纖維基柔性智能可穿戴技術(shù)在智能運動服裝上的應(yīng)用

劉成揚

(廣東省紡織品進(jìn)出口股份有限公司 業(yè)務(wù)運營支持中心，廣東 廣州 510045)

隨著材料科學(xué)、傳感技術(shù)、通信技術(shù)等關(guān)鍵領(lǐng)域的不斷發(fā)展，種類豐富、功能多樣的智能可穿戴設(shè)備大規(guī)模進(jìn)入了人們的視野。智能可穿戴技術(shù)可用于醫(yī)療監(jiān)護(hù)、運動健身、休閑娛樂、軍事工業(yè)等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景[1-2]。但是，智能可穿戴設(shè)備中的傳感器、電源、電路板、電極、無線傳輸設(shè)備等智能可穿戴器件大多是基于硬件模塊設(shè)計生產(chǎn)的，并且器件的尺寸較大、硬度較高，影響了其舒適性和便攜性。此外，目前基于硬件的智能可穿戴設(shè)備還存在功能不夠完善、操作不夠簡便、智能化程度不夠高、制造成本較高等局限，實用性和用戶體驗較差[3]。因此，基于柔性器件的智能可穿戴設(shè)備的研發(fā)逐漸受到研究者的重視。隨著智能器件向柔性化、微型化快速發(fā)展，智能可穿戴設(shè)備中基于硬件模塊的器件逐漸被柔性器件所替代，器件的體積和厚度也在不斷減小。

智能器件在向柔性化、微型化發(fā)展的同時，也需要一個理想的載體。服裝是人們?nèi)粘Ｉ畋貍涞挠闷罚烊痪哂腥彳?、可變形的特性。因此，將服裝與智能可穿戴器件結(jié)合起來，便成為一種很自然的選擇，智能服裝應(yīng)運而生。而在智能服裝中，智能運動服裝是其中應(yīng)用范圍較為廣泛的一種類型。本文主要對基于智能器件的智能運動服裝進(jìn)行分析。

1 智能服裝概述

智能服裝通常是指能夠感應(yīng)人體體征與外界環(huán)境，并根據(jù)一定的反饋機(jī)制，對內(nèi)外環(huán)境變化做出響應(yīng)的服裝[4]。智能服裝主要分為2類：一是以智能材料為基礎(chǔ)，如將導(dǎo)電纖維、形狀記憶材料、可逆相變材料、變色纖維、改性纖維等直接通過編織等方式形成織物，制成服裝，使其能夠?qū)ν饨绲膽?yīng)力、溫度、光照等變化進(jìn)行感應(yīng)與反饋，甚至能夠?qū)Νh(huán)境變化自動適應(yīng)，以實現(xiàn)動態(tài)平衡；二是以智能元器件為基礎(chǔ)，將傳感技術(shù)和微電子技術(shù)等引入服裝，即令服裝與包括傳感器、電源、電路板、電極、無線傳輸設(shè)備等在內(nèi)的電子元器件相融合，在一定意義上將服裝轉(zhuǎn)化為智能可穿戴設(shè)備[5]。

智能服裝是柔性智能可穿戴技術(shù)較為理想的載體。由于服裝與人體長時間、大面積貼身接觸，智能服裝能夠更為連續(xù)、準(zhǔn)確、無干擾地對人體運動狀況和生理體征進(jìn)行采集和分析。同時，由于服裝在日常生活中不可或缺，使用者對其心理排斥感較低，因此智能服裝能夠在使用者低心理負(fù)荷狀態(tài)下監(jiān)測人體狀況，獲得更為真實的生理信號[6]。

2 纖維基柔性智能器件研究進(jìn)展

基于纖維的柔性傳感器、柔性超級電容器、柔性納米發(fā)電機(jī)和柔性天線等器件的研發(fā)，為智能運動服裝的發(fā)展提供了更多可能。

2.1 纖維基柔性傳感器

柔性傳感器在智能運動服裝中通過與人體皮膚的接觸，采集心率、體溫、呼吸頻率等生理指標(biāo)的器件。柔性傳感器以導(dǎo)電纖維為關(guān)鍵材料，通過針織、刺繡、編織等織造方式，集成于智能運動服裝[7]。導(dǎo)電纖維可以按其特點分為金屬系導(dǎo)電纖維、炭黑系導(dǎo)電纖維、導(dǎo)電高分子型纖維、金屬化合物型導(dǎo)電纖維等4類[8]。其中，導(dǎo)電高分子型纖維的綜合物理性能較好，且具有相對較好的可紡性與化學(xué)穩(wěn)定性，電阻的線性變化較為明顯[9]。另外，利用納米纖維為基體開發(fā)柔性傳感器也逐漸引起了人們的關(guān)注。常用于柔性傳感器的納米纖維包括碳納米纖維(CNFs)、熱塑料聚氨酯彈性體(TPU)納米纖維、石墨烯納米纖維等。

