智能纺织品的内涵、设计及其应用前景分析

王 军,陈晓玫,穆 芸,李晓久,潘 力

(1.大连工业大学 服装学院,辽宁 大连 116034;2.天津工业大学 艺术与服装学院,天津 300387)

服装作为与人类生存、生活密切相关的产品,其功能早已突破了原有的保暖和美化的范畴,正在向功能化和智能化方向发展。智能服装由来已久,最初主要应用于航空和军事等尖端领域。科技的发展对服装行业的影响越来越明显,具有高附加值的高科技智能服装逐渐商业化并成为服装工业的未来。目前,发达国家服装业的研究开发重点已经从传统的成衣转向具有高附加价值的高科技服装,智能服装被认为是服装工业的未来。

一、智能纺织品的概念与内涵

国内外的相关研究文献中对智能纺织材料及智能服装的概念并没有统一的界定,对其概念与内涵的理解常见的有以下几种认识。

(1)师昌绪院士主编的《材料大辞典》中对于智能材料(smart materials)的定义是:模仿生命系统同时具有感知和驱动双重功能的材料。感知、反馈和响应是智能材料的三大要素[1]。智能材料的一个显著特点是将高技术传感器、执行元件与传统材料相结合,使无生命的材料具有生物的属性。

(2)香港理工大学陶肖明教授提出了“交互式智能纺织品”的概念[2],所谓交互式智能纺织品是指用人工的或预定的方式感知外界以电和光为主的刺激或环境条件并做出反应的纺织品。交互式智能纺织品具有重量轻、无线传输、可穿戴等特性,打破了人们对传统电子和光学设备的认知。

(3)东华大学于伟东、严灏景教授用“自适应纺织品”的概念来表示智能纺织品,将智能或自适应纺织品分为形态自适应、性质自适应和功能自适应的三大类[3]。自适应纺织品或智能纺织品是指能根据外部环境条件不断自动调整自身内部结构,以一种优化的方式对环境变化做出响应的纺织品。

智能服装是传统服装产品与智能生命系统的结合,需要电子技术、信息通讯技术、材料科学、纺织与服装技术等多门学科的前沿技术;智能服装不仅能感知外部环境或内部状态的变化,而且可以通过反馈机制实时地对这种变化做出反应,感知、反馈和响应是智能性服装的基本要素。

二、智能纺织品研究方向

较早的智能服装是在“功能服装”的基础之上发展而来的,可以说多功能服装是智能服装的前身,智能服装主要是基于军事战略、智能生活、生命健康等方面的需求而出现的。材料的发展推动了智能纺织品的开发,多技术的融合使纺织品智能化程度不断升级,智能纺织品越来越受到科研人员、生产者和消费者的重视。在美国、日本、中国、英国、德国、荷兰等国家的高校、研究院所、纺织服装企业均开展了各种关于智能纺织品的研究工作。

在现有的研究中,服装实现智能化的方式主要有两类,其中一种方式是运用智能服装材料,如电致变色材料、形状记忆高分子材料、蓄热调温材料、隔热材料等;另外一种途径是引入信息技术、微电子技术,包括应用柔性传感器、无线通讯技术和电子电源等,可以通过嵌入式的方法植入纺织品中,如材料混纺、改性加工与后整理等[4,5]。

施楣梧教授认为有三类智能纺织品具有良好的应用前景,并且具有研发方面的优势,应成为近期研发的主要对象[1]。第一类是功能侧重于热学性能的智能纺织品;第二类是功能侧重于光学性能和电学性能的智能功能纺织品;第三类是基于电子器件的微型化、柔性化以及合理的服装结构设计,研发具有定位、轨迹记录、助动、问答、生理状态监测显示及无线发送等功能的智能纺织品。

三、电子智能服装

电子智能服装是在传统的服装中引入信息技术和微电子技术,包括应用导电材料、柔性传感器、智能材料、无线通讯技术和电源等,也被称为可穿着智能服装。电子智能服装和普通服装一样应该是可穿戴的,同时具备信息采集、检测、传输、管理、监控操作以及无线通讯等功能。由电子元件相互连接构成的信息采集系统是电子智能服装的核心部分,通常外观不可见,且不易缠结和勾破,先进的纺织技术可将传感器、简易计算器等电子元件嵌入纱线或植入纺织品中,以收集信息、监控统计数据,并通过无线手段远程传输信息并作进一步处理[6-9]。

