智能服裝的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景

黎淑婷,張海煊,滕萬紅

(深圳市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院,廣東 深圳518131)

智能服裝是將賦予人工智能的微型電子元件整合到服裝中,以滿足人們對(duì)智能電子產(chǎn)品微型化、隱形化的需求。近幾年,隨著智能可穿戴電子產(chǎn)品產(chǎn)量爆發(fā)式增長(zhǎng),服裝作為載體之一,也是人們的剛性需求品,智能服裝成為科技企業(yè)和學(xué)術(shù)研究爭(zhēng)相開發(fā)的熱點(diǎn)領(lǐng)域,是服裝的未來發(fā)展趨勢(shì)。在人工智能、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)通信技術(shù)等新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展背景下,智能服裝將給人類社會(huì)的許多方面帶來革命性的影響。

本文以智能服裝在生活?yuàn)蕵?、運(yùn)動(dòng)健身、醫(yī)療健康和軍事裝備等領(lǐng)域的應(yīng)用為切入點(diǎn),梳理了智能服裝的發(fā)展現(xiàn)狀,討論其產(chǎn)品設(shè)計(jì)上存在的問題,并對(duì)其未來發(fā)展趨勢(shì)和前景進(jìn)行展望。

1 智能服裝概述

智能服裝是一個(gè)復(fù)雜的信息載體,它是將紡織與服裝工程、材料科學(xué)、電子信息、計(jì)算機(jī)工程等多門學(xué)科交叉融合形成的一個(gè)整體,以人們?nèi)粘４┐鞯姆b為物理載體,將智能系統(tǒng)以不同形式嵌入其中,使其具有區(qū)別于傳統(tǒng)服裝一般功能的特殊功能。其技術(shù)構(gòu)成主要有處理元件、傳感器、人機(jī)交互設(shè)備、電源系統(tǒng)、連接技術(shù)等元素,具有信息識(shí)別、存儲(chǔ)、傳遞和處理功能[1]。常見的結(jié)合形式有3種:一是服裝直接外接微型智能電子元器件;二是利用物理或化學(xué)整理技術(shù)賦予普通纖維材料特殊功能;三是通過梭織、針織等織造方法將智能纖維或智能紗線織入紡織服裝產(chǎn)品中[2]。

2 智能電子服裝的應(yīng)用

目前,智能服裝具有各式各樣的功能,以滿足消費(fèi)者多樣化的需求,根據(jù)其應(yīng)用領(lǐng)域可以將其劃分為生活?yuàn)蕵贰⑦\(yùn)動(dòng)健身、醫(yī)療健康和軍事裝備四大類。

2.1 生活?yuàn)蕵?/h3>

應(yīng)用于生活?yuàn)蕵奉I(lǐng)域的智能服裝主要為了解放雙手、方便日常生活,將生活中各環(huán)節(jié)逐步智能化,增強(qiáng)人們對(duì)服裝和生活的體驗(yàn)感。如三星研發(fā)的一款內(nèi)置NFC芯片的智能西裝,能與手機(jī)配合使用,用戶無需用手滑動(dòng)手機(jī)屏幕即可實(shí)現(xiàn)近距離切換不同應(yīng)用場(chǎng)景模式。Lyle&Scott推出的一款用于支付的夾克外套,其袖子隱藏NFC芯片,通過手機(jī)應(yīng)用設(shè)定支付信息,可在英國(guó)30多萬個(gè)商家處進(jìn)行支付。Levi's和谷歌共同開發(fā)的智能外套,通過不同手勢(shì)實(shí)現(xiàn)手機(jī)功能操控,如改變播放曲目、更改地圖導(dǎo)航位置等功能。

近年來,人機(jī)交互技術(shù)的成熟發(fā)展加快了智能服裝和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)的結(jié)合,由Tesla Studios發(fā)布的Tesla Suit是一款將多種功能整合的智能體感服裝,具有觸覺反饋、動(dòng)作捕捉、氣候控制和生物反饋系統(tǒng)等功能,為VR游戲玩家?guī)砀顚拥某两襟w驗(yàn)[3]。

2.2 運(yùn)動(dòng)健身

運(yùn)動(dòng)健身類的智能服裝是將智能手機(jī)、手環(huán)中附帶的運(yùn)動(dòng)健身類功能轉(zhuǎn)移至服裝上,它將從人體中采集的生理(心率、呼吸)、各部位運(yùn)動(dòng)(速度、方向等)等信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),再經(jīng)放大、濾波、干擾抑制等預(yù)處理后,通過A/D轉(zhuǎn)換后,供處理器進(jìn)一步分析和處理,最終輸出結(jié)果。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景可分為健身和體育運(yùn)動(dòng)兩類。