RYU等[10]使用高取向度碳納米管(CNT)纖維與高彈性柔性基底復(fù)合，開發(fā)一種柔性電阻應(yīng)變傳感器。該傳感器的工作原理是，碳納米管纖維間的導(dǎo)電通路與接觸面積會隨拉伸應(yīng)變的增大而不斷減小，使元件的電阻隨之增大。該傳感器的應(yīng)變范圍極寬，響應(yīng)時間短，循環(huán)性和耐久性極佳。在應(yīng)變范圍達(dá)到960%時，靈敏系數(shù)為64。該傳感器經(jīng)10 000 次應(yīng)變測試后，能夠基本保持其原有形狀、纖維取向度和初始電導(dǎo)率。在應(yīng)變范圍為0～300%時，經(jīng)10 000次應(yīng)變測試后，較第10次應(yīng)變測試時，該傳感器的靈敏度漂移量為7%。該傳感器貼服于膝關(guān)節(jié)、手指等部位時，能夠?qū)崿F(xiàn)對人體關(guān)節(jié)運動的可穿戴式監(jiān)測。

2.2 纖維基柔性超級電容器

超級電容器是一種具有較高儲能性能的儲能元件。相較于傳統(tǒng)電池，超級電容器具有更高的功率密度，且充放電速度更快，使用壽命更長。超級電容器能夠存儲多種能量，包括柔性納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電能[11-14]。纖維基超級電容器(FSCs)保留了纖維材料的柔性，具有較好的可彎曲性和可拉伸性，易與服裝集成，在智能運動服裝領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力[15]。常用于柔性超級電容器的纖維材料包括碳納米管、石墨烯、碳纖維，以及由纖維材料與導(dǎo)電聚合物復(fù)合而成的復(fù)合纖維等[14]。

FU等[15]分別采用碳纖維、鎳金屬絲纖維和鍍金塑料纖維為電極材料，通過浸涂法使含石墨碳納米顆粒的鋼筆墨水在纖維電極表面形成薄膜，從而制成纖維狀超級電容器。根據(jù)實驗結(jié)果，碳纖維/墨水復(fù)合纖維電極的比電容達(dá)到26.4 mF/cm2，且具有較高的能量密度、功率密度、拉伸強(qiáng)力和化學(xué)穩(wěn)定性。使用此方法制備的超級電容器，在充放電循環(huán)15 000次后仍保持穩(wěn)定的比電容。該超級電容器的制備工藝簡單、制備成本低，且柔軟性和穩(wěn)定性較好、綠色環(huán)保，具有大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用的潛力。

2.3 纖維基柔性納米發(fā)電機(jī)

在野外探險、登山或日常穿著時，智能運動服裝需要長時間持續(xù)工作。為此，其能量來源需要具備持續(xù)、穩(wěn)定、便捷的特點。傳統(tǒng)的電池供電需要依賴外部能量來源，且體積與硬度較大，難以滿足器件持續(xù)供能和運動服裝舒適輕便的需要[16]。超級電容器的電容量有限，也不足以支撐其長期持續(xù)運行。柔性納米發(fā)電機(jī)是一種新型的能量收集器，在智能運動服裝領(lǐng)域有很好的應(yīng)用潛力。其中，纖維基柔性壓電納米發(fā)電機(jī)能夠利用壓電效應(yīng)，隨時隨地將微弱的機(jī)械能采集并轉(zhuǎn)化為電能[17]。另外，纖維基柔性摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)能夠利用摩擦起電與靜電感應(yīng)，將人體運動時產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。柔性納米發(fā)電機(jī)能夠持續(xù)為柔性器件供能，使其實現(xiàn)自驅(qū)動工作[17]。

