柔性智能紡織品與功能纖維的融合

楊晨嘯, 李 鸝

(香港理工大學(xué) 紡織及制衣學(xué)系， 香港 999077)

柔性可穿戴智能紡織是近年來最炙手可熱的研究熱點(diǎn)，是智能紡織中最重要的一個(gè)分支。智能制造是中國(guó)制造2025的主攻方向，紡織企業(yè)的智能制造、智能產(chǎn)品開發(fā)將是實(shí)現(xiàn)行業(yè)技術(shù)升級(jí)、變革產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式于轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)方式的重要途徑之一，是近年來政府和行業(yè)大力推進(jìn)的系統(tǒng)工程[1-2]。柔性可穿戴智能紡織技術(shù)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)且坎坷的發(fā)展，經(jīng)過十余年的積累，于2014年迎來了大爆發(fā)，這一年也被稱為穿戴元年，各種新潮的穿戴產(chǎn)品紛紛上市，其中以智慧手環(huán)、手表、眼鏡為主流。在2014—2016年發(fā)展初期的3 a中，大多以娛樂應(yīng)用和運(yùn)動(dòng)歷程記錄為主要功能，而預(yù)計(jì)在未來的10 a中，隨著母嬰市場(chǎng)和老年化市場(chǎng)的不斷擴(kuò)大及不斷提高的消費(fèi)者訴求，健康管理功能將成為可穿戴智能紡織技術(shù)的主要發(fā)展方向?？纱┐鞯闹悄芗徔椉夹g(shù)與生物電子跨領(lǐng)域的結(jié)合，使得技術(shù)和商業(yè)模式門檻和產(chǎn)品利潤(rùn)都大幅提升。有研究指出，穿戴式的應(yīng)用產(chǎn)業(yè)分成醫(yī)療照護(hù)、運(yùn)動(dòng)健身、 資訊娛樂、工業(yè)及軍事5類，可穿戴智能紡織的應(yīng)用范圍幾乎涵蓋了生活所需的全部產(chǎn)業(yè)。據(jù)IntertechPira預(yù)測(cè)，柔性可穿戴智能紡織在2021年的市場(chǎng)可望逾25億美元[3-4]。

柔性可穿戴智能紡織的發(fā)展得益于新興導(dǎo)電紡織材料方面取得的重大突破，現(xiàn)在可將導(dǎo)電材料、電子和傳統(tǒng)非導(dǎo)電紡織靈活結(jié)合，顛覆了電子元件僵硬外殼的傳統(tǒng)設(shè)定，使其變得柔軟、彈性、輕便、靈活，甚至可隱藏于輕薄面料的圖案結(jié)構(gòu)之中。而這里的導(dǎo)電紡織材料，包括新興的柔性導(dǎo)電紡織材料，例如超細(xì)鍍銀導(dǎo)電纖維，納米銅超微粒子導(dǎo)電纖維、不銹鋼導(dǎo)電纖維、導(dǎo)電高聚物纖維、碳納米導(dǎo)電纖維等新原材料等。在之前的眾多學(xué)術(shù)研究中，普遍將可穿戴智能紡織定義為：一種具有傳感、伺服、通信記憶、自適應(yīng)、自修復(fù)、自我供能和自我學(xué)習(xí)等智能功能的纖維集合體器件，可感知外界刺激并做出響應(yīng)。而對(duì)于什么是可穿戴和其柔性舒適的優(yōu)勢(shì)提及甚少，同時(shí)隨著新興導(dǎo)電智能材料的涌現(xiàn)和新興紡織制作技術(shù)的開發(fā)掌握，許多新品種的可穿戴智能紡織品涌現(xiàn)，可穿戴技術(shù)的運(yùn)用場(chǎng)景也被大大拓寬[5-7]，因此，之前的定義已不能涵蓋如今最前沿的技術(shù)和未來發(fā)展方向，尤其是在最新潮流的柔性化的可穿戴產(chǎn)品、纖維化的電子元件和整體智能化的處理系統(tǒng)和紡織品與穿著者的交互機(jī)能方面。同時(shí)，隨著消費(fèi)者所提出的越來越高的產(chǎn)品要求和使用體驗(yàn)，可穿戴展品的舒適性能、靈活的多功能化和產(chǎn)品外觀美感被一再?gòu)?qiáng)調(diào)，而應(yīng)對(duì)這3種要求，如何將傳統(tǒng)僵硬的產(chǎn)品柔性化、智能化，進(jìn)而提供更多的產(chǎn)品設(shè)計(jì)可能，成為了將來的技術(shù)突破點(diǎn)[8-10]，鑒于此，面對(duì)現(xiàn)存的問題，為抓住未來發(fā)展的機(jī)遇，本文將對(duì)最新的柔性可穿戴紡織技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)成進(jìn)行綜述，結(jié)合最新的技術(shù)發(fā)展并對(duì)產(chǎn)品市場(chǎng)門檻提出新的定義，同時(shí)分析從學(xué)術(shù)研究轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的重重障礙所在，并給出了針對(duì)性的解決方案。

1 柔性智能紡織

1.1 優(yōu) 勢(shì)