2.2.1健身

健身類智能服裝是面向關(guān)注自身健康的人群,能實(shí)時(shí)記錄每天的運(yùn)動(dòng)量、消耗熱量以及生理參數(shù)等,并提供個(gè)性化的運(yùn)動(dòng)計(jì)劃。如小米科技推出一款與小米手機(jī)搭配使用的智能帆布鞋,可測(cè)算用戶跑步距離、路線以及跑步時(shí)的心率;OMsignal設(shè)計(jì)一款名為OM-bra智能運(yùn)動(dòng)胸罩,能記錄步數(shù)、呼吸頻率、心率、熱量消耗等數(shù)據(jù);Athos智能緊身衣通過內(nèi)置的EMG肌電傳感器監(jiān)測(cè)人體的肌肉纖維內(nèi)部活動(dòng),讓穿戴者了解自身運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、心率和運(yùn)動(dòng)步數(shù);Nflux智能健身衣能實(shí)時(shí)追蹤運(yùn)動(dòng)次數(shù)、動(dòng)作范圍和力量,將所有的數(shù)據(jù)傳輸至虛擬教練查看,并提供實(shí)時(shí)反饋以指導(dǎo)用戶矯正姿勢(shì)。

2.2.2 體育運(yùn)動(dòng)

體育運(yùn)動(dòng)類智能服裝主要應(yīng)用在田徑、游泳、網(wǎng)球、滑雪等項(xiàng)目中,如2014年美國(guó)網(wǎng)球公開賽中亮相的Ralph Lauren的智能T恤衫,采用3個(gè)電極,能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶的心率、呼吸和熱量消耗量等參數(shù),除了監(jiān)測(cè)生理參數(shù)之外,這款服裝還幫助運(yùn)動(dòng)員確認(rèn)自己位置、方位、速度以及糾正肢體姿勢(shì)。三星開發(fā)的智能訓(xùn)練服Smart Suit,嵌入5個(gè)精度為毫米級(jí)的傳感器,收集運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練數(shù)據(jù),并精確計(jì)算運(yùn)動(dòng)員冰道速滑時(shí)的身體位置,將運(yùn)動(dòng)員姿體信息反饋到教練手機(jī)上,教練可用該程序向運(yùn)動(dòng)員的Smart Suit發(fā)出振動(dòng)信號(hào),提醒運(yùn)動(dòng)員注意調(diào)整動(dòng)作。另外,如籃球、足球等位移頻繁的體育項(xiàng)目,智能服裝能記錄運(yùn)動(dòng)員們位移點(diǎn),以便教練調(diào)整方案和策略。

2.3 醫(yī)療健康

醫(yī)療健康類的智能服裝有廣泛的需求基礎(chǔ),主要體現(xiàn)在人口老齡化與醫(yī)療資源供給不匹配,心腦血管、糖尿病等慢性疾病死亡率增高,疾病預(yù)防和健康管理需要智能醫(yī)療協(xié)助多個(gè)方面。另外,移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的高速發(fā)展為醫(yī)療健康類智能服裝提供了必要條件[4]。

醫(yī)療健康類的智能服裝能實(shí)現(xiàn)對(duì)人體非介入式、無創(chuàng)的生理體征監(jiān)測(cè),如心電、血壓、血氧飽和度、血糖、體溫、呼吸等多個(gè)參數(shù),在預(yù)防和康復(fù)兩個(gè)階段起到重要作用。如聯(lián)想集團(tuán)發(fā)布的一款無線智能心電衣,可通過12導(dǎo)聯(lián)方式對(duì)用戶心臟進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)的監(jiān)測(cè)和監(jiān)護(hù),并實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)健康監(jiān)測(cè)和醫(yī)院后臺(tái)預(yù)警服務(wù);杰克遜州立大學(xué)推出的智能鞋墊Smart mat,它能夠監(jiān)測(cè)用戶的足底溫度,有效地預(yù)防糖尿病足和降低截肢風(fēng)險(xiǎn);Owlet智能襪能夠記錄嬰兒的心率、血氧、體表溫度及睡眠姿勢(shì),以便父母遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控嬰兒健康狀態(tài);丹麥Ohmatex設(shè)計(jì)的一種智能襪子能夠檢測(cè)腿腳水腫,提前預(yù)測(cè)心臟衰竭和先兆癲癇風(fēng)險(xiǎn)。

