电子智能纺织品的应用及发展趋势

吴艳平,董卫国

(天津工业大学，天津 300387)

电子智能纺织品的应用及发展趋势

吴艳平,董卫国

(天津工业大学，天津300387)

文章介绍了电子智能纺织品的概念及其具体组成元件，并对其在医疗、娱乐、体育、军事等方面的应用做了简单介绍,对其存在的问题进行了描述，最后评述了其未来的发展方向。

电子智能纺织品；传感器；应用

进入21世纪以来，随着世界范围内工业的飞速发展，传统纺织已经不能满足人们的需求，于是智能纺织品得到飞速发展。所谓智能纺织品，它是一类既有一般纺织品的特征同时通过特殊处理使其对外界变化能够感知并且做出反应的纺织品，因此它比一般的纺织品具有更多的功能[1]。根据目前已有的研究和报道，典型的智能纺织品主要可以分为下几大类：电子信息智能纺织品、相变材料和智能调温纺织品、变色纺织品、抗菌纺织品、形状记忆高分子及纺织品等。本文就电子信息智能纺织品做一简单介绍。

1 电子智能纺织品的概念及设计过程

1.1电子智能纺织品的概念

电子智能纺织品是智能纺织品中比较特殊的一类纺织品，它不只是电子组件及电子电路与纺织品结合，而是基于电子技术，将传感、通讯、人工智能等高科技手段应用于纺织技术上而开发出的新型纺织品，它是把电子组件及电子电路以纺织品形态呈现，导电性纱线可用来传输电流及讯号，而导电性织物可作为电容器、传感器、加热器等。它可以收集机密信息、监控重要的统计数据，并把这些信息通过无线远程传输手段作进一步处理[2]。

1.2电子智能纺织品的设计过程

电子智能纺织品具体组成及具体设计过程可以从图1进行说明[3]，我们把它分成5个部分，首先从最基础的部分说起。电子智能纺织品的设计涉及到了使用的材料、组织结构和制作工艺的探究。这一部分对其功能实现的好坏起到很关键的作用。因为这几部分是它实现的基础，选择不当会最终导致其功能无法实现。电子智能纺织品设计需考虑的第二个主要部分就是织物里各个结构体系间的相互联系。这涉及到数据传输通道的设计与整合和一般连接技术的应用，比如纺织品里的织物电路回路的布局。整合传感器、微芯片和其它设备对实现电子智能纺织品的智能化是非常重要的，这就是它的第三个主要部分：计算机硬件的整合，这一部分涉及到了数据的传输。信息处理的问题如由于制作不完善引起的故障容差以及在电子纺织品内部和电子纺织品与外部设备的运行环境对最佳利用电脑资源是相当关键的，因此，软件是它的第四个主要部分，这一部分的结果可用来指导穿着者或使用者下一步的动作。最后一个部分说明了评价电子智能纺织品的性能需要考虑到的因素，它具体包括最终成品的的外形尺寸、成本、工艺、数据流动率、故障容差等。这个图像同时说明了电子智能纺织品的成功研制需要研究许多学科包括纺织、计算机、通信系统、传感器技术和最终应用的领域(例如医学、军事等)。

2 电子智能纺织品的应用

随着人们对电子智能纺织品研究的深入，各种功能的产品已经被研发出来并且应用到生活中的各个领域，极大地提高了人们的生活质量。

图1 电子智能纺织品

2.1医用保健电子智能纺织品

Taccini.N等人研究出了一种用于心肺疾病监测的智能内衣，这种内衣包含三个压阻织物传感器，位置如图2所示，通过无线蓝牙技术把电信号传给相应监测的家人或医生，就可以得出病人的健康状况；美国太空总署艾姆斯研究中心研发出利用铜与氧化铜导线紧密交织织物，并且在这种面料的每个交织结合点上放置了纳米的铂金薄膜，从而形成抗阻存储电路。将纺织品与纳米电子技术结合从而形成电子纺织品，可以监测老年人或在恶劣环境中工作人员的生命信号，如呼吸、血压、脉搏、体温等数据，然后通过传感器技术将这些数据传送给医务工作者[4]；Coyle等人利用聚吡咯开发出了一种织物弯曲传感器的手套(图3)，通过利用手指弯曲到手指伸直这一过程显示器图像的变化，我们可以用来评估人们身体各关节的运动，并且可以利用这种技术评估中风后身体肌肉的恢复情况，通过这种监测关节的弯曲的方式有望用于自动评定病人身体恢复情况。瑞士一家公司研制的防止老年人摔倒的防撞服装及美国南加利福尼亚州VivoMet rics 健康信息与监测公司研制的几乎可以监测30多种生理变化的救生衬衫以及预防婴儿猝死综合症生命衣的开发以及其它一些医用保健电子智能纺织品的开发，极大地提高了人们对疾病的监测[5-6]。

