智能化醫(yī)用防護服創(chuàng)新設(shè)計研究

尹 伊，曹佳想，賈紀玉

（山東工藝美術(shù)學院 服裝學院，山東 濟南 250300）

1 引言

新冠肺炎疫情自2019年末出現(xiàn)以來，因其具備較高的傳染性和較快的傳播速度，成為全世界關(guān)注的問題。雖然目前國內(nèi)疫情逐漸被控制，但仍具備疫情常態(tài)化的可能，因此除了日常采取有效防護措施外，快速發(fā)展與疫情相關(guān)的科學技術(shù)和防護設(shè)施也是至關(guān)重要的。抗擊新冠肺炎疫情期間，醫(yī)護工作者始終奮戰(zhàn)在最前線，而醫(yī)用防護服則是他們與病毒之間唯一的保障。因此本文借助現(xiàn)代智能化技術(shù),研究智能化醫(yī)用防護服的開發(fā)與應用，展示智能化醫(yī)用防護服的功能及其研發(fā)趨勢。

2 醫(yī)用防護服研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢

2.1 醫(yī)用防護服理論研究現(xiàn)狀

21世紀以來，世界各地不同程度的爆發(fā)各類傳染性疾病，醫(yī)用紡織品越發(fā)引起人們的關(guān)注。醫(yī)用防護服作為醫(yī)護工作者的安全保障，近年來需求量顯著提高。我國醫(yī)用防護服因使用的原材料種類不同，具備的性能也不同[1]。目前醫(yī)用防護服主要使用的材料是透氣膜非織造布，生產(chǎn)制造則嚴格按照中國國家標準GB 19082-2009《醫(yī)用一次性防護服技術(shù)要求》，該標準內(nèi)的各項檢測項目主要針對醫(yī)用防護服各部位的過濾效率、抗斷裂強力、抗合成血液穿透力等關(guān)鍵性能，以此標準進行生產(chǎn)的醫(yī)用防護服在一定時效內(nèi)可以滿足醫(yī)護工作者的基本使用需求，為其提供安全保障，但在抗擊新冠肺炎疫情期間，此類型醫(yī)用防護服的弊端越發(fā)明顯，暴露出一定的問題。

2.2 醫(yī)用防護服現(xiàn)存問題

通過新冠肺炎疫情期間的新聞報道和作者對一線醫(yī)護工作者的線上問卷調(diào)研，了解到醫(yī)用防護服在實際使用過程中存在的問題，主要體現(xiàn)在舒適性差，安全性和便利性不足三個方面。

2.2.1舒適性差

目前市面上使用的醫(yī)用防護服主體材料是覆膜的聚丙烯紡粘非織造布，材料本身吸水性和透氣性不佳，醫(yī)護人員抗擊新冠肺炎疫情期間工作量、出汗量大，還需佩戴口罩和護目鏡，導致穿著者的濕熱性和透氣性體驗較差。國家衛(wèi)生健康委員會建議每4h更換一次醫(yī)用防護服才可保證穿著時濕熱性能正常，但新冠肺炎疫情期間醫(yī)護工作者的工作時長普遍超出4h。此外，為適應多數(shù)人的身體形態(tài)大部分醫(yī)用防護服通常設(shè)計的寬松肥大，導致部分醫(yī)護人員在工作中常遇到防護服不合身等問題，增加穿著者的不適感。圖1為作者對北京某醫(yī)院問卷調(diào)研情況分析，問題為醫(yī)用防護服穿著不適的具體原因。

圖1 醫(yī)用防護服穿著不適的具體原因

2.2.2安全性不足

醫(yī)用防護服雖采用壓膠粘合工藝進行封邊，但其配套的手套、腳套之間仍存有縫隙，并有醫(yī)護工作者反映手套腳套易滑脫的問題。市面上普遍使用的醫(yī)用防護服前門襟拉鏈外側(cè)僅有一層雙面膠用來密閉，安全性得不到絕對保障，且醫(yī)護人員工作環(huán)境特殊，容易對防護服造成一定損害。調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)，醫(yī)護人員對醫(yī)用防護服整體設(shè)計中最不滿意的部分為醫(yī)用防護服安全性（見圖2）。