KWAK等[18]以聚四氟乙烯(PTFE)織物和銀絲織物，開發(fā)了一種可拉伸的摩擦納米發(fā)電機(jī)(S-TENG)?；?×2羅紋結(jié)構(gòu)織造，大小為10 cm×10 cm的S-TENG，在應(yīng)變范圍達(dá)到30%時，最大輸出電壓和電流分別為23.50 V與1.05μA。在垂直接觸方式、頻率為3.3 Hz時，2×2羅紋S-TENG的最大有效功率為60 μW。針織結(jié)構(gòu)S-TENG的拉伸應(yīng)變，與輸出電壓有效值、輸出電流有效值均存在正相關(guān)關(guān)系。該S-TENG具有較大的應(yīng)變范圍，且柔軟高效，可以應(yīng)用在智能運動服裝領(lǐng)域。

2.4 纖維基柔性天線

柔性天線能夠?qū)鞲衅鞑杉降娜梭w生理數(shù)據(jù)傳輸至云平臺或智能移動終端，在智能運動服裝中起到信號傳輸?shù)淖饔?。作為可穿戴天線的其中一種，柔性天線通常由介質(zhì)基板和輻射片組合而成。柔性天線一般以普通織物為介質(zhì)基板，以金屬纖維等導(dǎo)電材料為輻射片[15,19]。由于這類柔性天線是基于紡織結(jié)構(gòu)織造的，它除了能夠傳輸信號，還具有柔軟、可彎折、易共形等特點，易于與運動服裝集成[20]。

楊福慧等[20]采用玻璃纖維和銅絲織造了一種紡織四元微帶天線陣。該紡織天線利用三維正交織機(jī)，一體化織造銅質(zhì)輻射貼片(頂層)、玻璃纖維介質(zhì)基板(中間層)與銅質(zhì)接地板(底層)。該天線的帶寬為1.43～1.54 GHz，最大增益為7 dB，最大效率為 40%。該天線在彎曲時的性能變化較小。

3 智能運動服裝產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用實例

智能運動服裝是智能服裝在運動健身領(lǐng)域的應(yīng)用，主要通過集成的運動監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)感應(yīng)、反饋與響應(yīng)功能。運動監(jiān)測系統(tǒng)由放置于某些特定部位的傳感器、電源、信號傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理器等元件組合而成。智能運動服裝能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地采集人體在運動中的心率、呼吸頻率、體溫、體表濕度、加速度等生理數(shù)據(jù)[21-22]，以及監(jiān)測姿勢準(zhǔn)確性、肌肉狀態(tài)等復(fù)雜狀態(tài)[23-25]。采集數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)經(jīng)由藍(lán)牙、ZigBee(一種應(yīng)用于短距離和低速率傳輸?shù)臒o線網(wǎng)上協(xié)議)或ANT(一種天線)等方式傳輸至云平臺或智能移動應(yīng)用程序，做出運動評估，幫助運動者了解自身身體狀況，控制運動強(qiáng)度，優(yōu)化訓(xùn)練效果。

3.1 智能瑜伽褲

Nadi X智能瑜伽褲[22-23]集成了一套觸覺反饋裝置，可以感應(yīng)運動者的瑜伽運動姿勢，并提供專業(yè)姿勢指導(dǎo)。Nadi X在腳踝、膝蓋和下背部嵌入了5個傳感器，能夠準(zhǔn)確全面地監(jiān)測運動姿勢，采集生理信號。同時Nadi X還在多個位置嵌入了振動電動機(jī)。運動者在使用錯誤的運動姿勢時，傳感器能夠迅速準(zhǔn)確感應(yīng)并向系統(tǒng)發(fā)出信號，系統(tǒng)借助觸覺振動提醒運動者糾正姿勢。Nadi X需要與放置于膝蓋口袋的電源和藍(lán)牙模塊配合使用。Nadi X借助藍(lán)牙模塊和移動網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，并通過智能移動應(yīng)用程序，與移動終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步和分析。

另外，Nadi X還可在日常生活中應(yīng)用。Nadi X可以實時監(jiān)測使用者在生活中的不良姿勢并即時提醒。Nadi X具有較好的耐洗性，能夠在多次洗滌后保持良好性能。

3.2 Athos智能運動服

Athos公司研發(fā)了上衣和褲子全套的智能運動服[21，24-25]。該款運動服內(nèi)置了幾塊EMG(表面肌電信號)運動傳感器和生理傳感器，能夠感應(yīng)和追蹤肌肉的運動狀態(tài)，也能監(jiān)測運動者的心率和呼吸頻率。運動服能夠在移動終端以EMG肌電圖的形式讓運動者了解肌肉鍛煉情況與自身各項指標(biāo)變化。整套智能裝置僅重不到20 g，并能連續(xù)工作10 h以上。