2.2娱乐用电子智能纺织品

Sunwoo,J等人利用FSB技术成功研究出了一种智能连帽外套(图4)，这种外套通过导电纱线把帽子和外套连接，内部由导电纱线缝上两个芯片，它们分别是光/温度传感器和MP3播放器软件，当穿着者穿上连帽外套时，MP3播放器就会播放音乐，当脱下时，音乐就会停止，并且音乐音量会随着周围环境的亮度变化而变化。当穿着者在比较暗的环境中时，音乐音量会自动减小，当穿着者从黑暗环境中走出来时，音乐音量又会恢复正常；香港理工大学利用聚吡咯涂层织物传感器开发出了一种跳舞衣，可以监测人肘部和膝部的传感器放在跳舞衣的肘部和膝部，当跳舞者动作变化时，传出的变化信号就会使相应连接电脑的音响传出相应的音乐。

图2 智能内衣

图3 智能手套

图4 连帽外套

图5 呼吸传感器衬衣

2.3体育用电子智能纺织品

随着竞技比赛的增多以及人们对自身的重视，对体育用电子智能纺织品的研究也逐渐增多。Shirley Coyle等人研究出了一种测试人运动时呼吸速率的传感器(图5)，它是把导电的聚吡咯涂在改性的海绵上，或用碳处理后制成传感器通过导电纱线与处理器连接，并通过无线传输系统传到电脑上，进行分析判断。这种传感器可以很好地反馈运动员的的训练耐力及训练效果，建议继续用同种方式训练还是改变训练方式以及是否适合继续训练。通过利用这种传感器改善呼吸方式对身体健康特别是压力过大者都是很有帮助的。澳大利亚一个大学的研究人员利用可导电的聚合物传感器研究出了一种智能胸衣，这种智能胸衣可以监测人胸部的运动，根据胸部运动情况来自行调节背带的松紧以及罩杯的软硬情况，从而把胸衣调节到运动时的最舒适状态，这对喜爱运动的女性尤其是女性运动员都是相当有利的[7]。拉普兰大学与一些机构合作, 开发了一种包括罗盘、加速度计和全球定位系统( GPS)等传感器的滑雪运动服装。 它可提供穿着者的运动情况、健康信息及位置。如果穿着者不幸出现意外状况, 它们会即时向监测穿着者情况的办公室发送其所在位置坐标和生理数据的信息，以便及时救援[8]。

2.4军事用电子智能纺织品

电子智能纺织品应用最广泛的领域除了医疗领域就是军事领域。美国佐治亚州理工学院将塑料光纤植入衬衣,制成了一种智能衬衫,它可以协助医务工作者监测士兵的各项生理指标以便了解他们的身体情况,在战争中，如果穿着者被子弹击中以致T恤出现破洞，T 恤中的光信号便不能传至另一端,于是监测士兵状况的医务人员就会监测到已经受伤的士兵，并会通过了解周围情况及时安排救援[6];弗吉尼亚理工大学的研究人员设计出了一种声阵织物带，它可被装配在降落伞、帐篷或伪装网上并通过内置的麦克风接收处理数据，并可将结果传输到外界或相应系统，这种织物带用于对军用车辆及坦克移动的侦查[9]。嵌有生化、超微感应器的智能化作战服具有很多特殊功能，士兵的多项身体机能如血压、心率、体温等都可以通过它监测到，并可辨别止血位置然后自行止血，同时还能抵御火焰、化学试剂及其它战场灾难的侵害[10]。

2.5其它方面的应用

Jan Meyer等人在美国麻省理工学院的研究人员开发的织物键盘的基础上研究了一种监测人们坐姿的传感器，把这种传感器分别安装在椅子的座位处和后部背椅处，当人们坐姿变化时，人对椅子各部位的压力也随之变化，于是这种传感器根据压力的变化监测出人的坐姿，利用这种传感器，我们可以纠正人们的坐姿，预防痔疮，非常有利于人体健康，把这种传感器应用到汽车上，还可以监测司机的坐姿，通过坐姿推测司机的开车方式，这对车祸分析也是很有帮助的[11]。把一些特殊的光导纤维织入织物中制成探测有毒物质的织物，当感应装置探测到生物化学药剂、有毒物质时会发出报警信号提醒工作者，这对会接触到有毒物质的人员或消防员的自身保护都很有作用[12]。同时当把导电纤维织入消防服中，当消防人员执行消防任务时，如果面临火焰危险自己却未能注意时，这种能够传输信号的纤维就能通过传感器系统提醒消防人员躲避危险[13]。

