微機(jī)電系統(tǒng)在智能服裝領(lǐng)域的研究與展望

畢研偉, 潘力*

(1.大連工業(yè)大學(xué) 服裝學(xué)院，遼寧 大連 116034;2.大連工業(yè)大學(xué) 服裝設(shè)計與工程國家級實驗教學(xué)示范中心，遼寧 大連 116034)

智能服裝[1]通過先進(jìn)的材料及紡織技術(shù)，在服裝中植入微型化、柔性化的電子元件裝置，使服裝具備信息感知、計算和通信等功能，因此越來越受到消費者的追捧。然而要想實現(xiàn)服裝的智能化則需要從纖維、纖維的結(jié)合體和電子元件上進(jìn)行研究，三者的實現(xiàn)方式各不相同[2]。通過嵌入電子元件將信息技術(shù)和微電子技術(shù)引入服裝中，是實現(xiàn)服裝智能化應(yīng)用較早、發(fā)展較為成熟的方式之一[3]。但由于電子元件與服裝材料間存在體積、材質(zhì)等差異，使智能服裝在穿著、功能、價格等方面的問題都難以解決。

微機(jī)電系統(tǒng)作為微/納米技術(shù)研究的重要方向，是繼微電子技術(shù)之后在微尺度研究領(lǐng)域中的又一次革命[4]，已從初期的探索研究，轉(zhuǎn)向生產(chǎn)應(yīng)用階段[5]。微機(jī)電系統(tǒng)在生物醫(yī)療[6-8]、電動汽車[9]、軍事偵察[10]等領(lǐng)域迅速發(fā)展，同時在服裝領(lǐng)域也逐漸得到重視。

文中對微機(jī)電系統(tǒng)的特性以及微機(jī)電系統(tǒng)在智能服裝設(shè)計上的應(yīng)用方式進(jìn)行分析歸納，試圖提出智能服裝與人體、環(huán)境間的信號轉(zhuǎn)換關(guān)系模型，梳理出微機(jī)電系統(tǒng)在智能服裝領(lǐng)域的發(fā)展瓶頸，從而展望其應(yīng)用前景與發(fā)展方向。

1 基于智能服裝的微機(jī)電系統(tǒng)

1.1 功能及作用

微機(jī)電系統(tǒng)將傳感器、執(zhí)行器與信息處理和存儲集為一體，這種微型集成系統(tǒng)具有“傳感—計算(控制)—執(zhí)行”的功能[4]。微機(jī)電系統(tǒng)在智能服裝領(lǐng)域的研究主要體現(xiàn)在電子元件的微型化與集成化上，隨著研究的深入將會為智能服裝的發(fā)展提供更多的可能性。

微機(jī)電系統(tǒng)的加工尺寸在微米(μm)量級，元件尺寸在毫米(mm)量級，具有微小尺寸、系統(tǒng)集成與批量生產(chǎn)等基本特性[11-12]，可使電子元件微型化、集成化與批量化，從而解決智能服裝在舒適性、低成本等方面的問題。

1.1.1舒適性 舒適度是智能服裝設(shè)計中最大的挑戰(zhàn)之一[13]。服裝接觸大約90%的皮膚表面，在智能服裝上使用微型傳感器可以更好地提高其舒適度[14]。由于傳統(tǒng)的電子元件(如剛性印刷電路)，植入服裝內(nèi)會造成人體不舒適感，電路不能隨著織物一起變形。電子元件的微型化與柔性化，可以更好地將電子元件整合到服裝中去，避免元件附著后所帶來的異物感。柔性化的電子元件在接觸皮膚時更加具有舒適性與服用性，并且用戶還有減少手機(jī)、電池等額外負(fù)重的需求，將會增強用戶對于智能服裝的體驗效果。

1.1.2功能性 由于微制造技術(shù)與微電子技術(shù)之間的高度兼容,微機(jī)械與微電子集成誕生了微機(jī)電系統(tǒng)[11]。微機(jī)電系統(tǒng)制造出可靠性、穩(wěn)定性高的電子元件，可使服裝具有更加快捷的功能性與娛樂性。加拿大Athos推出的智能運動衣是目前比較成熟的智能服裝。這款智能服裝內(nèi)置微型傳感器，可以檢測運動者的呼吸頻率、心率和肌肉運動情況，并將檢測到的數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙實時發(fā)送到智能手機(jī)中；除為人體保健提供相關(guān)數(shù)據(jù)參考外，還會像普通衣服一樣保潔洗滌、烘干后多次使用。內(nèi)置微型傳感器整體質(zhì)量不到20 g，并且可以連續(xù)使用10 h以上[15]。