醫(yī)療健康類智能服裝具有廣闊的應(yīng)用前景,改變了傳統(tǒng)醫(yī)療服務(wù)的地域性限制和解決了笨重而固定的治療監(jiān)護(hù)設(shè)備帶來的不便,是智能服裝未來發(fā)展的重要應(yīng)用方向[5]。

2.4 軍事裝備

軍事裝備屬于尖端科技領(lǐng)域,電子信息技術(shù)與軍事裝備結(jié)合并應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的想法由來已久,但隨著納米技術(shù)的成熟發(fā)展才使其現(xiàn)實(shí)化,應(yīng)用在軍事領(lǐng)域的智能服裝根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景分為作戰(zhàn)狀態(tài)和日常監(jiān)護(hù)兩種[6]。

2.4.1 基于作戰(zhàn)狀態(tài)的智能服裝的應(yīng)用

為適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)多變復(fù)雜的環(huán)境,降低被發(fā)現(xiàn)攻擊概率,采用電致變色織物制成的智能服裝在不同電壓作用下,可控制軍服的局部或整體顏色,在軍事偽裝中具有重要應(yīng)用價(jià)值。俄羅斯Rostec研發(fā)了能根據(jù)軍人所處的環(huán)境來改變軍服顏色與圖樣的新型隱形偽裝技術(shù),這項(xiàng)技術(shù)能模擬復(fù)雜的圖像,適用于士兵作訓(xùn)服、坦克、裝甲戰(zhàn)車等軍事裝備。為減少士兵在作戰(zhàn)中受到的傷害,美國(guó)推出多款“勇士織衣”智能作戰(zhàn)服,具有質(zhì)量輕、柔韌性好等優(yōu)點(diǎn),能自動(dòng)調(diào)整軟硬度以避免士兵受傷,可大幅增強(qiáng)士兵的機(jī)動(dòng)攜行和綜合防護(hù)能力,進(jìn)而提高士兵的戰(zhàn)斗力和生存能力。為降低因踩地雷而傷亡的風(fēng)險(xiǎn),哥倫比亞Lemur Design Studio公司專門為軍事領(lǐng)域設(shè)計(jì)了一款名為Save One Life的智能鞋墊,其原理是將印刷電路組成的金屬探測(cè)器安裝在鞋底,若巡經(jīng)范圍內(nèi)有大塊金屬的磁場(chǎng)反應(yīng),與其配套的手表會(huì)出現(xiàn)紅點(diǎn)提示附近的可疑物品位置,告知使用者小心或改變行進(jìn)方向,降低傷亡[7]。

另外,智能服裝可嵌入定位、信息分析系統(tǒng),幫助士兵在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中更準(zhǔn)確、快速地感知、獲取、利用和分發(fā)信息,最終實(shí)現(xiàn)信息制勝。

2.4.2 基于日常監(jiān)護(hù)的智能服裝服飾的應(yīng)用

智能加熱服裝在軍事領(lǐng)域具有很大的發(fā)展前景。由于長(zhǎng)期生活在極端低溫、高濕、低壓、紫外線輻射強(qiáng)度大、高風(fēng)速等環(huán)境中,士兵的皮膚、關(guān)節(jié)、器官等部位容易發(fā)生不同程度的凍傷損壞。智能加熱服能保護(hù)駐守在惡劣極端氣候中士兵的身體,減少環(huán)境因素對(duì)其造成的不必要傷害。

士兵日常需要經(jīng)受嚴(yán)苛的訓(xùn)練任務(wù),體力幾乎達(dá)到極限,持續(xù)高強(qiáng)度訓(xùn)練可能會(huì)對(duì)個(gè)別士兵的身體狀況有害,因此,智能監(jiān)測(cè)衣能夠長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)士兵生理體征變化狀況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常,防止士兵在日常訓(xùn)練中發(fā)生意外,同時(shí)根據(jù)反饋數(shù)據(jù)調(diào)整訓(xùn)練方案,更好地發(fā)揮每個(gè)士兵的戰(zhàn)斗能力。

無論在日常護(hù)理還是單兵作戰(zhàn)中,智能服裝在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義,它體現(xiàn)了各國(guó)在軍事上的科技實(shí)力。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看,伴隨著信息技術(shù)和新材料、新能源技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,智能服裝很有可能成為未來軍事系統(tǒng)不可缺少的硬件,像普通軍裝及槍械一樣成為士兵的標(biāo)配。

