智能化服裝設(shè)計與研發(fā)

杜勁松,李司琪,余雅蕓,費中華,丁妤婕

(1.東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院,上海 200051; 2.浙江森馬服飾股份有限公司,浙江 溫州 362000)

0 引 言

智能化服裝推動了科技的發(fā)展,它不僅能夠感知服裝外部環(huán)境和內(nèi)部的狀態(tài)變化,還通過反饋機(jī)制實時地對各種人體變化做出響應(yīng)。智能服裝在保障服裝穿著舒適的前提下,給用戶提供智能分析、反饋控制和決策支持[1],融合了電子信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、紡織科學(xué)及服裝設(shè)計等多個學(xué)科[2-3]。國外對于智能化服裝的研究開始于20世紀(jì)30年代,涉及到社會醫(yī)療、政治軍事、運動監(jiān)護(hù)等方面,而國內(nèi)研究起步較晚,起初多集中在面料研發(fā)方面。隨著電子信息技術(shù)、紡織科學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展,智能化服裝的研究也進(jìn)入了一個全新階段[4]。自20世紀(jì)90年代美國麻省理工學(xué)院媒體實驗室研發(fā)出可穿戴多媒體計算機(jī)以來,服裝也不再僅限于舒適和時尚,具有了健康監(jiān)測、溝通交流等額外的功能,智能化服裝已經(jīng)成為未來智能穿戴技術(shù)的載體。根據(jù)Gartner的預(yù)測,未來5年內(nèi)的市場規(guī)模將達(dá)到49.7億美元,預(yù)估到2020年的智能服裝年銷售量達(dá)到1000萬件。目前市面上的智能服裝存在著設(shè)計不夠美觀、電子元件與服裝一體化程度較低等外部問題,也存在著材料研發(fā)程度低、安全性能較低等內(nèi)部問題[1]。隨著智能服裝研發(fā)的推進(jìn),研究熱點和難點聚焦在產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計、提高服用性能、完善研發(fā)模式[5]以及建立可持續(xù)發(fā)展的智能服裝產(chǎn)業(yè)鏈上。由于智能化服裝品類繁多、功能各異,并涉及各學(xué)科領(lǐng)域的前沿技術(shù),產(chǎn)品信息繁雜,設(shè)計研發(fā)工作難度大,所以有必要對智能服裝的分類、功能、技術(shù)、發(fā)展趨勢及技術(shù)瓶頸等進(jìn)行詳細(xì)總結(jié)分析。

1 智能化日常服裝

智能化服裝在人們?nèi)粘Ｉ钪性絹碓狡占?智能化日常服裝可分為運動保健類、健康監(jiān)測類和休閑娛樂類等。

1.1 運動保健類

運動保健智能化服裝能對人體運動時候的心跳、呼吸、壓力等數(shù)據(jù)做出分析,結(jié)合移動終端的應(yīng)用,實時提示人體運動量,為運動者制定有針對性的健身計劃。Ralph Lauren發(fā)布的Polo衫具有3類32種不同的感應(yīng)器,讓檢測結(jié)果會更為準(zhǔn)確。OMSignal公司推出的男士運動衫和女士智能運動文胸能跟蹤穿戴者的步數(shù)、跑步距離、卡路里和心率等健身指標(biāo),并能分析出人體呼吸效率、疲勞水平、運動消耗等數(shù)據(jù)。Radiate熱感應(yīng)變色T恤[6]能通過熱敏感傳感器將運動者身體特定部位或肌肉群訓(xùn)練情況轉(zhuǎn)化為面料的顏色變化,讓運動者隨時了解體內(nèi)新陳代謝、血液流動、肌肉膨脹等情況。Hexoskin運動背心通過生物傳感器能夠記錄穿戴者的測量心率、步數(shù)、卡路里消耗和呼吸等數(shù)據(jù),并能追蹤人體夜間睡姿、心跳、呼吸等睡眠狀況,對人體進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。以Arduino UNO與Myoware表面肌電傳感器[7]為設(shè)計基礎(chǔ)所制作的運動緊身衣能夠采集、計算、比較運動者的肌電,并將其與之前設(shè)定的閾值進(jìn)行比較。當(dāng)肌電達(dá)到設(shè)定閾值時就會對穿戴者發(fā)出警告,以防止運動過程中的肌肉拉傷等。