3.3 BodyPlus智能運動服

BodyPlus公司采用杜邦I(lǐng)ntexar智能面料，開發(fā)了智能運動上衣和運動內(nèi)衣、智能背心等產(chǎn)品[26-28]。Intexar智能面料將可拉伸的含碳或銀的電子油墨和熱塑性聚氨酯彈性體(TPU)膜貼合于布料表面，構(gòu)成薄型線路，實現(xiàn)感應(yīng)與通信功能。Intexar智能面料可以通過面料表面的碳或銀，感知人體的心率、呼吸頻率、肌肉狀態(tài)和身體姿態(tài)。Intexar智能面料保持了織物輕薄柔軟的特性，能夠與服裝一體成型，并具有良好的舒適性。同時，Intexar智能面料還能承受多次往復(fù)拉伸和100次以上反復(fù)洗滌，具有很好的耐久性。Intexar智能面料已在運動領(lǐng)域投入使用。

4 智能運動服裝發(fā)展中尚需解決的問題

4.1 舒適度

人們運動時的肢體動作比較劇烈，拉伸、彎曲程度和頻率較高，且運動者會長時間、貼身穿著運動服。目前柔性器件的柔性化和微型化水平較低，智能運動服裝的舒適度還有待進(jìn)一步提高。

4.2 數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性

人體在運動中會發(fā)生位置移動和汗液分泌，容易使纖維基傳感器和人體接觸的位置、接觸壓力、電阻等發(fā)生變化，導(dǎo)致傳感器的靈敏度發(fā)生變化，采集的人體數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確。

4.3 耐久性

柔性傳感器等器件的耐水洗性較差，器件封裝技術(shù)有待提高。同時，纖維基柔性器件的耐磨損性能較差。這些都影響了智能運動服裝的耐久性。

4.4 服裝款式設(shè)計

在相關(guān)研究人員更關(guān)注智能運動服裝的功能開發(fā)，而對其服裝款式設(shè)計較為忽視，這對其市場推廣造成了一定影響[3]。

4.5 產(chǎn)品價格

纖維基柔性器件的研發(fā)尚在初期階段，其研發(fā)和制造加工成本較高，制作工藝較為復(fù)雜，導(dǎo)致此類智能運動服裝的價格普遍偏高，消費者購買意愿有限。

4.6 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范

基于柔性器件的智能運動服裝作為一種新興產(chǎn)品，尚缺乏技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；作為新興行業(yè)，相應(yīng)的法規(guī)和制度尚未建立健全。

5 結(jié)論與展望

近年來，由于各交叉學(xué)科關(guān)鍵技術(shù)的持續(xù)發(fā)展與智能可穿戴設(shè)備的普及，柔性智能可穿戴技術(shù)具備了成熟的研發(fā)環(huán)境和廣泛的應(yīng)用前景。智能器件正在向柔性化、微型化快速發(fā)展，而纖維具有較好的柔性，因此，纖維基柔性智能器件的研發(fā)，成為柔性智能可穿戴技術(shù)的發(fā)展重點之一。同時，隨著人們運動保健意識的不斷提高，智能運動服裝因其能夠?qū)崟r監(jiān)測、反饋人體運動狀態(tài)和各項生理指標(biāo)、滿足運動者的科學(xué)運動訓(xùn)練需求，存在著巨大的市場潛力。

目前，很多研究機(jī)構(gòu)和公司正在基于多種纖維材料開發(fā)各類柔性智能器件，探索通過一體化紡織成型技術(shù)實現(xiàn)柔性智能器件與服裝的融合，從而提高包括智能運動服裝在內(nèi)的智能可穿戴產(chǎn)品的舒適性、便攜性與實用性，推動智能可穿戴技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

在基于纖維的柔性智能器件方面，需要進(jìn)一步加強(qiáng)材料和制備工藝的研發(fā)，推進(jìn)器件的柔性化、微型化，提高器件的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和耐久性。在應(yīng)用了纖維基柔性智能器件的智能運動服裝方面，需要關(guān)注柔性器件與服裝的協(xié)同開發(fā)，重視服裝設(shè)計，提升服裝結(jié)構(gòu)、款式設(shè)計與顏色搭配的美感。另外，對于搭載柔性器件的智能運動服裝的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，需要進(jìn)一步完善產(chǎn)品功能，制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)產(chǎn)品規(guī)?；档蜕a(chǎn)成本和銷售價格，促進(jìn)智能運動服裝產(chǎn)業(yè)快速健康發(fā)展。