柔性是智能紡織技術(shù)的最大特點(diǎn)，得益于此的特點(diǎn)，產(chǎn)品輕盈，可大面積接觸皮膚，貼合人體皮膚型態(tài)，可隨意大幅度變形而不影響人的活動(dòng)與產(chǎn)品功能，并可實(shí)時(shí)長(zhǎng)期穿戴。產(chǎn)品設(shè)計(jì)也變得更加時(shí)尚、舒適，是一項(xiàng)顛覆性的科技。實(shí)現(xiàn)這類產(chǎn)品柔性化的轉(zhuǎn)變，纖維材料科學(xué)是基礎(chǔ)，而可穿戴器件是以這類纖維材料為基礎(chǔ)的柔性電子、光子等技術(shù)的集合。得益于這種柔性特征，可穿戴技術(shù)實(shí)現(xiàn)了更穩(wěn)定、更多樣化、更安全的功能[11-12]。

三維的探測(cè)范圍：柔軟面料可在三維方向隨意揉搓，因此可測(cè)更大范圍內(nèi)的應(yīng)變，尤其是拉伸和彎折性能，可探測(cè)的刺激范圍大大拓寬，獲取更多的外界環(huán)境或穿著者狀態(tài)信息。

輕薄和快速的反應(yīng)：柔性傳感器獨(dú)創(chuàng)的彈性體材料硬度大大降低，甚至可達(dá)到無縫貼合穿著身體部位，接觸面積大大擴(kuò)大，快速而精準(zhǔn)地探測(cè)外界的刺激，因此，無論當(dāng)穿戴者是處于靜止?fàn)顟B(tài)還是處于高速、大幅度的運(yùn)動(dòng)中，產(chǎn)品均可達(dá)到高度精準(zhǔn)的測(cè)量性能，尤其是運(yùn)用于醫(yī)科理療方面的高精度儀器。

長(zhǎng)久的使用壽命：織物具有自身的彈性和自我恢復(fù)性能。同時(shí)，因?yàn)榧徔棽牧暇哂辛己玫睦?、彈性恢?fù)、彎折性能，一些產(chǎn)品的疲勞壽命已可超過150萬次，意味著如果將柔性壓力傳感器植入運(yùn)動(dòng)鞋，穿戴者可自由奔跑500 km，性能依舊穩(wěn)定如初。

柔性的連接及穩(wěn)定的性能：電子器件之間相互連接方式目前有剛性連接、柔性連接2種。剛性連接是指電子器件之間采用金屬導(dǎo)線直接連接，這種連接的缺點(diǎn)是會(huì)對(duì)服裝外觀設(shè)計(jì)、舒適性及電子器件在服裝中的配置部位有影響，例如在穿戴過程中，金屬導(dǎo)線因受拉伸、壓縮、剪切等力的反復(fù)作用導(dǎo)致金屬導(dǎo)線斷開。而柔性連接是指采用柔性的導(dǎo)電材料連接。如采用電子印刷技術(shù)將導(dǎo)電材料印刷在服裝上或?qū)⒔饘俳z縫制在服裝上，巧妙地解決了剛性連結(jié)存在的不穩(wěn)定性的問題，同時(shí)為了進(jìn)一步提高電子服裝功能穩(wěn)定性，研制了具有導(dǎo)通單元結(jié)構(gòu)的織物連接件，因此一些柔性產(chǎn)品已達(dá)到可連續(xù)穿著365 d的要求，其性能依舊穩(wěn)定如初[15-17]。

安全的導(dǎo)電功能(如電磁屏蔽、防靜電等)：由導(dǎo)電纖維織造而成，市場(chǎng)化的產(chǎn)品經(jīng)過OEKO-TEX Standard 100生態(tài)紡織品認(rèn)證，符合ISO 9001—2008《質(zhì)量管理體系要求》標(biāo)準(zhǔn)，孕婦兒童同樣可以適用，且不會(huì)引起過敏等安全問題。

舒適和透氣性能：如將柔性智能紡織纖維和運(yùn)動(dòng)類服用面料技術(shù)相結(jié)合，可得到舒適透氣的柔性織物電子元件，即使是柔性織物電極，植入貼身衣物，如若無物，帶來全新的穿戴舒適性。

可水洗性能：可普通機(jī)洗壽命超過35次，科技與生活完美融合。

1.2 進(jìn)化過程

柔性可穿戴智能紡織技術(shù)已經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展階段。第1階段以服裝作為載體，將普通電子器件簡(jiǎn)單依附結(jié)合于服裝之上。第2階段的特點(diǎn)是多學(xué)科技術(shù)的交叉融合，例如纖維技術(shù)、機(jī)械電子技術(shù)、無線通信、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的目的。第2代技術(shù)的特征是主要采用模塊化技術(shù)、嵌入式技術(shù)、基于纖維的傳感技術(shù)這3種方法。模塊化技術(shù)主要是運(yùn)用微電子技術(shù)最新成果，使電子元件在體積上變小，有利于將電子器件隱藏在服裝中，使得電子器件在紡織面料的媒介上更加自由配置，而服裝的外觀設(shè)計(jì)表達(dá)更加自由，但所用的電子載具的性質(zhì)仍為微型硬式其電子元件和電路板是各自獨(dú)立的元件，透過焊接、黏合、印刷、鍍膜等組合方式來進(jìn)行，在技術(shù)層面的上較為簡(jiǎn)便；嵌入式技術(shù)是將電子元件織入到紡織面料媒介上的某一部分之中，如將光纖傳感器、壓電傳感器、微型芯片傳感器等織入面料等，其電子載具方式為軟式載具，軟式載具的電路板需具備輕薄、柔軟、可水洗性等特性，包含軟性刷電路板和電子織物電路板2種，嵌入式是將電子元件透過印刷、縫制、貼合、涂布等方式附加于紡織品之上；基于纖維的傳感技術(shù)是傳感器直接由纖維和織物構(gòu)成，其電子載具方式是整合式的，一種將紡織結(jié)構(gòu)或纖維達(dá)成電子元件所需的功能的技術(shù)，以紡織的技術(shù)轉(zhuǎn)化成與電子元件相同功能之整合形式，如熱敏纖維、光敏纖維、織物壓力感測(cè)、拉伸感測(cè)傳感器等，讓電子元件不再只是附加在電路板上，而是達(dá)到是織物也是電子裝置的階段，由于纖維和織物柔軟，因此采用基于纖維傳感技術(shù)制備的電子服裝舒適性良好。