圖2 防護服整體設(shè)計滿意程度調(diào)研

2.2.3便利性不足

按照正確的順序完成一次醫(yī)用防護服穿戴要經(jīng)歷繁瑣的步驟，不利于應急情況的處理（見圖3）。為了保證穿著期間安全性，醫(yī)用防護服僅能穿戴一次，這導致醫(yī)護工作者如廁困難等問題。另外，醫(yī)用防護服對穿著者全身遮蔽，沒有身份識別的標識，無法快速準確的識別他人，在抗擊新冠肺炎疫情期間造成醫(yī)護人員交流不便，降低了工作效率。

圖3 醫(yī)用防護服穿脫不便部位分析

2.3 醫(yī)用防護服發(fā)展趨勢

受疫情影響，醫(yī)用防護服等醫(yī)療紡織用品的需求量顯著提升，市面上廣泛使用的醫(yī)用防護服暴露著明顯的問題，其作為功能性服裝，不僅要具備優(yōu)異的防護性能，自身的功能性和舒適性也會影響到醫(yī)護人員的工作效率。服裝作為人體的“第二層皮膚”，能夠?qū)Ψb內(nèi)外部環(huán)境和狀態(tài)做出感應變化，并將變化實時反饋[2]。因此，智能化可穿戴設(shè)備與醫(yī)用紡織品的結(jié)合是未來發(fā)展的主流趨勢之一。

3 智能化醫(yī)用防護服功能研究

隨著我國科學技術(shù)不斷進步，可穿戴智能化服裝逐漸向健康監(jiān)控、醫(yī)療、保健等領(lǐng)域發(fā)展。智能化醫(yī)用防護服從解決現(xiàn)有防護服的問題出發(fā)，具備內(nèi)外氣體循環(huán)功能、信息監(jiān)控功能、健康體征監(jiān)測功能、防護服破損警報功能、心理慰藉功能。

3.1 內(nèi)外氣體循環(huán)功能

目前醫(yī)用防護服普遍存在濕熱舒適性較差的問題。市面上廣泛應用的醫(yī)用防護服通常是由紡粘覆膜法、紡粘－熔噴－紡粘復合制備而成，雖具有良好的防護性能，但在排出濕熱氣體方面略顯不足。為解決這一問題，現(xiàn)已研發(fā)具備單項導濕性能的面料，如納米防護膜材料等可以改善醫(yī)用防護服濕熱性能的材料，但僅從材料入手，無法確定穿著后的實際效果。2020年6月，河南駝人集團研制出一款醫(yī)用正壓防護服，其防護服外配備可重復使用能夠過濾病毒的送風機，有效保證醫(yī)用防護服內(nèi)安全穩(wěn)定的送風，但此類防護服具有一定的局限性：（1）正壓防護服使用的材料較厚，正壓充氣后活動不便；（2）送風機由一塊12V的鋰電供電，維持時間短；（3）過濾系統(tǒng)一旦被打濕就失去凈化功能。因此，未來智能化醫(yī)用防護服的研發(fā)可將現(xiàn)有正壓送風裝置升級為具備防水、防液體噴濺性能的氣體循環(huán)裝置，固定每30分鐘完成一次氣體循環(huán)，或由醫(yī)護人員操縱防護服氣體進出，既減少電量損耗，又能排出體內(nèi)濕熱氣體，使醫(yī)用防護服不必一直增壓充氣，更便于醫(yī)護人員的操作和活動。

3.2 信息監(jiān)控功能

自20世紀90年代美國麻省理工學院研發(fā)出可穿戴多媒體計算系統(tǒng)后，可穿戴技術(shù)和智能服裝的研究受到廣泛關(guān)注。隨著科技不斷地完善和進步，服裝不僅只有保暖和蔽體的功能，也是成為智能穿戴技術(shù)的載體，具備一定的信息收集、信息監(jiān)控、資料反饋功能。

