取前25個(gè)突現(xiàn)詞,如圖4所示。

圖4 中英文獻(xiàn)智能纖維關(guān)鍵詞Burst term

圖4中紅色部分代表了關(guān)鍵詞引用相對(duì)突出的年份,反映了智能纖維研究的發(fā)展歷程。本文將Top 25突現(xiàn)關(guān)鍵詞按時(shí)間順序進(jìn)行排序,可以看出其分成了3個(gè)明顯的區(qū)間。

從中文文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞突現(xiàn)圖譜中可以看到,2000—2014年的有關(guān)研究是針對(duì)智能纖維材料的討論;2015—2017年的有關(guān)研究將智能纖維應(yīng)用于實(shí)際的智能紡織物當(dāng)中,在理論研究的基礎(chǔ)上衍生出智能服裝等智能纖維產(chǎn)品,研發(fā)出更具目的性的智能功能;2018—2023年的有關(guān)研究更加注重技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用,目前對(duì)于智能纖維產(chǎn)品集中在可穿戴和智能織物的研究上。

從英文文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞突現(xiàn)圖譜中可以看到,2005—2011年英文文獻(xiàn)相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)在智能纖維的材料和應(yīng)用領(lǐng)域;2012—2018年英文文獻(xiàn)相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)與中文文獻(xiàn)大體相似,將智能纖維產(chǎn)品作為研究重點(diǎn),但英文文獻(xiàn)在纖維智能產(chǎn)品的研究面更廣;2019—2023年英文文獻(xiàn)相關(guān)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)在關(guān)注材料研發(fā)的同時(shí),也將目光聚焦在實(shí)際智能纖維產(chǎn)品的應(yīng)用方面,健康監(jiān)測(cè)和物聯(lián)網(wǎng)的接入成為關(guān)注的焦點(diǎn)。

對(duì)比中英文文獻(xiàn)研究突現(xiàn)關(guān)鍵詞圖譜,分析發(fā)現(xiàn)中英文文獻(xiàn)相同時(shí)期研究主題相似,但在研究深入程度方面有所差異。在研究趨勢(shì)上,中英文文獻(xiàn)都將焦點(diǎn)放在智能纖維材料的技術(shù)創(chuàng)新及功能的應(yīng)用上,如石墨烯、智能織物、健康監(jiān)測(cè)等會(huì)是未來的研究重點(diǎn)。綜合近年的關(guān)鍵詞突現(xiàn),健康監(jiān)測(cè)、智能服裝、導(dǎo)電傳感三個(gè)方面熱點(diǎn)關(guān)鍵詞出現(xiàn)較為頻繁,這也代表著智能纖維未來的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)。

3 智能纖維的未來發(fā)展趨勢(shì)

基于關(guān)鍵詞共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)聚類及關(guān)鍵詞Burst term的數(shù)據(jù)分析結(jié)果,結(jié)合新聞報(bào)道、國家政策文件、市場(chǎng)等綜合因素,總結(jié)了未來智能纖維研究領(lǐng)域的四類發(fā)展方向。

3.1 智能服裝——信息傳達(dá)的載體

目前服裝領(lǐng)域中科技與服裝結(jié)合的研究正如火如荼,將大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)引入到服裝當(dāng)中,促進(jìn)服裝行業(yè)的發(fā)展[49]。智能服裝與普通服裝的區(qū)別在于,智能服裝能夠給人帶來更多的數(shù)據(jù)信息,信息感知-信息傳遞-信息反饋這整個(gè)信息傳達(dá)的過程以智能服裝為載體,就像智能手機(jī)一樣,能夠給人帶來豐富多彩的信息。未來隨著智能纖維技術(shù)的不斷進(jìn)步,智能服裝的功能也會(huì)更加地完善,而服裝更是日常生活的必需品,因此智能服裝的研究將會(huì)成為智能纖維的重要研究方向之一。

3.2 健康監(jiān)測(cè)——信息的感知

智能纖維對(duì)人體的健康監(jiān)測(cè),實(shí)際上是對(duì)人體信息的感知。不同的人群所要感知獲取的信息也不同,因此智能服裝面對(duì)不同的用戶群體會(huì)具有不同的功能側(cè)重,面對(duì)老年人和低齡兒童的智能服裝需要考慮其認(rèn)知水平和免疫力的問題,在智能服裝中就要考慮加入自動(dòng)保暖、防水防風(fēng)抗菌、睡眠監(jiān)測(cè)、跌倒監(jiān)測(cè)或心率體溫?cái)?shù)據(jù)自動(dòng)測(cè)量等功能。不同的性別也會(huì)導(dǎo)致智能服裝的功能差異,如男性相較于女性會(huì)有更大的運(yùn)動(dòng)量,除了運(yùn)動(dòng)過程中的各種數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)外,還需要考慮智能服裝的易維護(hù)性,即減少磨損增加服飾壽命。未來在進(jìn)行智能纖維數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的研究中,可以使用用戶調(diào)研的方法,針對(duì)不同用戶群體對(duì)智能纖維感知功能的需求進(jìn)行分析,促進(jìn)智能纖維技術(shù)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

