電子智能紡織品的應用及發(fā)展趨勢

吳艷平,董衛(wèi)國

(天津工業(yè)大學，天津 300387)

電子智能紡織品的應用及發(fā)展趨勢

吳艷平,董衛(wèi)國

(天津工業(yè)大學，天津300387)

文章介紹了電子智能紡織品的概念及其具體組成元件，并對其在醫(yī)療、娛樂、體育、軍事等方面的應用做了簡單介紹,對其存在的問題進行了描述，最后評述了其未來的發(fā)展方向。

電子智能紡織品；傳感器；應用

進入21世紀以來，隨著世界范圍內(nèi)工業(yè)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)紡織已經(jīng)不能滿足人們的需求，于是智能紡織品得到飛速發(fā)展。所謂智能紡織品，它是一類既有一般紡織品的特征同時通過特殊處理使其對外界變化能夠感知并且做出反應的紡織品，因此它比一般的紡織品具有更多的功能[1]。根據(jù)目前已有的研究和報道，典型的智能紡織品主要可以分為下幾大類：電子信息智能紡織品、相變材料和智能調(diào)溫紡織品、變色紡織品、抗菌紡織品、形狀記憶高分子及紡織品等。本文就電子信息智能紡織品做一簡單介紹。

1 電子智能紡織品的概念及設計過程

1.1電子智能紡織品的概念

電子智能紡織品是智能紡織品中比較特殊的一類紡織品，它不只是電子組件及電子電路與紡織品結(jié)合，而是基于電子技術，將傳感、通訊、人工智能等高科技手段應用于紡織技術上而開發(fā)出的新型紡織品，它是把電子組件及電子電路以紡織品形態(tài)呈現(xiàn)，導電性紗線可用來傳輸電流及訊號，而導電性織物可作為電容器、傳感器、加熱器等。它可以收集機密信息、監(jiān)控重要的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并把這些信息通過無線遠程傳輸手段作進一步處理[2]。

1.2電子智能紡織品的設計過程

電子智能紡織品具體組成及具體設計過程可以從圖1進行說明[3]，我們把它分成5個部分，首先從最基礎的部分說起。電子智能紡織品的設計涉及到了使用的材料、組織結(jié)構(gòu)和制作工藝的探究。這一部分對其功能實現(xiàn)的好壞起到很關鍵的作用。因為這幾部分是它實現(xiàn)的基礎，選擇不當會最終導致其功能無法實現(xiàn)。電子智能紡織品設計需考慮的第二個主要部分就是織物里各個結(jié)構(gòu)體系間的相互聯(lián)系。這涉及到數(shù)據(jù)傳輸通道的設計與整合和一般連接技術的應用，比如紡織品里的織物電路回路的布局。整合傳感器、微芯片和其它設備對實現(xiàn)電子智能紡織品的智能化是非常重要的，這就是它的第三個主要部分：計算機硬件的整合，這一部分涉及到了數(shù)據(jù)的傳輸。信息處理的問題如由于制作不完善引起的故障容差以及在電子紡織品內(nèi)部和電子紡織品與外部設備的運行環(huán)境對最佳利用電腦資源是相當關鍵的，因此，軟件是它的第四個主要部分，這一部分的結(jié)果可用來指導穿著者或使用者下一步的動作。最后一個部分說明了評價電子智能紡織品的性能需要考慮到的因素，它具體包括最終成品的的外形尺寸、成本、工藝、數(shù)據(jù)流動率、故障容差等。這個圖像同時說明了電子智能紡織品的成功研制需要研究許多學科包括紡織、計算機、通信系統(tǒng)、傳感器技術和最終應用的領域(例如醫(yī)學、軍事等)。

2 電子智能紡織品的應用

隨著人們對電子智能紡織品研究的深入，各種功能的產(chǎn)品已經(jīng)被研發(fā)出來并且應用到生活中的各個領域，極大地提高了人們的生活質(zhì)量。