1.2 健康監(jiān)測類

為達(dá)到監(jiān)測身體各項健康指標(biāo)的目的,智能化服裝對人體健康數(shù)據(jù)測量準(zhǔn)確性要求更高,并能夠低負(fù)荷、長期連續(xù)地獲取人體心電、呼吸、體溫等生理信息[8],讓著裝者隨時關(guān)注自身健康狀況,預(yù)防疾病。加拿大Hexoskin公司研制的生理參數(shù)測量襯衫,通過在胸下、腹部的傳感器監(jiān)測人體的步數(shù)、心率、呼吸、睡姿等[9]。日本ATOUN公司的老年人動力輔助智能服裝,當(dāng)傳感器檢測到人體重心變化時,會通過馬達(dá)對人體施加輔助力量。健康監(jiān)測類智能服裝還能檢測老年人的睡眠質(zhì)量,并且達(dá)到助眠的效果。老年人的體溫調(diào)節(jié)能力較差,相變調(diào)溫面料[10]擁有抗靜電性能,同時還能根據(jù)老年人不同的體表狀況儲存或者釋放熱量,提高老年人的體表舒適度。Owlet care兒童睡眠呼吸監(jiān)測襪可識別人體潛在的如睡眠不規(guī)則、RSV(呼吸融合細(xì)胞病毒)、肺炎、支氣管炎、慢性肺病和心臟缺陷等健康問題。英特爾和臺灣AIQ公司合作研發(fā)的監(jiān)測身體健康狀況的T恤,也是通過監(jiān)測心率、心電圖等來分析著裝者的身體健康水平。Lumo Bodytech Lumo Lift公司的姿勢追蹤智能服裝能感知脊椎活動狀況,通過傳感器的振動來改善穿著者的站姿和坐姿。

1.3 休閑娛樂類

休閑娛樂智能化服裝為都市人群提供了多元化生活體驗,通過增加智趣性和易攜帶性實現(xiàn)了新的娛樂方式[11]。Danilo等設(shè)計的Pacer連體服配備有捕捉人體肌肉運動的傳感器,并通過觸發(fā)器將信息轉(zhuǎn)化成音樂旋律,將人體動作轉(zhuǎn)化為不同的音樂。英國CuteCircuit公司開發(fā)出能夠顯示推文的服裝(Twitter dress)和配飾[12],研發(fā)團(tuán)隊運用激光蝕刻的丙烯酸鏡面來制作服裝,這種材料可以使LED光線穿透其表面,在服裝表面顯示各種有趣的動畫效果,以達(dá)到娛樂的效果。

2 智能化功能性服裝

2.1 人衣交互

人和服裝之間的有效互動能調(diào)節(jié)人的情緒,提升體驗效果,有利于消費者與服裝的深度溝通,感性和理性的雙重追求能夠在人衣交互中實現(xiàn)。在體驗經(jīng)濟(jì)時代,智能化功能性服裝能夠給用戶帶來心理上的認(rèn)同感以及感官體驗[13],調(diào)整穿著者心理狀態(tài),以達(dá)到舒緩情緒的目的。針對兒童設(shè)計的智能化可穿戴產(chǎn)品[14]遵循兒童成長的發(fā)展規(guī)律,將人的情感與服裝進(jìn)行有效結(jié)合,增強(qiáng)不同年齡段兒童的情感體驗。人體可以直接與服裝進(jìn)行“溝通”,人的心情、體溫、運動等生理特征通過服裝的造型、顏色、結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行交互影響。蒙特利爾大學(xué)和倫敦大學(xué)的研究人員設(shè)計開發(fā)的可智能情緒感知服裝Wearable Absence Project(WAP),通過內(nèi)部裝置的傳感器、擴(kuò)音器、信號分析器等,實時判斷使用者的情緒變化,服裝會自動播放輕音樂來舒緩穿戴者低落的情緒,使穿著者達(dá)到內(nèi)心的平靜。類似的智能服裝也能對兒童心理成長和智力開發(fā)進(jìn)行輔導(dǎo),如會講故事的T恤、會唱歌的睡衣、會發(fā)光的裙子等。

2.2 實時監(jiān)控

具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能的智能化服裝將柔性紡織結(jié)構(gòu)、柔性高分子膜器件、嵌入式傳感器等系統(tǒng)集成技術(shù)應(yīng)用在服裝設(shè)計上,對穿著者進(jìn)行健康體征監(jiān)測[15-16],利用無線通信、無限體域網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送到信息平臺,使得人體生理狀況得到實時監(jiān)控,可有效預(yù)防疾病和醫(yī)學(xué)治療輔助等。兒童智能監(jiān)控裝備設(shè)計為具有防止兒童走失功能的智能服裝、書包、鞋、電話、手表等。嬰幼兒生命體征監(jiān)護(hù)內(nèi)衣、睡衣可以設(shè)計為具有尿濕提醒功能。Intel聯(lián)手運動服裝設(shè)計師Chromat推出的運動型“響應(yīng)式服裝”能根據(jù)用戶的體溫、腎上腺素或壓力進(jìn)行監(jiān)控響應(yīng)。挪威實驗室開發(fā)的“感知身體”智能服裝,通過濕度傳感器監(jiān)控穿著者的狀況,確保極端天氣條件下工作者的安全性。美國喬治亞理工學(xué)院研發(fā)了多功能的非干擾計算模型[17],運用該計算模型可通過智能襯衫實時遠(yuǎn)程監(jiān)控士兵的生命體征。