3 存在的问题

相比于最初的电子纺织品，目前研究的电子智能纺织品具有更多的优势。它摒除了以前笨重的特点，正在向轻薄、柔软、可机洗方向发展，同时它没有了电线的牵制，并且传感器可以隐藏在纺织面料中进行远距离监测，但在它的实际应用过程中，仍然存在一些问题，需要进一步研究改进[11-14]。

3.1灵敏性

作为能有效传输信号的纺织品，对于身体的变化都要能感知出来，由于有些变化很细微，需要有足够高的精度才能感应出来，这就需要电子智能纺织品有足够的灵敏性，但目前的电子智能纺织品灵敏度都不是很高。

3.2信号的延迟

从目前的研究来看，许多传感器都存在信号延迟的问题，即传感器从开始变化到信号传入电脑软件显示结果的过程中都需要一定的反应时间，这段时间因所应用的技术不同而不同，这也许与传感器的灵敏程度及信号的接收有关，现在许多研究者正致力于减小这种信号延迟的研究，以便使信号延迟的时间减到最小，因为信号的延迟可能会危及到人的生命。

3.3安全性

目前研究的电子智能纺织品里都会存在电子元件，如果电子元件长期穿在人身上，它势必会对人体的健康产生不良影响，同时信号的传递已经使用无线技术，传递过程中出现的电磁波也会对人体健康有一定影响，如何使这些影响减小到最小，也成为我们噬待解决的难题。

4 展望

随着人们对纳米技术、无线传输技术以及微电子技术研究的加大，使电子智能纺织品的开发有了更广阔的空间。同时利用这种多学科交叉开发的高附加值的的纺织品也促进了纺织业的发展。未来电子智能纺织将会逐渐脱离融合技术或是安置技术, 而是会在两种产品的原材料制造或服装布料的织造过程中就已经有机地结合在一起[15]。但目前的研究仍然处于探索阶段，随着科技的进步和人们对电子智能纺织品研究的深入，这种智能化的电子智能纺织品一定会成为社会的主流，发展势头将势不可挡。

[1] Paula Gould. Textiles gain intelligence[J].Materials Today,2003,6(10):38—43.

[2] Marculescu, D. Electronic textiles: A platform for pervasive computing[J].Proceedings of the IEEE,2003,91(12):1991—2018 .

[3] Mehmet Engin, Alparslan Demirel,etc.Recent developments and trends in biomedical sensors[J].Measurement,2005,37(2):173—188.

[4] 翼德.美国研发出“电子纺织品”[J].纺织装饰科技,2011,(4):25.

[5] 刘小波,安树林.奇妙的电子智能纺织品[J].天津纺织科技,2007,(4):45—48.

[6] 杜密宇,万振江.智能材料在纺织中的应用[J].北京纺织,2003,(12):60—61.

[7] 李小兰.智能纤维与智能纺织品概述[J].棉纺织技术,2009,(6):62—64.

[8] A.Malinauskas.Chemical deposition of conducting polymers[J].Polymer,2001,42(9):3957—3972 .

[9] 黄雅婷.电子纺织品的创新和多样化应用[J].印染,2011,(4):52—54.

[10] 窦明池.智能纺织品的研究进展[J].河北纺织,2006,(3):11—18.

[11] Jan Meyer,Bert Arnrich, etc. Design and modeling of a textile pressure sensor for sitting posture classification[J].Sensors Journal,2010,10(8):1391—1398.

[12] 王运利,刘夺奎,张莹.智能纺织品及其在不同领域中的应用[J].染整技术,2008,(1):10—14.

[13] 丁长坤,程博闻等.导电纤维的发展现状及应用前景[J].纺织科学研究,2006,(3):32—39.

[14] 黄雅婷.新型电子智能纺织品[J].印染 ,2011,(11):50—52.

[15] 张云逸.智能纤维的生产及其发展前景[J].山东纺织科技，2010，51(2)：44—46.

ApplicationandDevelopmentTendencyofSmartTextileswithElectronicInformation

WuYanping,DongWeiguo

(Tianjin Polytechnic University，Tianjin 300387,China)

The concept of smart textiles with electronic information and the components were introduced.as well as the application at healthcare, entertainment, sport,military and other aspects.The problems and future development were described at last.

smart textiles with electronic information; sensor； application

TS10

A

1009-3028(2012)03-0038-04

2012-04-21

吴艳平(1985—)，女，河北廊坊人，硕士研究生。