圖1 電子智能紡織品

2.1醫(yī)用保健電子智能紡織品

Taccini.N等人研究出了一種用于心肺疾病監(jiān)測的智能內(nèi)衣，這種內(nèi)衣包含三個壓阻織物傳感器，位置如圖2所示，通過無線藍牙技術把電信號傳給相應監(jiān)測的家人或醫(yī)生，就可以得出病人的健康狀況；美國太空總署艾姆斯研究中心研發(fā)出利用銅與氧化銅導線緊密交織織物，并且在這種面料的每個交織結(jié)合點上放置了納米的鉑金薄膜，從而形成抗阻存儲電路。將紡織品與納米電子技術結(jié)合從而形成電子紡織品，可以監(jiān)測老年人或在惡劣環(huán)境中工作人員的生命信號，如呼吸、血壓、脈搏、體溫等數(shù)據(jù)，然后通過傳感器技術將這些數(shù)據(jù)傳送給醫(yī)務工作者[4]；Coyle等人利用聚吡咯開發(fā)出了一種織物彎曲傳感器的手套(圖3)，通過利用手指彎曲到手指伸直這一過程顯示器圖像的變化，我們可以用來評估人們身體各關節(jié)的運動，并且可以利用這種技術評估中風后身體肌肉的恢復情況，通過這種監(jiān)測關節(jié)的彎曲的方式有望用于自動評定病人身體恢復情況。瑞士一家公司研制的防止老年人摔倒的防撞服裝及美國南加利福尼亞州VivoMet rics 健康信息與監(jiān)測公司研制的幾乎可以監(jiān)測30多種生理變化的救生襯衫以及預防嬰兒猝死綜合癥生命衣的開發(fā)以及其它一些醫(yī)用保健電子智能紡織品的開發(fā)，極大地提高了人們對疾病的監(jiān)測[5-6]。

2.2娛樂用電子智能紡織品

Sunwoo,J等人利用FSB技術成功研究出了一種智能連帽外套(圖4)，這種外套通過導電紗線把帽子和外套連接，內(nèi)部由導電紗線縫上兩個芯片，它們分別是光/溫度傳感器和MP3播放器軟件，當穿著者穿上連帽外套時，MP3播放器就會播放音樂，當脫下時，音樂就會停止，并且音樂音量會隨著周圍環(huán)境的亮度變化而變化。當穿著者在比較暗的環(huán)境中時，音樂音量會自動減小，當穿著者從黑暗環(huán)境中走出來時，音樂音量又會恢復正常；香港理工大學利用聚吡咯涂層織物傳感器開發(fā)出了一種跳舞衣，可以監(jiān)測人肘部和膝部的傳感器放在跳舞衣的肘部和膝部，當跳舞者動作變化時，傳出的變化信號就會使相應連接電腦的音響傳出相應的音樂。

圖2 智能內(nèi)衣

圖3 智能手套

圖4 連帽外套

圖5 呼吸傳感器襯衣

2.3體育用電子智能紡織品

隨著競技比賽的增多以及人們對自身的重視，對體育用電子智能紡織品的研究也逐漸增多。Shirley Coyle等人研究出了一種測試人運動時呼吸速率的傳感器(圖5)，它是把導電的聚吡咯涂在改性的海綿上，或用碳處理后制成傳感器通過導電紗線與處理器連接，并通過無線傳輸系統(tǒng)傳到電腦上，進行分析判斷。這種傳感器可以很好地反饋運動員的的訓練耐力及訓練效果，建議繼續(xù)用同種方式訓練還是改變訓練方式以及是否適合繼續(xù)訓練。通過利用這種傳感器改善呼吸方式對身體健康特別是壓力過大者都是很有幫助的。澳大利亞一個大學的研究人員利用可導電的聚合物傳感器研究出了一種智能胸衣，這種智能胸衣可以監(jiān)測人胸部的運動，根據(jù)胸部運動情況來自行調(diào)節(jié)背帶的松緊以及罩杯的軟硬情況，從而把胸衣調(diào)節(jié)到運動時的最舒適狀態(tài)，這對喜愛運動的女性尤其是女性運動員都是相當有利的[7]。拉普蘭大學與一些機構(gòu)合作, 開發(fā)了一種包括羅盤、加速度計和全球定位系統(tǒng)( GPS)等傳感器的滑雪運動服裝。 它可提供穿著者的運動情況、健康信息及位置。如果穿著者不幸出現(xiàn)意外狀況, 它們會即時向監(jiān)測穿著者情況的辦公室發(fā)送其所在位置坐標和生理數(shù)據(jù)的信息，以便及時救援[8]。

2.4軍事用電子智能紡織品

電子智能紡織品應用最廣泛的領域除了醫(yī)療領域就是軍事領域。美國佐治亞州理工學院將塑料光纖植入襯衣,制成了一種智能襯衫,它可以協(xié)助醫(yī)務工作者監(jiān)測士兵的各項生理指標以便了解他們的身體情況,在戰(zhàn)爭中，如果穿著者被子彈擊中以致T恤出現(xiàn)破洞，T 恤中的光信號便不能傳至另一端,于是監(jiān)測士兵狀況的醫(yī)務人員就會監(jiān)測到已經(jīng)受傷的士兵，并會通過了解周圍情況及時安排救援[6];弗吉尼亞理工大學的研究人員設計出了一種聲陣織物帶，它可被裝配在降落傘、帳篷或偽裝網(wǎng)上并通過內(nèi)置的麥克風接收處理數(shù)據(jù)，并可將結(jié)果傳輸?shù)酵饨缁蛳鄳到y(tǒng)，這種織物帶用于對軍用車輛及坦克移動的偵查[9]。嵌有生化、超微感應器的智能化作戰(zhàn)服具有很多特殊功能，士兵的多項身體機能如血壓、心率、體溫等都可以通過它監(jiān)測到，并可辨別止血位置然后自行止血，同時還能抵御火焰、化學試劑及其它戰(zhàn)場災難的侵害[10]。