电子智能服装的应用领域广阔,具有定位、人体生理状态监测及无线发送功能的电子智能纺织品,在医疗、保健及针对老人、幼儿的特殊护理等方面得到了较好的推广应用[10-14]。如心率测试服装,构建了一种可穿着的日常心率测试监控系统,能够采集心跳信号,进行日常的心率测试、储存、报警、实时监控,可为病人、老人等老弱人群带来便利。基于人体生理状态监测的电子智能服装在发达国家已经有较为成熟的应用,国内的相关研究工作尚处于实验与验证研究阶段,随着我国人口老龄化的到来及人们对高品质生活的追求,此类电子智能服装的应用前景广阔。

交互式智能服装也属于电子智能服装的范畴,是一个相对较新的研究领域,主要应用在运动、电疗、康复及健身等方面,香港理工大学陶肖明教授研究组近年来设计和制造了多种智能纤维和纺织品结构[15-17],对交互式智能纺织品理论及它们的材料体系和制造条件进行了较为系统地研究。现阶段交互式智能服装的研究主要集中在导电织物传感器的灵敏度、机械性能、反应速度、测量范围等方面,通过对织物传感器的优化研究进而完善交互式智能服装产品的性能。

四、智能服装设计

智能服装的设计与普通的服装设计不同,它的设计和研究通常涉及电子和软件工程、人体工学、服装与纺织科学、材料科学以及服装设计等多学科的交叉融合。浙江理工大学邹奉元教授认为智能服装的设计依据是服装需要有哪些功能以及最终用户潜在的需要[4],概括起来在设计时需要考虑的因素主要有智能服装的执行性能、可靠性和耐久性、可维护性、可穿着性、可用性及美学等方面。

国外研究者在智能服装的设计中对电子智能服装的舒适性能尤其关注,包括服装的热湿舒适性、电子元件与人体皮肤接触的感觉舒适性及服用安全性等方面,电子智能服装的发展趋势对电子器件的柔性化和微型化提出了更高的要求。Li Li等开发的基于针织嵌花及印花技术的电子智能保健T恤衫[12],如图1,将电子元件与针织服装的织物组织结构和印花设计有机结合,设计出的服装具有柔软、富有弹性、美观及功能稳定等特点。图2为Inese Parkova等设计开发的电子智能加热服装和电子通信服装,在电子传感加热元件、柔性传感器的选择及与服装的结合方面均充分考虑了穿着的舒适性、安全性、功能性和美观性[13]。

图1 Li Li等研发的电子智能保健针织T恤

图2 Inese Parkova等研发的电子智能加热服装、电子通信服装

图3 “Ping”智能社交服装

信息科学技术的快速发展,给人们的生活方式带来了重大转变,精神文化的发达使人们更加追求时尚、个性、新潮,科学技术与艺术设计的深度融合已经成为智能化产品设计的主流。技术设计与外观设计是智能服装设计的两大核心,如何将两者有机结合是研究者和设计师共同关注的问题。发达国家在智能化服装产品设计方面的理念较为先进,对可穿戴智能服装的电子元件、服用面料及外观设计等多方面的研究较为深入[13,18]。图3是由美国Electricfoxy公司可穿戴智能服装设计师Jennifer Darmour 设计的“Ping”智能社交服装[19],运用高科技服装面料与电子器件,服装与Facebook相连接,电子应用程度允许用户自定义信息与社交网站交流互动,产品设计兼顾了功能与美学。

五、结论

(1)智能服装的概念内涵主要是指智能性材料与传统纺织服装材料的结合,无论是“交互式”智能纺织品,还是“自适应”纺织品,圴具有感知、反馈和响应的一系列特性。

(2)纺织品智能化可以通过两种方式实现,即直接使用智能性服装材料与植入智能化、信息化技术。目前具有研发优势的智能服装研究方向主要有基于热学、光学等功能特征的智能化服装研究,应用于智能服装的电子器件的微型化、柔性化、安全性研究,电子器件与纺织品的契合方式、连接件研究等方面。