1.1.3低成本 智能服裝的價格高昂，產(chǎn)品性價比低，無法滿足消費者的真正需求，使得產(chǎn)品的用戶黏性低，難以被中低收入水平的消費者所接受[13]。例如Athos推出的智能運動衣官方價格在298美元；蒙特利爾(OMsignal)公司開發(fā)的可機(jī)洗的襯衫售價高達(dá)80 美元，只能適合極少數(shù)人穿戴[15]。微機(jī)電系統(tǒng)批量化生產(chǎn)的電子元件用于智能服裝上，將大大降低智能服裝的生產(chǎn)成本。

1.2 應(yīng)用方式

智能服裝通過微機(jī)電系統(tǒng)使用的微小元件構(gòu)成微電集成電路，實現(xiàn)服裝的各種功能。通過電子元件與服裝材料間依附關(guān)系的不同，將其分為穿戴型智能服裝與纖維型智能服裝。微機(jī)電系統(tǒng)在智能服裝中的應(yīng)用形式如圖1所示。

圖1 微機(jī)電系統(tǒng)在智能服裝的應(yīng)用形式Fig.1 Application form of MEMS in intelligent garment

1.2.1穿戴型 穿戴型智能服裝是將電子元件隱藏或是嵌入服裝織物表面，依附于服裝面料表面而不改變服裝內(nèi)部屬性[16]。由于結(jié)合方式不同，將其分嵌入式與薄膜式。

1)嵌入式是將電子元件以嵌入手法與服裝復(fù)合。根據(jù)嵌入手法的不同細(xì)分為以下兩種：①附加型。服裝作為電子元件的載體，通過特殊封裝，使用物理方式直接附加到服裝上，達(dá)到特定的功能。2014年Mino公司生產(chǎn)的嬰兒連體衣，便將所搭載的英特爾Edison芯片隱藏在可拆卸的塑料烏龜內(nèi)。②刺繡、編織型。通過刺繡、編織等手法將電子元件附著在服裝上。刺繡與編織技術(shù)發(fā)展成熟，現(xiàn)已成為目前應(yīng)用最廣的電子元件連接技術(shù)[17]。

2)薄膜式是將電子元件通過織物涂層技術(shù)實現(xiàn)與服裝材料的復(fù)合。根據(jù)涂層技術(shù)的不同細(xì)分為以下兩種：①模塊型。通過織物涂層技術(shù)，實現(xiàn)信息傳遞和轉(zhuǎn)換,有效連接獨立的電子元件，并將可操作的電子元件的接口整合到服裝內(nèi)部，再利用柔性電子設(shè)備實現(xiàn)服裝的智能化[18]。如香港理工大學(xué)通過對織物表面進(jìn)行PPY聚合物涂層，研制出導(dǎo)電柔性織物傳感器，并將其縫于服裝的膝部或肘部，由此制得配合演員動作引發(fā)相應(yīng)音樂的“跳舞衣”。②復(fù)合型。利用復(fù)合技術(shù)將電子元件嵌入導(dǎo)電性塑料薄膜內(nèi)，使其像織物一樣可以任意扭曲折疊。

1.2.2纖維型 電子智能纖維主要有導(dǎo)電纖維和抗靜電纖維兩種，其中以導(dǎo)電纖維最具代表性[1]。導(dǎo)電纖維是纖維型智能服裝的關(guān)鍵材料。通過導(dǎo)電纖維類別的不同，將這類智能服裝分為以下幾種：

1)均一型。由均一型導(dǎo)電物質(zhì)(如金屬纖維、碳纖維、導(dǎo)電聚合物等)構(gòu)成纖維材料,與傳感器、微電源接口連接后用于服裝。

2)包覆型。將合成纖維外層涂覆導(dǎo)電成分構(gòu)成導(dǎo)電纖維，與傳感器、微電源接口連接后用于服裝。

3)復(fù)合紡絲型。成纖高聚物與碳黑或金屬化合物復(fù)合紡絲構(gòu)成導(dǎo)電物質(zhì)[19]，與傳感器、微電源接口連接后用于服裝。

纖維型智能服裝是將電子元件融入到服裝織物內(nèi)部，與導(dǎo)電纖維相結(jié)合。根據(jù)不同的使用目的連接相應(yīng)設(shè)備，使服裝具有不同的功能[17]。