2.5其它方面的應用

Jan Meyer等人在美國麻省理工學院的研究人員開發(fā)的織物鍵盤的基礎上研究了一種監(jiān)測人們坐姿的傳感器，把這種傳感器分別安裝在椅子的座位處和后部背椅處，當人們坐姿變化時，人對椅子各部位的壓力也隨之變化，于是這種傳感器根據(jù)壓力的變化監(jiān)測出人的坐姿，利用這種傳感器，我們可以糾正人們的坐姿，預防痔瘡，非常有利于人體健康，把這種傳感器應用到汽車上，還可以監(jiān)測司機的坐姿，通過坐姿推測司機的開車方式，這對車禍分析也是很有幫助的[11]。把一些特殊的光導纖維織入織物中制成探測有毒物質(zhì)的織物，當感應裝置探測到生物化學藥劑、有毒物質(zhì)時會發(fā)出報警信號提醒工作者，這對會接觸到有毒物質(zhì)的人員或消防員的自身保護都很有作用[12]。同時當把導電纖維織入消防服中，當消防人員執(zhí)行消防任務時，如果面臨火焰危險自己卻未能注意時，這種能夠傳輸信號的纖維就能通過傳感器系統(tǒng)提醒消防人員躲避危險[13]。

3 存在的問題

相比于最初的電子紡織品，目前研究的電子智能紡織品具有更多的優(yōu)勢。它摒除了以前笨重的特點，正在向輕薄、柔軟、可機洗方向發(fā)展，同時它沒有了電線的牽制，并且傳感器可以隱藏在紡織面料中進行遠距離監(jiān)測，但在它的實際應用過程中，仍然存在一些問題，需要進一步研究改進[11-14]。

3.1靈敏性

作為能有效傳輸信號的紡織品，對于身體的變化都要能感知出來，由于有些變化很細微，需要有足夠高的精度才能感應出來，這就需要電子智能紡織品有足夠的靈敏性，但目前的電子智能紡織品靈敏度都不是很高。

3.2信號的延遲

從目前的研究來看，許多傳感器都存在信號延遲的問題，即傳感器從開始變化到信號傳入電腦軟件顯示結(jié)果的過程中都需要一定的反應時間，這段時間因所應用的技術不同而不同，這也許與傳感器的靈敏程度及信號的接收有關，現(xiàn)在許多研究者正致力于減小這種信號延遲的研究，以便使信號延遲的時間減到最小，因為信號的延遲可能會危及到人的生命。

3.3安全性

目前研究的電子智能紡織品里都會存在電子元件，如果電子元件長期穿在人身上，它勢必會對人體的健康產(chǎn)生不良影響，同時信號的傳遞已經(jīng)使用無線技術，傳遞過程中出現(xiàn)的電磁波也會對人體健康有一定影響，如何使這些影響減小到最小，也成為我們噬待解決的難題。

4 展望

隨著人們對納米技術、無線傳輸技術以及微電子技術研究的加大，使電子智能紡織品的開發(fā)有了更廣闊的空間。同時利用這種多學科交叉開發(fā)的高附加值的的紡織品也促進了紡織業(yè)的發(fā)展。未來電子智能紡織將會逐漸脫離融合技術或是安置技術, 而是會在兩種產(chǎn)品的原材料制造或服裝布料的織造過程中就已經(jīng)有機地結(jié)合在一起[15]。但目前的研究仍然處于探索階段，隨著科技的進步和人們對電子智能紡織品研究的深入，這種智能化的電子智能紡織品一定會成為社會的主流，發(fā)展勢頭將勢不可擋。

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ApplicationandDevelopmentTendencyofSmartTextileswithElectronicInformation

WuYanping,DongWeiguo

(Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387,China)

The concept of smart textiles with electronic information and the components were introduced.as well as the application at healthcare, entertainment, sport,military and other aspects.The problems and future development were described at last.

smart textiles with electronic information; sensor； application

TS10

A

1009-3028(2012)03-0038-04

2012-04-21

吳艷平(1985—)，女，河北廊坊人，碩士研究生。