(3)智能服装设计的关键在于技术设计与外观设计的有效结合,涉及到电子元件、服用材料与外观美学等技术领域。国外研究者在智能服装的设计中,尤其关注服装的热湿舒适性、接触感觉舒适性及服用安全性等方面性能,先进的设计理念兼顾了技术功能与设计美学。

科技正在以前所未有的方式和速度改变着人们的生活,电子智能服装已经在医疗、防护、健康监护、通讯等领域为人们提供了舒适、安全、便捷的服务。新型智能材料、柔性及生物电子元件的开发与应用极大地推动了智能服装的发展,智能服装已经成为纺织服装产业未来发展的重要方向。

[1]施楣梧,肖红.智能纺织品的现状和发展趋势[J].高科技纤维与应用,2010,35(4):5-8.

[2]陶肖明.交互式的织物和智能纺织品[A].提高全民科学素质、建设创新型国家——2006中国科协年会论文集[C].2006.116-125.

[3]黄鹤,于伟东,严灏景.自适应性纺织品的类别及其制品[J].纺织学报,2007,(12):135-140.

[4]邹奉元.智能服装的设计和研发[J].装饰,2008,1(01).

[5]王香琴,辛斌杰,许鉴.智能纺织品的研究进展及发展趋势[J].国际纺织导报,2012,10:47-51.

[6]Ali Alzaidi,Linfeng Zhang,Hassan Bajwa.Smart Textiles Based Wireless ECG System[J].University of Bridgeport,2012.

[7]A.Lymberis,R.Paradiso.Smart Fabrics and Interactive Textile Enabling Wearable Personal Applications:R＆D State of the Art and Future Challenges[A].30th Annual International IEEE EMBS Conference,Vancouver,British Columbia,Canada,2008.5270-273.

[8]刘伶俐,廖丽芳,邹奉元.可测心率智能服装初探[J].浙江理工大学学报,2009,26(4):530-533.

[9]刘昊.人体参数无线数据采集系统在电子智能服装中的实现[J].北京服装学院学报,2011,31(1):43-9.

[10]Fabric Axisa,Pierre Michael Schmitt,et al.Flexible Technologies and Smart Clothing for Citizen Medicine,Home Healthcare,and Disease Prevention[J].IEEE TRANSACTIONS ON INFORMATION TECHNOLOGY IN BIOMEDICINE,2005,9(3):325-336.

[11]徐军,郭慧,王婷.智能服装中无线射频技术的应用[J].天津工业大学学报,2010,29(1):77-79.

[12]Li Li,Wai Man AU,Yi Li.Design of Intelligent Garment with Transcutaneous Electrical Nerve Stimulation Function Based on the Intarsia Knitting Technique[J].Textile Research Journal,2010,80(3):279–286.

[13]Inese Parkova,Ausma Vilumsone.Microclimate of SmartGarment[J].Scientific Journal of Riga Technical University Material Science.Textile and Clothing Technology,2011,(6):99-104.

[14]Cheek,Penny BSN,RN.Aging Well With Smart Technology[J].Nursing Administration Quarterly,2005,(29):329-338.

[15]Yang B,Tao XM et al.A Study on the relationship between resistance and strain based on stainless steel fabric[J].Rare Metal Materials and Engineering,2006,35(1):96-99.

[16]Zhang H,Tao XM et al.Conductive Knitted Fabric a Large-strain Gauge under High Temperature[J].Sensors and Actuators A,2006,(126):129-140.

[17]Zhang H,Tao XM et al.A Novel Sensate“String”for Large-strain Measurement under High Temperature[J].Measurement Science and Technology,2006,(117):450-458.

[18]Martina Uhlig.Smart clothing in the mainstream Implications of technology in the context of clothing[D].Sweden:Malmö University,2012.

[19]John Brownlee.Ping Concept Garment[EB/OL].http://www.Electricfoxy.com/projects/ping/,2010-04-02.