3.2.1健康體征監(jiān)測功能

抗擊疫情期間，高強度高密度的醫(yī)療工作使醫(yī)護人員的身心健康難以得到保障，甚至出現(xiàn)過度疲勞而犧牲在崗位的醫(yī)療工作者。所以，除了對患者進行健康監(jiān)控外，醫(yī)護人員同樣也需要健康體征的監(jiān)測。醫(yī)用防護服作為疫情期間醫(yī)護人員每天必不可少的穿戴裝備，具有有效監(jiān)測人體各方面生理數(shù)據(jù)的天然優(yōu)勢。2016年，Hexoskin公司發(fā)售了一款由多種感受器集成的智能運動T恤，這款T恤每分鐘能收集42000個身體數(shù)據(jù)，可以測量心率變化、步數(shù)、卡路里消耗等，還能追蹤心跳和呼吸活動，以及睡眠和環(huán)境[3]。因此，未來智能化醫(yī)用防護服可以將柔性傳感器安置在防護服內(nèi)貼近醫(yī)護人員心臟、肝臟、腎臟等位置，對其日常工作時的心率、體溫、血壓、血糖等數(shù)據(jù)實施有效監(jiān)測，在身體出現(xiàn)異常情況時觸發(fā)醫(yī)用防護服警報系統(tǒng)，得到及時的幫助和治療。并且智能化醫(yī)用防護服還可通過傳感器把每日收集的身體各部位信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒治鱿到y(tǒng)中，醫(yī)護人員可通過分析系統(tǒng)給出的健康體征數(shù)據(jù)，及時得知自身健康狀況，提前預防身心疾病。

3.2.2防護服破損警報功能

經(jīng)調(diào)查，半數(shù)以上的醫(yī)護人員存在擔心醫(yī)用防護服破損的問題。常規(guī)防護服款式肥大，醫(yī)護人員工作環(huán)境特殊，稍有不慎容易造成防護服破損。如不能及時發(fā)現(xiàn)破損部位，醫(yī)用防護服便起不到相應的防護作用。未來智能化醫(yī)用防護服首先應具備耐磨損的特性，可以避免一定程度的剮蹭，再將柔性紡織結(jié)構(gòu)、嵌入式電感傳感器等系統(tǒng)集成技術(shù)通過“編織”的方式與纖維混紡在一起，應用在智能化醫(yī)用防護服上。當感知到智能化醫(yī)用防護服某部位出現(xiàn)破損，就立即啟動防護服破損警報功能提醒穿著者更換防護服，以免造成感染。

3.3 身心慰藉功能

在21世紀體驗經(jīng)濟大環(huán)境下，智能化服裝所擁有的不同功能性可以給穿著者帶來心理、生理上的慰藉和認同，從而調(diào)整穿著者的心理和生理狀態(tài)?？箵粢咔槠陂g，不少醫(yī)護人員在醫(yī)用防護服背面涂鴉，或者寫下疫情結(jié)束后的心愿，用來發(fā)泄自己過度的身心壓力。因此，智能化醫(yī)用防護服增加身心慰藉功能，可以對醫(yī)護人員的身心健康甚至工作效率起到重要作用。

例如，蒙特利爾大學和倫敦大學研究人員設(shè)計開發(fā)的Wearable Absence Project智能情緒感知風衣。其內(nèi)部裝配有可監(jiān)測身體信號，判斷情緒變化的柔性傳感器、身體信號分析器和擴音器，可將穿著者的生理數(shù)據(jù)通過衣物中的傳感器傳輸?shù)椒治鱿到y(tǒng)中，再根據(jù)不同穿著者的心理狀態(tài)回傳適合其心情的音頻或音樂。疫情期間，醫(yī)護人員和以往相比工作時間更長，工作量更大，導致身心壓力劇增，因此，未來智能化醫(yī)用防護服在感知到穿著者出現(xiàn)巨大的心理波動時，應及時給予相應的安慰。例如在智能化醫(yī)用防護服內(nèi)安裝柔性傳感器、語音播放器等數(shù)字化科技產(chǎn)品，通過傳感器感知醫(yī)護人員心理波動幅度，如心理波動幅度較大，可通過播放器播放舒緩音樂，醫(yī)護人員也能錄制家人的語音或鼓勵話語進行播放，及時控制情緒變動。

4 智能化醫(yī)用防護服結(jié)構(gòu)研究

智能化醫(yī)用防護服和傳統(tǒng)紡織服裝一樣，應注重款式結(jié)構(gòu)設(shè)計。在抗擊疫情期間，醫(yī)用防護服的結(jié)構(gòu)可分為連體式和分體式兩種，通常情況下醫(yī)療部門為保障醫(yī)護人員的安全而普遍選擇連體式結(jié)構(gòu)，但這類防護服在實際使用過程中暴露出一些問題。因此，未來智能化醫(yī)用防護服應在解決現(xiàn)有防護服結(jié)構(gòu)不足的基礎(chǔ)上，與服裝人體工程學相結(jié)合，使之適用于不同性別、年齡、體型的穿著者。