3 智能服裝存在的問題

如今,智能服裝仍處于發(fā)展的初級(jí)階段,產(chǎn)品款式單一,功能設(shè)計(jì)以及用戶群體認(rèn)知程度都不夠成熟,主要存在幾個(gè)方面的問題:

3.1 舒適性

由于學(xué)科融合度不足,在注重實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí),無法滿足服裝穿著舒適性,如嵌入智能服裝內(nèi)部的電子元件相對(duì)體積大、柔軟度低,讓用戶覺得有明顯的異物感。除此之外,為提高采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,往往選擇緊身衣為載體,降低服裝穿著舒適性,也妨礙用戶日常活動(dòng)。

3.2 黏性

大部分智能服裝在設(shè)計(jì)時(shí)偏重于趣味性和互動(dòng)性,使用一段時(shí)間后便逐漸顯露出功能短板,功能上的不完善導(dǎo)致無法有效地解決實(shí)際問題,難以滿足用戶真正需要,使得產(chǎn)品的用戶黏性降低。

3.3 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)精確度

數(shù)據(jù)檢測(cè)的精確度偏低是智能服裝普遍存在的難題,尤其在實(shí)時(shí)采集人體信號(hào)過程中,由于智能服裝具有隨時(shí)隨地性、便攜性和移動(dòng)性等特點(diǎn),不可避免地面臨采集信號(hào)微弱、運(yùn)動(dòng)噪聲和運(yùn)動(dòng)偽跡等干擾因素,會(huì)不同程度地造成信號(hào)特征點(diǎn)提取的誤判和漏判[8]。

3.4 安全性

智能服裝是跨領(lǐng)域產(chǎn)物,既是服裝,又是電子產(chǎn)品,其安全性能涉及服用性能、材料使用安全性、電學(xué)安全性、電磁安全性及環(huán)境可靠性等多個(gè)方面。然而,智能服裝未形成規(guī)范、完整的測(cè)試方法和標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng),無法確保智能服裝的質(zhì)量安全,在一定程度上降低了消費(fèi)者熱度。

3.5 耐用性

在使用和洗滌過程中,嵌入了傳感器、芯片及其他電子元件組成的電路系統(tǒng)要經(jīng)受水洗、拉伸、彎曲、摩擦等耐用性能考驗(yàn),電路中任意一處的損壞均能導(dǎo)致服裝整體功能失效,影響服裝的穿著耐用性能。

4 發(fā)展前景

未來智能服裝將更契合人性化需求,將科技與服裝進(jìn)一步地深度融合。

從材料方面,纖維基智能材料、柔性電子技術(shù)在智能服裝中的應(yīng)用前景廣闊,將低維結(jié)構(gòu)材料通過紡織織造或柔性3D打印等手段實(shí)現(xiàn)服裝輕薄化、柔性化,滿足消費(fèi)者對(duì)服裝貼合性、輕便、易于彎曲形變的需求,改善當(dāng)前智能服裝穿著舒適性問題,實(shí)現(xiàn)從“戴”向“穿”的過渡。

從能量供應(yīng)方面,采用石墨烯、碳納米管、碳布/碳纖維、導(dǎo)電聚合物為電極材料的柔性電池,具有可拉伸彎曲、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn),是智能服裝能量主要來源。另外,Li-S電池、太陽能電池、生物燃料電池等環(huán)境友好型電池的研發(fā),有利于智能服裝能源供應(yīng)的可持續(xù)發(fā)展[9]。

從功能方面,智能服裝功能多樣化才能夠滿足消費(fèi)者各種需求,除了提供專業(yè)、精確、可靠的實(shí)時(shí)信息反饋外,還需相應(yīng)地提升社會(huì)配套資源,構(gòu)建軟件生態(tài)系統(tǒng),不斷整合各種數(shù)據(jù)、應(yīng)用與服務(wù),為消費(fèi)者打造一體化、個(gè)性化的智能服裝體驗(yàn)。

從人機(jī)交互方面,智能服裝需要新穎的交互模式,以滿足穿著舒適性、移動(dòng)性、隱蔽性、不干擾人的其他活動(dòng)等性質(zhì)?？梢酝ㄟ^語音識(shí)別、手勢(shì)、生物反饋、情感感知等特殊的輸入方式操縱產(chǎn)品,主動(dòng)獲取信息,從而提高用戶體驗(yàn)感和生活質(zhì)量。