3.3 導(dǎo)電傳感——信息的傳遞

導(dǎo)電傳感技術(shù)是智能纖維實(shí)現(xiàn)智能的關(guān)鍵,它成為人連接機(jī)器的橋梁,人體所產(chǎn)生的各種信息數(shù)據(jù),通過智能纖維的導(dǎo)電進(jìn)行信息傳感,這起到了信息傳達(dá)過程中信道的作用,幫助用戶接受到大量的數(shù)據(jù)。而更加高效節(jié)能的導(dǎo)電傳感技術(shù)能夠提高智能纖維的待機(jī)時(shí)間和傳感速率,也就意味著智能纖維能夠?yàn)橛脩魩砀玫捏w驗(yàn)。

3.4 物聯(lián)網(wǎng)的接入——信息的反饋

近年來,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不斷發(fā)展,在智能家居領(lǐng)域已經(jīng)逐步實(shí)現(xiàn)了“萬物互聯(lián)”的概念,而智能纖維的介入能夠使得未來世界更加方便快捷。智能纖維感知到人體的各種信息數(shù)據(jù),通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺(tái),這樣智能家居可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的人體數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,如當(dāng)智能纖維感受到人體疲倦時(shí)可以遠(yuǎn)程將房間燈光亮度調(diào)低幫助入睡,或是在感受到人體體溫上升或下降時(shí),將房間空調(diào)溫度調(diào)低或調(diào)高,從而提高睡眠質(zhì)量等。物聯(lián)網(wǎng)的接入可以根據(jù)人體的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)改善用戶周邊的環(huán)境狀態(tài),即在接收到智能纖維感知的數(shù)據(jù)信息后對(duì)信息進(jìn)行識(shí)別反饋,從而提高用戶的體驗(yàn)度。

4 結(jié) 論

2014年德國提出未來紡織計(jì)劃(futureTEX)以來,智能纖維領(lǐng)域中的中英文文獻(xiàn)出現(xiàn)了大幅度的上升趨勢(shì),各國都希望在下一次工業(yè)革命4.0到來時(shí),能夠在國際上占據(jù)一席之地。通過對(duì)主要研究作者和機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)中文文獻(xiàn)的研究作者和研究機(jī)構(gòu)之間存在著一定的合作關(guān)系,但是英文文獻(xiàn)的研究作者和研究機(jī)構(gòu)之間的合作更為緊密。通過關(guān)鍵詞聚類研究可以發(fā)現(xiàn),智能纖維的研究內(nèi)容目前主要集中于工學(xué)和理學(xué)領(lǐng)域,表明目前智能纖維的研究更多在其材料和技術(shù)領(lǐng)域,對(duì)于場(chǎng)景應(yīng)用的討論還尚淺。中文文獻(xiàn)的研究領(lǐng)域聚焦于#1智能、#2復(fù)合材料、#3相變材料、#4紡織行業(yè)和#5仿生學(xué),英文文獻(xiàn)的研究領(lǐng)域則側(cè)重于#1 wearable electronics(可穿戴電子產(chǎn)品)、#2 smart materials(智能材料)、#3 smart clothing(智能服飾)、#4 smart textile(智能紡織品)和#5 electrical conductivity(導(dǎo)電性)。從Burst term維度看智能纖維的未來研究熱點(diǎn)將主要集中在智能服裝、健康監(jiān)測(cè)、導(dǎo)電傳感等方向,同時(shí)關(guān)注智能纖維產(chǎn)品在接入物聯(lián)網(wǎng)之后所能提供的信息,將能最大限度地發(fā)揮智能纖維的智能屬性,研究成果將能對(duì)智能纖維未來的研發(fā)提供參考建議。盡管智能纖維在技術(shù)與材料研究等方面取得顯著突破,但國內(nèi)外仍面臨標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)共享、應(yīng)用商業(yè)化、環(huán)境可持續(xù)性等挑戰(zhàn),需要跨學(xué)科合作與國際合作以克服這些挑戰(zhàn)。

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