2 微機(jī)電系統(tǒng)信號接收和轉(zhuǎn)換流程

基于微機(jī)電系統(tǒng)的智能服裝是以服裝為物理載體，在其基礎(chǔ)上增加傳感器、控制器、電源等微型電子元件，構(gòu)成微機(jī)電系統(tǒng)，從而實現(xiàn)某種特定功能。服裝與環(huán)境、人體之間由于微機(jī)電系統(tǒng)的嵌入，構(gòu)成了新的信號關(guān)系，具體如圖2所示。只有明確信號的轉(zhuǎn)換及傳遞關(guān)系，才能更好地把握微機(jī)電系統(tǒng)在智能服裝上的研究方向。

2.1 信息轉(zhuǎn)換

基于微機(jī)電系統(tǒng)的智能服裝與環(huán)境、人體之間有著錯綜復(fù)雜的關(guān)系，而微機(jī)電系統(tǒng)中的電子元件是實現(xiàn)信號接收和轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。基于微機(jī)電系統(tǒng)的智能服裝通過傳感器對自然界信號進(jìn)行感知，并將其轉(zhuǎn)化為可被識別與處理的電子信號，再通過執(zhí)行器轉(zhuǎn)換成可被人體接收的信號；信號作用于人體后，使人體產(chǎn)生相應(yīng)的物理信號。一方面通過傳感器轉(zhuǎn)換為電子信號，使服裝產(chǎn)生光、聲、電等信號，可以提示、響應(yīng)，直接作用人體；另一方面通過無線傳感系統(tǒng)將人體產(chǎn)生的物理信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，顯示在手機(jī)APP等終端平臺上，對人體進(jìn)行監(jiān)控，間接作用于人體。由此形成智能服裝信號轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)。

微機(jī)電系統(tǒng)是由傳感器、執(zhí)行器和微能源以及導(dǎo)線連接而成。在系統(tǒng)流程中為保證微機(jī)電系統(tǒng)的完整性與可用性，必須保證導(dǎo)線的連接與能源的持續(xù)供給，因此基于微機(jī)電系統(tǒng)的智能服裝導(dǎo)線與能源問題成為重要的研究方向。

2.2 信息傳遞

基于微機(jī)電系統(tǒng)的智能服裝通過信號接收單元、通信接口單元實現(xiàn)自然信號從環(huán)境到人體的傳遞；在人體產(chǎn)生物理信號后通過無線、藍(lán)牙等傳感技術(shù)將人體信號傳遞到終端平臺后將轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)分析，從而間接對人體狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控與分析。

通過電子信息技術(shù)制造的電子元件，可使智能服裝功能性更為突出，但電子元件與服裝的完美融合問題卻較難解決[20]。在系統(tǒng)流程中必須保證微機(jī)電系統(tǒng)的介入不能對服裝的舒適性產(chǎn)生影響，因此基于微機(jī)電系統(tǒng)的智能服裝的材質(zhì)與傳感技術(shù)將是另一重要研究方向。

圖2 基于微機(jī)電系統(tǒng)的智能服裝與環(huán)境、人體的關(guān)系Fig.2 Relationship between intelligent garment as well as environment and human body based on MEMS

3 微機(jī)電系統(tǒng)的應(yīng)用瓶頸

微機(jī)電系統(tǒng)在智能服裝領(lǐng)域的應(yīng)用體現(xiàn)在電子元件微型化與集成化等方面，增強元件與服裝間的融合度，通過傳感器、執(zhí)行器等實現(xiàn)信號間的轉(zhuǎn)換。微機(jī)電系統(tǒng)使智能服裝在舒適性、功能性及低廉性上都得到很大改善，然而基于微機(jī)電系統(tǒng)的智能服裝仍面臨以下問題。

3.1 電源的配置

微機(jī)電系統(tǒng)需要能源的提供與儲存[19]?，F(xiàn)階段智能服裝上使用的電源多是利用移動電源的方式，這種外接電源續(xù)航能力有限，并嚴(yán)重影響服裝的美觀性與安全性。如果將人體熱能、機(jī)械能、化學(xué)能或生物能轉(zhuǎn)換成電能儲存起來植入微機(jī)電系統(tǒng)，那么電池的體積大、壽命短、需要更換等問題，便可以迎刃而解[21]。