4.1 人體工學在智能醫(yī)用防護服結(jié)構(gòu)應用

未來智能化醫(yī)用防護服研發(fā)僅圍繞安全性是不夠的，還應該注重不同性別、體型醫(yī)護人員的著裝感受。因此，智能化醫(yī)用防護服在服裝結(jié)構(gòu)方面可以與人體工程學相結(jié)合。目前為止，市面普遍使用的醫(yī)用防護服為男女同號，可供選擇的尺碼較少，為了適合多數(shù)人的體型，防護服往往設(shè)計的較為肥大，厲謙等人發(fā)表的《一次性連體醫(yī)用防護服的舒適性分析》文章中提到：身高151～155cm和186cm以上體型偏瘦的醫(yī)護工作者因衣下間隙明顯過大而造成不適體，GB19082-2009《醫(yī)用一次性防護服技術(shù)要求》已不能滿足所有醫(yī)護工作者的身高和體型[4]。

因此，為了保證智能化醫(yī)用防護服各部位科技元件能夠發(fā)揮準確穩(wěn)定的作用，可以通過與人體工程學相互結(jié)合來解決防護服不合體、科技元件尺寸不匹配的問題。例如2020年6月李晶瑩，時皎皎發(fā)明公開的《一種便于穿戴的智能醫(yī)用防護服》[5]，該防護服上衣、下褲、腰部均設(shè)置有長度調(diào)節(jié)機構(gòu)，衣物本體設(shè)置有開合機構(gòu)，醫(yī)護工作者可根據(jù)自身四肢長度調(diào)節(jié)衣袖、褲腿和腰圍的長度，提高醫(yī)用防護服的合體性。

4.2 智能制衣技術(shù)在醫(yī)用防護服結(jié)構(gòu)應用

現(xiàn)如今服裝大規(guī)模定制市場逐步發(fā)展，智能制衣技術(shù)成為關(guān)鍵的一點。當未來科技發(fā)展完備，智能化醫(yī)用防護服便可以通過信息大數(shù)據(jù)、大規(guī)模定制模型設(shè)計軟件、大規(guī)模定制排料軟件、服裝量體歸號軟件、2D&3D試穿軟件等智能制衣技術(shù)，測量出不同人體部位最適活動結(jié)構(gòu)和空間，充分應用服裝人體工程學，生產(chǎn)出可以將智能化科技元件與醫(yī)用防護服各部位緊密結(jié)合，并適用于不同性別、年齡、體型穿著者活動結(jié)構(gòu)的智能化醫(yī)用防護服。

5 智能化醫(yī)用防護服材料研究

在科技水平不斷提升的當下，智能化服裝因同時具備傳統(tǒng)服裝材料特性和智能化功能性，使用范圍廣泛，通過智能服裝材料可以充分優(yōu)化服裝材料特性，提高服裝功能性。

5.1 智能化抗菌材料分析

醫(yī)用防護服最主要的作用是隔離傳染性病毒，保障醫(yī)護人員不被感染。因而，未來智能化醫(yī)用防護服可以從抗菌材料入手，通過添加不同材質(zhì)的抗菌劑，改變現(xiàn)有防護服只具備單一阻隔的能力，使之具備主動殺菌或抑制微生物生長的功能。例如，光催化型納米抗菌材料的自消毒能力，郭亞在《抗菌材料的應用與發(fā)展》中介紹，在光催化劑的作用下，納米TiO2等N型半導體無機材料可以激活水和空氣中的氧，形成有強氧化能力的羥基自由基和活性氧離子，能在短時間內(nèi)抑制細菌生長，達到抗菌的目的[6]。另外，北京賽特瑞科技發(fā)展公司研發(fā)出一種納米層狀銀系無機抗菌復合功能母粒，與該母粒共混紡絲的纖維具備耐洗滌、耐光照、耐高溫，可染性和可紡性好，抗菌持久的特點。因此，未來智能化醫(yī)用防護服可以與抗菌性能穩(wěn)定、抗菌時間長、抗菌效果好的抗菌劑相結(jié)合，通過使用功能性助劑提升醫(yī)用紡織品的附加值，起到有效提高醫(yī)用防護服安全性并主動抑制細菌生長的作用，為醫(yī)用防護服的透氣透濕性提供有利發(fā)展條件。