而現(xiàn)階段，柔性可穿戴智能紡織技術(shù)剛剛邁入第3階段，特點(diǎn)是基于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、藍(lán)牙、GPS技術(shù)，與手表、眼睛、手套、服飾及鞋等穿戴式智能設(shè)備共同配合使用，實(shí)現(xiàn)各種功能，它是廣義的“第三代智能服裝”，是目前最前沿的領(lǐng)域[18-19]。

綜上分析，柔性智能紡織品與其基礎(chǔ)纖維科學(xué)可被界定為可穿戴技術(shù)的未來發(fā)展閃光點(diǎn)。同時(shí)，近年來也愈來愈多的學(xué)術(shù)研究利用高分子、纖維等材料，模仿人類的中樞神經(jīng)或是電腦的自控系統(tǒng)，嘗試借助智慧材料使紡織品與通訊、資訊處理、醫(yī)療、偵測(cè)等功能相結(jié)合，得到高科技與傳統(tǒng)紡織技術(shù)有效結(jié)合的產(chǎn)物，市場(chǎng)前景廣闊，尤其在服裝、建筑、軍事等方面都有不可小覷的應(yīng)用潛力[20-21]。

2 柔性導(dǎo)電紡織材料

柔性導(dǎo)電紡織材料是智慧衣發(fā)展的重要基礎(chǔ)技術(shù)，由導(dǎo)電纖維打造而成的導(dǎo)電紡織品，其技術(shù)限制點(diǎn)在于電性(電阻、電容等)，而導(dǎo)電紡織品的表面電阻特性取決于所用的導(dǎo)電材料或?qū)щ娎w維的百分比、所成織物結(jié)構(gòu)以及制造方法等因素?？v觀近年來在學(xué)界和業(yè)界取得的成果，依據(jù)原材料和導(dǎo)電性能的不同，將柔性導(dǎo)電紡織材料進(jìn)行分類，如表1所示。

3 電子器件工藝分類

上述柔性導(dǎo)電纖維皆具有良好的可紡性能，可與單一或多種不同導(dǎo)電材料混紡，或與不導(dǎo)電材料混紡得到不同規(guī)格和不同導(dǎo)電性能的柔軟紗線，而后可根據(jù)不同的運(yùn)用場(chǎng)景和產(chǎn)品設(shè)計(jì)等因素，選擇合適的紗線制造成為多功能，而不僅局限于導(dǎo)電的柔軟智能面料，運(yùn)用于不同的智能服裝設(shè)計(jì)中去。與此同時(shí)，服裝的設(shè)計(jì)制造也非局限于面料的裁減縫制，輔料的添加、裝飾的細(xì)節(jié)、飾品的搭配等，都是不可獲缺的環(huán)節(jié)，因此，新興的導(dǎo)電材料也可運(yùn)用于其中，如將導(dǎo)電紗線鑲嵌于拉鏈、魔術(shù)貼、襯里等服裝輔料中去，而這些新型的導(dǎo)電拉鏈、魔術(shù)貼不僅能幫助形成完整的導(dǎo)電回路，也可充當(dāng)開關(guān)的功能，而導(dǎo)電襯里或黏劑，可以實(shí)現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)的柔性導(dǎo)電材料，實(shí)現(xiàn)電池、電容、傳感器、制動(dòng)器等不同功能的柔性電子元件。運(yùn)用這些導(dǎo)電材料，應(yīng)不同開發(fā)電子樣品的不同特點(diǎn)和規(guī)格要求，將采用不同的工藝，而這些工藝分類如圖1所示。

通過這些技術(shù)可制作：1)智能電子紡織品元件，纖維集合體器件，如纖維場(chǎng)效應(yīng)管和紗線超級(jí)電容；2)微電子與纖維集成器件，以實(shí)現(xiàn)可視、可聽、可傳感、可通信的多功能性能等；3)微電子與纖維集合體集成器件，如嵌入式柔性可拉伸電子器件；4)纖維基合體微電子器件，其中包括3種電子元件電子紡織部件。①纖維織物形式的電路功能元件，如纖維晶體管、織物天線、織物顯示器、織物電路板；②傳感器與傳感網(wǎng)絡(luò)，壓力和剪切應(yīng)力、大平面內(nèi)應(yīng)變、生物電勢(shì)、人造電子皮膚；③可穿戴的能量采集與能源存儲(chǔ)設(shè)備，基于纖維結(jié)構(gòu)的納米發(fā)電器可轉(zhuǎn)換環(huán)境、人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量為電能，如單纖維型超級(jí)電容器、織物型超級(jí)電容器，儲(chǔ)存并應(yīng)用于可穿戴微電子系統(tǒng)和柔性紡織電池。其中，柔性紡織電池可基于低成本的石墨烯材料制成，外部采用簡(jiǎn)單的絲網(wǎng)印刷技術(shù)，電機(jī)會(huì)因?yàn)橛湍图徔椘分g的強(qiáng)烈的相互作用而表現(xiàn)得十分穩(wěn)定，并具有良好的操作安全性和長(zhǎng)久的循環(huán)壽命，以及支持快速充電和允許水洗的優(yōu)點(diǎn)[22-23]。