2.3 外界環(huán)境響應(yīng)

2.3.1 變色服裝 由于外界環(huán)境中溫度、光、電、濕度等的變化,導(dǎo)致變色材料或器件的折射率(或反射率)改變,進(jìn)而從視覺上產(chǎn)生了顏色變化。服裝變色材料或器件可分為熱致變色、光致變色、電致變色等。Karpagam等將藍(lán)色和橙色熱致變色染料進(jìn)行配比,在棉織物上繪制出不同顏色印花圖案[18]。變色服裝可隨人體體溫的改變而變色,以提醒運動員各部位的鍛煉情況。當(dāng)服裝受到光照時,材料內(nèi)部的高分子排列順序發(fā)生變化,使得服裝的狀態(tài)改變,這種基于光敏變色[19]材料特性的變化也是可逆的。美國Clemson大學(xué)的研究者將光纖與噻吩衍生物等變色染料相結(jié)合,實現(xiàn)了纖維顏色的自動變化。碳納米管(CNT)表面直接涂覆聚丁二炔(PDA)前軀體,并使丁二炔基在紫外光下發(fā)生拓?fù)浠瘜W(xué)聚合,從而合成CNT/PDA復(fù)合纖維,該復(fù)合纖維在電流刺激下迅速改變顏色,可應(yīng)用于航空航天及軍事領(lǐng)域。

2.3.2 變形服裝 變形材料在外部環(huán)境刺激下會產(chǎn)生變形致動響應(yīng),引發(fā)的形變可分為熱響應(yīng)變形、光響應(yīng)變形、濕響應(yīng)變形等。柔性變形纖維可應(yīng)用于智能化服裝設(shè)計中,如可舒張卷曲的全氟磺酸離子聚合物(PFSA)薄膜對濕度敏感,利用其不均勻吸水膨脹的特性,模擬自然界中花瓣隨濕度變化,材料呈現(xiàn)出不同形狀,將其與旗袍結(jié)合制作出不同的變形旗袍。另外,不同螺旋角的PAAS/GO纖維(tP/GO),由于其光熱效應(yīng)和對水的吸附性,使得纖維螺旋槽收縮,纖維的遠(yuǎn)程控制光響應(yīng)變形特性在智能服裝設(shè)計中也得到應(yīng)用。

2.4 軍事防護(hù)

目前智能化服裝在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用也受到廣泛關(guān)注。軍事防護(hù)型智能服裝能夠感知子彈、病毒、輻射及化學(xué)物質(zhì)等,從而阻隔子彈等外部沖擊,保護(hù)士兵安全。智能面料可以過濾有害化學(xué)物質(zhì)、戰(zhàn)場灰塵等,同時使空氣、水分能夠穿透服裝表面,起到防護(hù)保濕作用,如I-Protect項目[20]能監(jiān)控周圍的空氣質(zhì)量、氧氣濃度等,并反饋給監(jiān)測臺,發(fā)揮數(shù)據(jù)監(jiān)測的作用。

3 智能化服裝前沿技術(shù)運用

3.1虛擬技術(shù)AR/VR

虛擬技術(shù)與智能服裝的結(jié)合能增強(qiáng)穿戴者的沉浸式體驗。Teslasuit是全球首款集成了觸覺反饋、動作捕捉、氣候控制和生物特征反饋系統(tǒng)的智能服裝,擁有64個觸點傳感器,玩家在游戲中能夠通過震動傳感器體驗到被擊中的感受,借助動作捕捉傳感器實現(xiàn)玩家在虛擬環(huán)境下的真實感受。Dior Eyes的VR頭顯設(shè)備讓穿戴者仿佛置身于時裝秀后臺,可清晰看到模特化妝和著裝準(zhǔn)備的場景。其屏幕像素密度達(dá)515 ppi,視角接近100°,立體音效增強(qiáng)了用戶視聽體驗。Tommy Hilfiger與荷蘭VR研發(fā)團(tuán)隊合作推出的VR設(shè)備,使用專業(yè)鷹眼鏡頭相機(jī)全程拍攝,VR設(shè)備會自動調(diào)節(jié)最佳視角呈現(xiàn)模特的T臺表演,讓顧客能身臨其境地欣賞到服裝的動態(tài)美,提高顧客的購買欲望。