3.2 材質(zhì)的選擇

智能服裝選用材料主要包括以服裝為載體的功能材料和服裝面料[15]。由于微機(jī)電系統(tǒng)的材料和工藝特殊性，使原有的服裝特性發(fā)生變化，給人以異物感，舒適性下降。就服裝而言，材料應(yīng)保持原有柔軟、易變形、舒適等特性；從微機(jī)電系統(tǒng)角度分析，在服裝面料環(huán)境下，電子元件的可靠性是主要關(guān)注點之一[22]。特別是接口元件[23]與外界有線連接，如何在不同的運動環(huán)境下確保其性能、使用壽命與可用性，是微機(jī)電系統(tǒng)在智能服裝領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵問題[24]。而連接方式的無線化與內(nèi)置化，將使智能服裝更具時尚化、智能化[25]。

3.3 元件的磨損

電子元件的摩擦與磨損行為對于微機(jī)電系統(tǒng)的性能與可靠性具有重要影響，如導(dǎo)線易損毀，則會破壞系統(tǒng)的完整性。智能服裝中的電子元件在運動過程中會產(chǎn)生摩擦與磨損。如何保證微機(jī)電系統(tǒng)在服裝上的正常運用，而不受機(jī)械作用的影響也是其研究難點之一。利用涂層材料進(jìn)行保護(hù)，探究降低摩擦系數(shù)的方法是研究的重點[26]。

3.4 質(zhì)量的檢測

通過嵌入電子元件可使服裝具備特殊功能，但由于電子元件的特殊性，容易引起消費者對智能服裝安全性能的擔(dān)憂。目前，智能服裝沒有相應(yīng)的檢測標(biāo)準(zhǔn)，只能暫借紡織品與智能產(chǎn)品的。然而,智能產(chǎn)品的檢測標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)無法滿足智能服裝的安全需要[27]，因此需要通過效果評價以確保其安全性，從而進(jìn)一步完善其標(biāo)準(zhǔn)[28]。智能服裝的功能性、可靠性、可洗性等都能通過檢測進(jìn)行認(rèn)證，從而被市場所接受，所以對智能服裝檢測標(biāo)準(zhǔn)的完善是智能服裝發(fā)展急需解決的問題。

3.5 市場的需求

智能服裝在提供電子設(shè)備功能性的同時也應(yīng)滿足服裝的舒適性和時尚性[29]。智能服裝注重功能，但缺少對智能服裝本身設(shè)計的重視。服裝的功能性固然重要，它可以增加智能服裝的價值，卻不是消費者購買智能服裝的主要原因[30]。由于智能服裝設(shè)計者對消費者需求尚不明確，故難以滿足消費者在功能、價格、設(shè)計與使用上的需求。

4 前景展望

隨著智能服裝的關(guān)注度逐漸提高，其銷量將從2014年的約2.12億美元增長到2021年超過18億美元[31]。微機(jī)電系統(tǒng)與智能服裝的結(jié)合，已成為相關(guān)學(xué)者的研究重點。盡管智能服裝的研究還處于初級階段，但隨著微機(jī)電系統(tǒng)的深入，智能服裝必將得到快速發(fā)展。未來微機(jī)電系統(tǒng)在智能服裝領(lǐng)域的研究將從以下5個方面展開。

4.1 智能服裝的新型化

針對能源問題，需要打破傳統(tǒng)能源技術(shù)，趨向于微能源技術(shù)的研究。太陽能電池作為新型能源，是最具潛力的重要能源之一[31]。柔性太陽能電池的使用可解決智能服裝的供能問題[14]。太陽能發(fā)電技術(shù)具有環(huán)保等優(yōu)良特性，但輕便性能及轉(zhuǎn)換率依舊有待提高[32]；體能發(fā)電、溫差發(fā)電等自生電技術(shù)，可利用人體運動、內(nèi)環(huán)境等變化，實現(xiàn)微弱電流的轉(zhuǎn)換，為微機(jī)電系統(tǒng)提供所需能源。北卡羅來納州立大學(xué)的研究團(tuán)隊研制的熱電式發(fā)電裝置，則利用空氣與人體溫度的差異產(chǎn)生電能，能夠?qū)⑷梭w的熱能轉(zhuǎn)換成為電能，并證明將熱電發(fā)電裝置嵌入衣服中具有可行性。