表1 柔性可穿戴智能紡織材料Tab.1 Categories of soft conductive textile materials

圖1 纖維基電子器件制備工藝分類Fig.1 Various production technologies of conductive textile electronic components

4 最新的柔性可穿戴智能紡織技術(shù)

基于上述新型靈活導(dǎo)電紡織材料的開發(fā)、電子元件不同纖維化的組建、消費(fèi)者對(duì)可穿戴技術(shù)的互動(dòng)體驗(yàn)和舒適性的要求，柔性可穿戴智能紡織需要被重新定義：新型的電子元件和紡織技術(shù)相結(jié)合形成柔軟靈活的、扁平化的纖維集合體微電子器件，越來越貼合穿戴者身體且達(dá)到高度的舒適感，無縫成為日常穿著服裝的一部分，探測(cè)感知外界環(huán)境或穿著者的信息或刺激，通過運(yùn)行系統(tǒng)的信息傳遞和處理，向使用者提供實(shí)時(shí)反饋，甚至智能自主地對(duì)外界刺激做出調(diào)節(jié)反饋，甚至在將來，這種探測(cè)和反饋的過程是操作處理系統(tǒng)不斷學(xué)習(xí)升級(jí)的過程，人機(jī)智能交互深入。此項(xiàng)技術(shù)可對(duì)人體的溫度和濕度舒適安全程度進(jìn)行調(diào)節(jié)管理，對(duì)身體健康情況進(jìn)行檢測(cè)和實(shí)時(shí)反應(yīng)和多端共享，保護(hù)人體生命健康安全，提高穿著者體育運(yùn)動(dòng)成績(jī)，提供更高效便捷的醫(yī)療康健治療，豐富日常生活?yuàn)蕵返取?/p>

4.1 成功合作項(xiàng)目例子

4.1.1微型表皮電子紋身

這種柔性可穿戴技術(shù)被廣泛運(yùn)用在健康保健方面。這是一種非入侵式的監(jiān)測(cè)技術(shù)，如上述提到的臨時(shí)轉(zhuǎn)印紋身技術(shù)，將碳納米管纖維均勻添加到紋身墨水中，形成導(dǎo)電電極。通過這種紋身圖案設(shè)計(jì)和墨水改良，傳感器將可被很好地隱藏于這種可穿戴技術(shù)中。例如英國(guó)MC10公司和東京大學(xué)推出的不同功能的電子回路紋身，如圖2[25]所示。 MC10傳感器紋身可讀取腦電波、肌張力、身體溫度、肢體動(dòng)作，甚至是皮膚含水狀況，這項(xiàng)技術(shù)甚至被運(yùn)用到美容產(chǎn)品中，例如巴黎歐萊雅和英國(guó)MC10公司合作，結(jié)合紫外線光明材料和此項(xiàng)智能技術(shù)，用于檢測(cè)紫外線照射的強(qiáng)度。此項(xiàng)技術(shù)還可被運(yùn)用在其他美容產(chǎn)品中，如日本SOOMI PARK公司，將此項(xiàng)技術(shù)和LED發(fā)光技術(shù)相結(jié)合，制作具有放大眼睛，隨轉(zhuǎn)頭動(dòng)作閃爍的電子發(fā)光假睫毛?，F(xiàn)在，已經(jīng)可通過納米技術(shù)，將導(dǎo)電材料通過涂層印刷的技術(shù)把微型表皮電子圖以紋身的方式貼附到皮膚上，監(jiān)測(cè)佩戴者的健康狀況。這種納米級(jí)的紋身電子技術(shù)是微型的，更多是將這種傳感設(shè)備以繃帶的形式依附于穿戴者的皮膚上，以獲得更準(zhǔn)確的身體信號(hào)。這種納米可穿戴技術(shù)未來可能將這些感知設(shè)備運(yùn)用在美妝、四肢、毛發(fā)等用品上，以一種舒適的方式來監(jiān)測(cè)穿著者的健康情況，類似的研究項(xiàng)目有Conductive Makeup, Tech Nails, FX e-makeup, 和Hairware[24]。

圖2 暫時(shí)傳感器紋身樣品Fig.2 Temporary conductive electronic tattoo on skin. (a) MC10 conductive tattoo sample;(b) Conductive tattoo sample of University of Tokyo; (c) Electric LED false eyelashes

4.1.2谷歌和李維斯的可穿戴設(shè)備項(xiàng)目

導(dǎo)電線于微型電路相連結(jié)，可捕捉穿著者的觸摸互動(dòng)。被這種互動(dòng)的生物系統(tǒng)所啟發(fā)，越來越多的新方法被探究來將生物感應(yīng)器與可穿戴系統(tǒng)相結(jié)合起來，以感觸外界的環(huán)境刺激變化。新的一項(xiàng)研究BioLogic將細(xì)胞結(jié)構(gòu)和紡織材料結(jié)合在一起。在穿戴者運(yùn)動(dòng)身體溫度升高時(shí)，細(xì)胞結(jié)構(gòu)會(huì)感知并反應(yīng)張開，以此來調(diào)節(jié)濕度變化。