3.2 可穿戴技術(shù)

可穿戴設(shè)備與服裝的融合為人類提供更為便利的智能服務(wù)。谷歌聯(lián)合Levi’s推出了一款Project Jacquard智能夾克,利用導(dǎo)電紗線制成電容式觸控感測器連接織物控制器,將傳感器與服裝面料融合,利用織物來控制移動設(shè)備。2017年蘋果公司申請了3種智能織物發(fā)明專利,包括可識別觸摸手勢的觸敏紡織裝置、具有嵌入式輸入輸出設(shè)備的3D織物結(jié)構(gòu)、具有嵌入式電子元件的織物。Mimo的嬰兒連體衣可通過服裝表面的感應(yīng)器來監(jiān)測嬰兒的呼吸。Thomas等用紗線將由太陽能電池板和超級電容器組成的銅帶編織在一起,并嵌入到服裝中,研制出可吸收和儲存太陽能的服裝[21],這種自供電裝備解決了蓄電池體積大、不易攜帶的問題[22]。

3.3 智能面料

智能面料的開發(fā)賦予了智能服裝更多的功能性。美國華盛頓大學(xué)用其開發(fā)的新型智能面料制作成夾克衫,可儲存從安全碼到識別標(biāo)簽等信息,且不需要任何機(jī)載電子設(shè)備或傳感器,實現(xiàn)無線化的互聯(lián)互通。在160 ℃下經(jīng)洗滌、干燥和熨燙后,服裝仍保留著原有數(shù)據(jù)[23]。美國馬里蘭大學(xué)研發(fā)出一種智能面料,能夠根據(jù)環(huán)境溫濕度自動調(diào)節(jié)面料溫度,這種面料的紗線中含有導(dǎo)電碳納米管[24],同時結(jié)合紗線自身的吸濕放濕性能,在透氣散熱的同時,也能在低溫狀態(tài)下防止熱量散失。墨子星智能科技公司自主研發(fā)出墨璽智能纖維,它將石蠟類相變材料(phase change material,PCM)制成的納米顆粒與磁性纖維一起加入紡絲材料中。該面料具有磁療、遠(yuǎn)紅外、恒溫儲熱、抑菌除臭等特點,能夠促進(jìn)血液循環(huán)、調(diào)節(jié)血壓、消除疲勞、提高機(jī)體免疫力,改善穿戴者的身體健康。瑞士Schoeller公司推出的可彈性調(diào)整溫度的智能面料,運用類似冷杉球果的薄膜原理,根據(jù)環(huán)境變化自動調(diào)整著裝的溫濕度。

3.4 人工智能AI技術(shù)

AI技術(shù)的發(fā)展給服裝制造業(yè)帶來了技術(shù)革新。韓國HANDSOME公司的“SJYP”品牌與Designovel公司聯(lián)合推出了人工智能設(shè)計的衣服。將品牌的logo和卡通形象提供給AI技術(shù)研究員并輸入Style AI系統(tǒng),系統(tǒng)根據(jù)服裝品牌及材質(zhì)等信息,利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像處理技術(shù)學(xué)習(xí)掌握產(chǎn)品風(fēng)格,并與設(shè)計師合作進(jìn)行產(chǎn)品規(guī)劃,根據(jù)設(shè)計師的要求反復(fù)修改完善設(shè)計。深蘭科技DeepVogue服飾輔助設(shè)計系統(tǒng)具有人工智能深度學(xué)習(xí)技術(shù),設(shè)計師將自己采集到的時裝秀圖片、產(chǎn)品照片等素材導(dǎo)入系統(tǒng),并設(shè)置主題或關(guān)鍵詞,即可生成上千張設(shè)計圖,有效縮短了設(shè)計時間,保障了品牌內(nèi)涵的傳承統(tǒng)一。

3.5 3D打印技術(shù)

目前3D打印技術(shù)主要包括疊層制造技術(shù)、熔融沉積技術(shù)、三維打印成型技術(shù)等[25]。3D打印技術(shù)給智能服裝的研發(fā)提供了新思路,不僅降低了智能化服裝的成本且綠色環(huán)保。如3D打印材料BioFila Silk,其是一種可降解新型材料[26],這也是未來智能化能源環(huán)保產(chǎn)品的發(fā)展方向。