4.2 智能服裝的柔性化

針對材質(zhì)與連接問題，智能服裝上柔性材料的使用主要分為柔性傳感器、柔性儲能元件、柔性連接材料3個部分。傳統(tǒng)的傳感器、儲能元件與連接材料存在柔軟性差、金屬厚重感強以及涂層手感差、不能機(jī)洗等缺點，影響了服裝原本輕質(zhì)、柔軟、舒適等特性，難以達(dá)到設(shè)計目標(biāo)和使用性能的要求。柔性材料的使用直接影響到智能服裝性能，這是基于微機(jī)電系統(tǒng)智能服裝的研究重點。如石墨烯及衍生材料[33]，由于自身的特殊性能成為智能服裝的柔性材料及能源的重點研究對象。

4.3 智能服裝的復(fù)合化

在智能服裝領(lǐng)域，涂層和復(fù)合技術(shù)賦予服裝諸多的特殊功能。如中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所[34]從事于智能穿戴納米技術(shù)的研究，在納米墨水、納米芯片與織物的集成、納米纖維柔性超級電容器等領(lǐng)域均有涉及。利用納米材料的分散性、穩(wěn)定性、物理化學(xué)活性等優(yōu)良性能實現(xiàn)智能服裝的系統(tǒng)集成與智能應(yīng)用。另外，由于石墨烯纖維具有高電子遷移率、高導(dǎo)熱系數(shù)、良好的彈性和剛度等多種特質(zhì)，通過創(chuàng)新設(shè)計石墨烯與普通纖維的復(fù)合可研制出石墨烯改性導(dǎo)電纖維，它具有良好的柔性和可紡性，穩(wěn)定性高，經(jīng)水洗、皂洗、酸堿汗?jié)n、干摩擦、濕磨擦后仍然保持良好的導(dǎo)電性能[35]。

4.4 智能服裝的標(biāo)準(zhǔn)化

對于智能服裝的安全性，現(xiàn)階段在市場上尚未有具體的檢測標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究已成為智能服裝亟待解決的問題。只有遵循檢測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，才能讓消費者信服其智能服裝的安全性。目前，深圳市計量質(zhì)量檢測研究院針對智能加熱服裝的熱效應(yīng)評價方法與智能壓力傳感鞋墊的檢測提出了相關(guān)的檢測標(biāo)準(zhǔn)，為智能服裝在熱效應(yīng)與壓力傳感方面提供了檢測依據(jù)[36]。

4.5 智能服裝的市場化

智能服裝正逐步由概念轉(zhuǎn)變成現(xiàn)實消費市場，消費者已從過去的盲目從眾逐漸走向理性購買。智能服裝也將隨著市場的發(fā)展，形成自己的市場秩序[36]。智能服裝作為服裝的同時也擁有物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等概念，在發(fā)展過程中要明確消費者需求，從傳統(tǒng)的“生產(chǎn)”“銷售”為中心向 “消費者”為中心轉(zhuǎn)變[37]。如國內(nèi)羽絨服品牌艾萊依在宣傳本品牌的智能恒溫服時通過對智能服裝產(chǎn)品說明書和吊牌進(jìn)行重新設(shè)計，講述品牌故事，試圖使消費者與產(chǎn)品建立聯(lián)系，以一種新的方式滿足消費者需求，受到消費者的一致好評[38]。

5 結(jié)語

盡管基于微機(jī)電系統(tǒng)的智能服裝在研究過程中依舊存在諸多難點與瓶頸，但微機(jī)電系統(tǒng)與智能服裝相結(jié)合的課題，對于智能服裝的發(fā)展具有深遠(yuǎn)影響。文中通過對微機(jī)電系統(tǒng)的特性分析，梳理出微機(jī)電系統(tǒng)在智能服裝領(lǐng)域的發(fā)展現(xiàn)狀，總結(jié)出微機(jī)電系統(tǒng)在智能服裝設(shè)計中的應(yīng)用形式。提出了智能服裝與人體、環(huán)境間的信號轉(zhuǎn)換關(guān)系模型，從而明確微機(jī)電系統(tǒng)在智能服裝上的研究方向。對研究中存在的瓶頸問題進(jìn)行梳理，并針對性地提出微機(jī)電系統(tǒng)在智能服裝領(lǐng)域的“五化”趨勢?；谖C(jī)電系統(tǒng)的智能服裝改變了消費者對服裝的傳統(tǒng)認(rèn)知，并滿足消費者對服裝功能性、娛樂性的各類需求。隨著電子信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，基于微機(jī)電系統(tǒng)的智能服裝也必然會得到長足的發(fā)展。