這些項(xiàng)目都致力于提高這種智能設(shè)備的可穿戴性能。雖然這種可穿戴性能對(duì)于每種產(chǎn)品和每個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景而存在不同，但是在總體的要求是存在一致的：柔軟且舒適。

4.2 可穿著性能的設(shè)計(jì)(組合因素)

可穿戴技術(shù)將不再局限于可配戴的服裝裝飾，而應(yīng)該作為穿戴者日常穿著衣服的保護(hù)層的一部分，感知周圍環(huán)境的一部分，濕熱環(huán)境管理系統(tǒng)的一部分，甚至是身體免疫系統(tǒng)衍生的一部分，即無障礙的人和技術(shù)之間的交互；同時(shí)，可穿戴設(shè)備也需重新思考其科學(xué)技術(shù)與時(shí)尚融合的特點(diǎn)，達(dá)到多功能性、舒適性、時(shí)尚性3方面的平衡，這種平衡也直接決定著是否能贏得消費(fèi)者的青睞?？紤]穿戴者2種不同佩戴可穿戴技術(shù)的方式：隨身攜帶式和貼附于皮膚2種方式，其產(chǎn)品特點(diǎn)和種類如圖3所示。

圖3 柔性可穿戴智能紡織技術(shù)和穿著者的交互方式Fig.3 Modes of interactions between soft wearable smart textiles and wearers

隨身攜帶的技術(shù)，如手機(jī)，需要使用者時(shí)刻的關(guān)注，將其配戴或隨手?jǐn)y帶。依附于皮膚載體上的技術(shù)，不需要穿戴者過多精力，解放雙手，同時(shí)會(huì)與身體通過不同方式的接觸，如皮膚、頭發(fā)、指甲等；往往這種柔性可穿戴技術(shù)可以被加載在衣服和配飾內(nèi)。通過這種方式建立舒適的可穿戴技術(shù)，需要對(duì)穿著者的體型、肢體動(dòng)作、與周圍人和物的交互有清楚的了解。

為了更好地了解互動(dòng)，多方人士正在探究這種柔性可穿戴技術(shù)中的技術(shù)元素：人與人之間的距離、執(zhí)行語言、人體肢體動(dòng)作、身體尺寸、依附穿著者的方式、依附位置、依附質(zhì)量、和電子元件的互動(dòng)方式、外觀設(shè)計(jì)、耐用性，和它們相互之間的聯(lián)系與制約。對(duì)于運(yùn)用于服裝和飾品設(shè)計(jì)上的柔性可穿戴技術(shù)，這種舒適的可穿性存在于此種功能服裝的設(shè)計(jì)、保溫透濕性能、移動(dòng)性能、靈活性、耐穿性、尺寸和后期護(hù)理中。而用于直接貼附皮膚的柔性可穿戴技術(shù)，則主要考慮的因素是各個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施部位和其人體工程學(xué)、設(shè)備材料、皮膚的兼容性、設(shè)備類型、設(shè)備的能源和信號(hào)的輸入以及信息的輸出、技術(shù)和人體之間的交互和信息處理方式等。表2示出柔性可穿戴紡織技術(shù)與穿著者交互之間的設(shè)計(jì)因素[26-28]

表2 柔性可穿戴紡織技術(shù)和穿著者的交互之間的設(shè)計(jì)因素Tab.2 Design factors between soft wearable smart textiles and wearers

無論是將技術(shù)融合在服裝飾品設(shè)計(jì)或直接依附皮膚上，為創(chuàng)造一種舒適的穿著適用體驗(yàn)，最大的挑戰(zhàn)是如何將彈性較小、材料較硬的電子回路與柔軟彈性的皮膚或人體肢體(或是電子元件依附的媒介)完好地結(jié)合在一起，同時(shí)人機(jī)之間的交互和消費(fèi)者的接受程度(例如對(duì)原始元件的隱形程度的接受范圍)被認(rèn)為是柔性可穿戴技術(shù)的最大技術(shù)難題。

附加位置：選擇可穿戴技術(shù)的附加位置，有3個(gè)考慮參考的標(biāo)準(zhǔn)：1)雖然是不同的穿戴者，但可選擇個(gè)體尺寸差異不大的身體部位加載柔性可穿戴技術(shù)；2)選擇即使在穿戴者進(jìn)行大幅度的運(yùn)動(dòng)或工作時(shí)，也產(chǎn)生相對(duì)較小形變或者位移的部位；3)選擇與穿戴者身體接觸面積較大的部位，同時(shí)，應(yīng)考慮身體皮膚和所用柔性導(dǎo)電材料二者的彈性與拉伸性能和貼合程度，確保獲取信息的準(zhǔn)確性。

身體活動(dòng)：身體運(yùn)動(dòng)可分為微小的活動(dòng)和大幅度的活動(dòng)。微小的活動(dòng)包括：眼睛的轉(zhuǎn)動(dòng)，面部表情，肌肉的收縮和舒張等。大幅度的活動(dòng)包括：雙腿行走、四肢的運(yùn)動(dòng)和各種姿勢(shì)的調(diào)整等。通過對(duì)柔性可穿戴紡織設(shè)備尺寸變化的限定或是擴(kuò)大其性能穩(wěn)定且可承受拉伸程度的范圍，都可以應(yīng)對(duì)上述的2種身體活動(dòng)。