5.2 透氣透濕材料分析

醫(yī)用防護服的透氣透濕性能低是其舒適性最大的制約條件，復合非織造布在透濕性和透氣性上表現(xiàn)不佳，未來智能化醫(yī)用防護服在服裝材料上應進行相應的改進，使之通過智能材料維持防護服內(nèi)濕熱溫度或及時排出多余水汽。例如，美國馬里蘭大學開發(fā)的覆蓋導電碳納米管的特制紗線制成的可自動調(diào)節(jié)冷暖的面料，這種面料包含吸水和疏水兩種復合材料，當身體出汗時，面料可使更多熱輻射通過，當寒冷和干燥時，面料可減少熱量逃逸。除了智能化材料的應用外，韓玲等人在《改善醫(yī)用一次性防護服熱濕舒適性的研究進展》一文中也提到了單項導濕、異形截面纖維、納米防護膜材料、相變微膠囊?guī)追N可以改善醫(yī)用防護服熱濕舒適性的相關(guān)技術(shù)[7]。雖然當下智能化醫(yī)用防護服材料在透氣透濕性上的研究已經(jīng)層見迭出，但如何做到既保證安全性又兼顧透氣透濕性，高性價比和高利用率還值得進一步研究。

5.3 可持續(xù)發(fā)展材料分析

抗擊疫情期間，我國大量使用用即棄型醫(yī)用防護服造成材料消耗大、資源利用率低、浪費嚴重和后續(xù)處理復雜等問題。所以，使用可循環(huán)利用材料等環(huán)保材料制成的醫(yī)用防護服或可以重復使用的醫(yī)用防護服成為未來智能化防護服研發(fā)的關(guān)鍵。例如，2020年4月，北京邦維公司生產(chǎn)出可重復使用的醫(yī)用防護服，約可承受10次醫(yī)療洗滌消毒，并改變傳統(tǒng)醫(yī)用防護服的外貼條結(jié)構(gòu)，采用內(nèi)壓條、氣密拉鏈、雙袖口及雙褲口設(shè)計，提高了整體的防護嚴密性[8]。此外，曾君堂等人發(fā)明了一種可重復洗滌的醫(yī)用防護服材料的制備方法，該方法通過非織造布浸入的聚酯多元醇與聚氨酯預聚體反應微發(fā)泡，與聚四氟乙烯乳液共同形成具有微孔的兼具柔性和彈性的保護層，可以滿足醫(yī)用防護服重復多次使用的要求，也保證了其良好的透氣性和防水性。目前，因醫(yī)用防護服非織造布的主要纖維材料是聚丙烯、聚乙烯等不易降解物質(zhì)，所以沒有研發(fā)具有可降解能力的非織造布，但已經(jīng)有公司生產(chǎn)出可降解的滌綸面料，其通過在紡絲過程中加入生物可降解添加劑，形成新型的紡絲原液，以制成親水性的聚酯纖維。未來智能化醫(yī)用防護服材料也可以通過與生物可降解添加劑進行復合，研發(fā)出具有可降解能力的非織造布，遵循可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。

6 結(jié)論

通過對前線醫(yī)護工作者的問卷調(diào)查和分析，總結(jié)現(xiàn)有醫(yī)用防護服暴露的問題，主要包括因濕熱透氣性差導致的舒適性不佳，防護服易磨損、連身結(jié)構(gòu)不易穿脫導致的安全性和便利性不足幾方面。

通過研究提出了解決以上問題的方法，具體如下：

智能化可穿戴設(shè)備與醫(yī)用紡織品的結(jié)合是未來發(fā)展的主流趨勢之一，通過電子信息技術(shù)與醫(yī)用防護服的結(jié)合，可以有效解決現(xiàn)有醫(yī)用防護服存留的問題，并具備內(nèi)外氣體循環(huán)功能、信息監(jiān)控功能、心理慰藉功能等更加專注于穿著者身心感受的服用功能。

醫(yī)用紡織品與人體工學、智能制衣技術(shù)的結(jié)合，為可穿戴設(shè)備在醫(yī)用防護服上的應用提供有利條件，也為防護服大規(guī)模定制提供可能。

智能化服裝同時具備傳統(tǒng)服裝材料特性和智能化功能，因此適用范圍廣，在醫(yī)用防護服材料方面，應更加注重不同功能性材料的開發(fā)與應用。例如抗菌材料使防護服具備主動殺菌或抑制微生物生長的功能，透氣透濕材料保持穿著者體表恒溫恒濕，可降解可持續(xù)發(fā)展材料則可以減輕由于防護服帶來的環(huán)境問題。