4 智能化服裝發(fā)展方向

智能化服裝具有學(xué)科交叉性和系統(tǒng)復(fù)雜性,需進(jìn)一步完善產(chǎn)品設(shè)計理念及產(chǎn)業(yè)化模式,秉承人性化需求,將科技與服裝深度融合。在保證其個性化的基礎(chǔ)上,有必要加強(qiáng)測試方法和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)化。

1) 產(chǎn)品設(shè)計人性化。未來智能服裝的研發(fā)設(shè)計要將“以人為本”的理念貫穿始終。將設(shè)計充分帶入消費者的使用場景中,產(chǎn)品應(yīng)符合穿著者所進(jìn)行的社會活動。對于特殊群體,還應(yīng)加強(qiáng)需求調(diào)研并做針對性設(shè)計,以體現(xiàn)產(chǎn)品的人文關(guān)懷,更好地滿足穿著者的情感需求。產(chǎn)品的交互方式盡可能便捷與多元化,穿著者可通過手勢交互、眼球追蹤等方式使用產(chǎn)品,以提升操作體驗。將個性化定制融入產(chǎn)品設(shè)計中,打造帶有強(qiáng)烈個人風(fēng)格標(biāo)簽的服飾產(chǎn)品,增加用戶黏度。

2) 產(chǎn)品器件微型化。智能服裝所采用的器件通常體積與硬度較大,導(dǎo)致穿著舒適度降低。為了提高數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性,智能服裝往往制作得較為緊身,產(chǎn)品器件緊貼人體,影響穿著者正常生活[27],因此,智能化服裝配件未來將向微型化、輕量化發(fā)展,以避免穿著異物感,同時隱蔽性更好。可充分利用纖維狀器件的形狀可記憶、質(zhì)量輕等優(yōu)勢,將其編織成可變形彎曲、耐水透氣的紡織品,使服裝本身成為電子器件或數(shù)字化系統(tǒng)[28]。傳感器、電池、屏幕等的微型化處理也可以提升電池的續(xù)航能力,從而提升產(chǎn)品的使用效率。

3) 產(chǎn)品供應(yīng)鏈的產(chǎn)業(yè)化。智能化服裝必須與新興科技交叉融合,新材料技術(shù)與電子信息技術(shù)的結(jié)合、芯片技術(shù)與人工智能技術(shù)的結(jié)合[29],不斷打通智能服裝與高新技術(shù)間的上下游產(chǎn)業(yè)鏈,降低智能化產(chǎn)品成本的同時,讓智能服裝的發(fā)展與物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)相結(jié)合,形成多維度產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈的發(fā)展空間。

4) 產(chǎn)品能源環(huán)?；＞G色環(huán)?？沙掷m(xù)理念迫切要求智能服裝向環(huán)境友好型產(chǎn)品發(fā)展。智能化服裝綜合了紡織品、電子元件和金屬等材料,加工工序復(fù)雜,其中印染紡織品、電子元件加工會導(dǎo)致資源浪費和環(huán)境污染等問題,因而在未來需更加注重對生物燃料電池、太陽能電池等環(huán)境友好型技術(shù)的研發(fā)和利用,以“減少使用、重復(fù)再用、循環(huán)再造”的思路貫穿智能服裝整個研發(fā)周期,提高資源利用率。

5 結(jié) 語

智能化服裝是未來智能產(chǎn)品發(fā)展的主流趨勢之一,同時也為服裝產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型提供了重要途徑。目前服裝企業(yè)在信息化、物聯(lián)化、智能化的布局仍處在起步,服裝行業(yè)需要充分發(fā)揮各學(xué)科的優(yōu)勢資源,加強(qiáng)國內(nèi)企業(yè)的自主研發(fā)能力,增強(qiáng)綠色環(huán)保意識,不斷完善產(chǎn)品的差別化和系統(tǒng)化,更精準(zhǔn)地達(dá)到消費者的預(yù)期,滿足大眾的多元化、功能化需求。但是,智能化服裝的產(chǎn)業(yè)化仍存在著一些技術(shù)瓶頸,例如柔性傳感器的應(yīng)用、智能面料的缺陷與用戶體驗的不足。柔性傳感器的可植性好,但傳感器供電技術(shù)不佳,電池壽命也嚴(yán)重影響其性能。柔性傳感器在保證柔軟的同時,很難具有較高的延展性與靈敏性,另外,智能面料存在不可水洗和保養(yǎng)昂貴等問題,上述技術(shù)瓶頸都會制約智能化服裝的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模。