穿著體特征：不同穿著個(gè)體的年齡、性別、尺寸、體重、表面型態(tài)和體能力量等因素都會(huì)影響柔性可穿戴設(shè)備的設(shè)計(jì)。同時(shí)，穿戴時(shí)的溫濕舒適度也是一個(gè)重要影響因素，當(dāng)挑選產(chǎn)品的材料時(shí)，可穿戴的導(dǎo)電材料的柔軟度、保暖性、透氣透濕性能等都需要被考慮。此外和皮膚直接接觸的可穿戴設(shè)備，還需要考慮皮膚出汗出油、表面細(xì)紋、疙瘩、水分、皮膚敏感程度和健康等情況因素。這些因素都會(huì)影響如何設(shè)計(jì)可穿戴設(shè)備和皮膚接觸、感受外界變化刺激的方式。

產(chǎn)品質(zhì)量：過重或是偏移中心位置的產(chǎn)品會(huì)引起穿著時(shí)的不舒適感，尤其是在長(zhǎng)時(shí)間穿戴的情況下，因此，這種具有一定質(zhì)量的可穿著設(shè)備被建議配戴在腹部、腰部、臀部或是身體重心附近位置。同時(shí)，產(chǎn)品的質(zhì)量還會(huì)影響如何將這種可穿戴設(shè)備連接或是依附于身體皮膚的方式方法。質(zhì)量需要和穿戴方式被一起考慮納入設(shè)計(jì)方案。

穿戴方式：人體是一個(gè)柔軟、有彈力、拉伸性能極好的有機(jī)體，因此，可穿戴設(shè)備在被擠壓、拉伸和受壓的情況下產(chǎn)生破損。物理性掛鉤嵌扣式的連結(jié)方法可承受較大的質(zhì)量，而相對(duì)化學(xué)物質(zhì)的導(dǎo)電膠水黏貼方式則只能承受較小的重量，卻可以獲取更準(zhǔn)確的身體信號(hào)。由于穿戴個(gè)體的體制差異，長(zhǎng)時(shí)間與皮膚接觸的可穿戴設(shè)備和連結(jié)膠水會(huì)引起皮膚過敏等情況，尤其是老人、小孩、病人等群體，因此，通信電子和導(dǎo)電材料方面的技術(shù)創(chuàng)新突破就顯得尤為重要。

接觸和交互方式：根據(jù)不同的產(chǎn)品目的和運(yùn)用場(chǎng)景，產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要考慮導(dǎo)電穿戴設(shè)備是如何在視覺、觸覺、聽覺、肌肉動(dòng)覺的多維度上和穿戴者產(chǎn)生互動(dòng)，而這種互動(dòng)可以分為被動(dòng)和主動(dòng)：被動(dòng)方式通過傳感器來探測(cè)穿戴者身體或外界的信號(hào)，主動(dòng)方式通過制動(dòng)器對(duì)外借刺激做出反應(yīng)，這種反應(yīng)可為光學(xué)信號(hào)、振動(dòng)、聲音、電刺激、濕溫調(diào)節(jié)等。

外觀設(shè)計(jì)：產(chǎn)品的外觀和社會(huì)文化、審美接受程度息息相關(guān)。一方面，將這種可穿戴技術(shù)外露化可以直接得將專業(yè)高端的技術(shù)展現(xiàn)給消費(fèi)群體，獲得認(rèn)同感；而另一方面，這種外露的可穿戴設(shè)備則不易被大眾群體所接受，尤其當(dāng)隱私因素被涉及時(shí)。例如，可穿戴智能設(shè)備—谷歌眼鏡，因?yàn)榭蓴z影記錄周圍人群，侵犯隱私而被禁止在公眾場(chǎng)合佩戴。

柔性導(dǎo)電紡織材料：為得到功能穩(wěn)定、抗強(qiáng)干擾的、舒適的可穿戴電子電路，導(dǎo)電材料需要具備柔軟、彈性、可拉伸、導(dǎo)電性能穩(wěn)定的特點(diǎn)。為具備這些特點(diǎn)，柔性的高導(dǎo)電紡織材料變成新的研究重點(diǎn)和技術(shù)突破點(diǎn)。在以往的可穿戴設(shè)備設(shè)計(jì)和制作中，研究者直接將已有的、具有一定尺寸規(guī)模的、硬性的電子元件加載在衣物或皮膚上，穿戴的不適感和尷尬不言而喻，因此，將這種電子設(shè)備的微型化顯得及其重要。抑或是這種導(dǎo)電材料可通過機(jī)織、針織、刺繡、縫紉、涂層、打印等方法和衣物等柔軟織物無縫連結(jié)，達(dá)到隱形電路的目的，例如以金屬化纖維取代漆包線、以針織紋路取代電子回路、以織物電池取代固形電池等整合科技，讓傳統(tǒng)的纖維機(jī)能技術(shù)成功融合類微處理技術(shù)的運(yùn)作機(jī)制。根據(jù)其各自不同的導(dǎo)電性能和紗線規(guī)格與性能制作成具有不同導(dǎo)電性能的導(dǎo)電織帶、面料、輔料等紡織服裝材料。與此同時(shí)，運(yùn)用這些柔性的有彈性的材料，以往硬性的傳感器，例如拉力傳感器、壓力傳感器、電容性傳感器等，可被重新置換、運(yùn)用于智能可穿戴服裝上，與人體形狀更好地貼合，獲得更準(zhǔn)確的刺激信號(hào)。隨著研究進(jìn)程的不斷推進(jìn)，這種柔性技術(shù)還將被運(yùn)用于電池、制動(dòng)器等電子元件的制作中去。

除上述的導(dǎo)電纖維、紗線、面料之外，導(dǎo)電墨水、膠水也成為延伸的研究熱點(diǎn)。這種材料通常會(huì)被打印或是涂層在尺寸穩(wěn)定性好，柔軟的非導(dǎo)電面料上，直接繪制導(dǎo)電工作電路。如今，這種柔性的高導(dǎo)電的紡織材料正是推動(dòng)可穿戴智能服裝設(shè)備發(fā)展的主要助力。

電池續(xù)航能力：截止到現(xiàn)在最新的研究，電池是制約柔性可穿戴服裝設(shè)備發(fā)展的一個(gè)主要因素，因?yàn)槠溆邢薜碾娙菽芰蛯?duì)電池本身尺寸質(zhì)量的妥協(xié)，因此，高頻率的充電就成為可穿戴設(shè)備使用中實(shí)際存在的一個(gè)問題。同時(shí)，電池的僵硬和質(zhì)量也是目前的一大難題，故超薄柔性電池也成為研究熱點(diǎn)之一。現(xiàn)階段，鋰-聚合物(Li-Po)電池因?yàn)槠淇梢员辉O(shè)計(jì)制作為不同的尺寸規(guī)格，而成為最為廣泛接受的可穿戴電池。同時(shí)，因頻繁充電的限制，如何有效地收集人體向周圍環(huán)境釋放的能量而為電池充電也成為研究重點(diǎn)之一[29-31]。

5 目前存在的技術(shù)問題

1)現(xiàn)階段推向市場(chǎng)的商業(yè)化產(chǎn)品附加價(jià)值和技術(shù)門檻皆偏低。在國(guó)際數(shù)據(jù)資訊(IDC) 報(bào)告中指出，雖然穿戴式裝置市場(chǎng)全球總出貨量繁多，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、技術(shù)門檻低、價(jià)格低廉的配件產(chǎn)品類型最多，并且仍需連結(jié)手機(jī)或其他連網(wǎng)裝置才能運(yùn)作，多為被動(dòng)性智能產(chǎn)品，而非主動(dòng)或是十分智能的可穿戴柔性紡織產(chǎn)品。鑒于上文提及對(duì)新柔性可穿戴智能紡織品的定義和要求，此項(xiàng)技術(shù)期望可獨(dú)立執(zhí)行連網(wǎng)傳輸和自我運(yùn)行的核心價(jià)值，因此，目前市場(chǎng)的產(chǎn)品智能交互性能亟待提高。同時(shí)，市場(chǎng)中大部分的可穿戴技術(shù)依托于手表、首飾等配件，無法擺脫硬性連結(jié)方式和硬性的承載體，大大影響了其穿戴的舒適性能，并且因?yàn)橛残赃B結(jié)和載體的限制，目標(biāo)技術(shù)無法安置在最理想的探測(cè)位置，獲得信號(hào)的準(zhǔn)確度受影響，因此，需要改變電子載具的性質(zhì)或形式，將纖維科學(xué)成果用以提升可穿戴式電子裝置的電子元件和其組合系統(tǒng)中，濃縮其體積，使其變輕薄變?nèi)彳?，設(shè)計(jì)出多元化的穿戴式產(chǎn)品與不同的應(yīng)用功能。

2)電子器件的能源供應(yīng)。由于常規(guī)鋰電池體積、質(zhì)量大，需頻繁更換或充電，使用笨拙且不適，因此，如何高效地收集穿戴者周圍的能量進(jìn)行實(shí)時(shí)無限充電，獲取可持續(xù)能源十分關(guān)鍵，例如周圍的太陽能、風(fēng)能、溫差勢(shì)能、穿著者的動(dòng)能等。同時(shí)，研發(fā)低功耗的微型電子芯片及電子元件，才可提高其服用性。例如從實(shí)踐運(yùn)用場(chǎng)景來說，1天服裝穿著時(shí)間至少可達(dá)10 h，如過于耗能則不得不時(shí)常充電或休機(jī)狀態(tài)，嚴(yán)重影響其服用性和產(chǎn)品認(rèn)同。

3)第三代柔性智能服裝的造價(jià)成本高，技術(shù)復(fù)雜，難以大眾普及。隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展、技術(shù)的不斷迭代，用戶需求的變遷，可穿戴式智能設(shè)備的形態(tài)與其應(yīng)用熱點(diǎn)也會(huì)不斷更替迭代，因此，柔性可穿戴智能紡織產(chǎn)品正朝著功能多樣化、器件柔性低功耗化、新能源及能量?jī)?chǔ)存方式多元化、健康舒適化、信息智能化、設(shè)計(jì)時(shí)裝化、價(jià)格低廉化等方向發(fā)展。

4)跨領(lǐng)域產(chǎn)品設(shè)計(jì)和技術(shù)的專業(yè)技術(shù)障礙。過去的產(chǎn)業(yè)界線已被打破，過去紡織業(yè)和電子業(yè)有各自定位，習(xí)慣以自己熟知的技術(shù)知識(shí)進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)，但柔性穿戴智能紡織品是跨領(lǐng)域技術(shù)的產(chǎn)品， 是結(jié)合應(yīng)用物理、應(yīng)用化學(xué)、生物、材料、電子、信息通訊，等產(chǎn)業(yè)的新型態(tài)產(chǎn)業(yè)。在這個(gè)新型態(tài)產(chǎn)業(yè)中，如何向不同背景的設(shè)計(jì)師和技術(shù)人員詮釋不同的專業(yè)知識(shí)，達(dá)成共識(shí)和親密的合作，來推動(dòng)智能紡織的產(chǎn)業(yè)化已經(jīng)顯得尤為重要。

6 建 議

6.1 具體技術(shù)限制

對(duì)研發(fā)技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)或者尋求技術(shù)突破：1)提高智能纖維的使用性能，尤其是提高導(dǎo)電纖維的細(xì)度、導(dǎo)電穩(wěn)定性能、拉升斷裂強(qiáng)度和可紡織性能。如通過設(shè)計(jì)改造高端加工設(shè)備以改善智能纖維的質(zhì)量，包括纖維紗線的均勻度、柔軟度和服用舒適性；2)高分子合成技術(shù)的進(jìn)步，加強(qiáng)高分子聚合物材料功能性的創(chuàng)新和研發(fā)，尤其在如何提供導(dǎo)電紗線的導(dǎo)電性能，與低電阻值的電子元件無縫連接，組成柔軟舒適的可穿戴電子電路是當(dāng)今急需解決的技術(shù)難題之一；同時(shí)紡織材料的可選擇性(無毒害，生物相容)在一定程度上限制了纖維基可穿戴電子器件的發(fā)展，也由于制備工藝的局限性，可穿戴電子器件采用的纖維或者織物的表面結(jié)構(gòu)限于微納米級(jí)，尺度不匹配很大程度上限制了其在當(dāng)前傳統(tǒng)集成工藝上的應(yīng)用。纖維型可穿戴電子器件的耐久性，抗疲勞性以及可加工性依然面臨巨大的挑戰(zhàn)，因此，需要持久深入的基礎(chǔ)科學(xué)、應(yīng)用科學(xué)、技術(shù)研究的相結(jié)合。3)利用日益發(fā)展成熟的納米技術(shù)、生物技術(shù)和太陽能電池技術(shù)，對(duì)智能纖維內(nèi)部和供能結(jié)構(gòu)進(jìn)行形態(tài)和聚集態(tài)的改進(jìn)和調(diào)整進(jìn)促進(jìn)技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)品創(chuàng)新。

6.2 紡織品所涉及領(lǐng)域的整合

例如，“紐約制造”是一個(gè)混合時(shí)尚孵化器，擁有齊全的生產(chǎn)設(shè)備，以及研發(fā)未來科學(xué)和紡織品的實(shí)驗(yàn)室。融合了先進(jìn)的數(shù)字制造、柔性電路與可穿戴電子以及生物技術(shù)與化學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。通過執(zhí)行多項(xiàng)研究項(xiàng)目及取得的成果，躋身于多方參與的研究平臺(tái)上，堅(jiān)持促進(jìn)多樣性發(fā)展。同時(shí)，在這種多維度的平臺(tái)上，多重領(lǐng)域的人才可進(jìn)行高頻度的溝通和交流，跨越不同領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)之間的障礙。多重領(lǐng)域和生產(chǎn)線的上下游可在水平和垂直2個(gè)維度上進(jìn)行整合以降低產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)的反應(yīng)速度。其中，時(shí)尚設(shè)計(jì)師們將大有可為，因?yàn)樗麄兏私馊梭w需要，更了解紡織品的特性，更了解服裝怎樣進(jìn)行直覺上的交互，更重要的是，他們可能具有更廣泛的創(chuàng)造力和審美能力[32 -34]。

6.3 訂立穿戴式裝置的安全規(guī)范

柔性可穿戴式智能紡織產(chǎn)品是新形態(tài)穿在身上的電子產(chǎn)品，除了要符合穿戴產(chǎn)品的基本安全需求外，包含電子產(chǎn)品對(duì)人體的傷害及生產(chǎn)制造過程是否殘留影響人體健康的有害物質(zhì)都符合嚴(yán)格的規(guī)范，愈早制訂相關(guān)規(guī)范，愈早決定其行業(yè)地位，更影響未來的商業(yè)戰(zhàn)略[35]。

7 結(jié)束語

柔性可穿戴式智能紡織技術(shù)已在不同消費(fèi)群體所需的不同領(lǐng)域展現(xiàn)了許多新的可能，并在其應(yīng)用中展現(xiàn)了巨大潛力。為協(xié)助傳統(tǒng)紡織企業(yè)的更快速更穩(wěn)健地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，柔性可穿戴式智能紡織技術(shù)將是一個(gè)必然的技術(shù)突破點(diǎn)，基于智能纖維材料，圍繞傳感器和制動(dòng)器的設(shè)計(jì)與制造，突破能源供給與信息處理系統(tǒng)，開拓電子信息智能技術(shù)與紡織科學(xué)融合創(chuàng)新的技術(shù)路徑，實(shí)現(xiàn)可穿戴服裝與時(shí)尚設(shè)計(jì)、紡織產(chǎn)業(yè)相互之間的協(xié)同，期待纖維制品和電子產(chǎn)品真正融合到一起，為不同的消費(fèi)群體，如嬰兒、老人、傷病人員、特殊工種人員等，提供更貼心、更全面的多功能化的柔性可穿戴式智能紡織技術(shù)。

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