智能服装的应用及发展

李 莎，高 禄，赵 岩，李大川，钱晓明

(1.天津工业大学纺织科学与工程学院，天津300387；2.天津工业大学机械工程学院，天津300387；3.智能可穿戴电子纺织品研究所，天津300387；4.天津工业大学教育部复合材料重点实验室，天津300387)

1 智能服装概述

智能服装的概念由来已久，起初主要应用在军事和航空等特殊或尖端领域，随着电子信息科学、生物技术和服装行业的飞速发展，智能服装也发展迅速，成为服装产品开发的热点[1-3]。 智能服装是新型的纺织材料或智能纺织材料与微电子技术、软件技术、通信技术相结合的产物，是模拟生命系统能够感知身体内部功能或外界环境的变化，能反馈收集到的信息，能主动或被动的做出相应反应的服装[4-5]。 自1989 年日本的高木俊宜教授将信息科学融于材料物性和功能，率先提出智能材料的概念，到现在短短的30 年里，很多国家在不断开发智能材料的基础上设计开发了具有很多不同功能种类的智能化的服装。 运用的智能服装材料包括变色材料、相变材料、形状记忆材料等，将信息技术、传感技术、微电子技术等逐渐引入到服装中，创造了具有防护、加热、降温、反映生理特征、表达个性等具有各种功能的智能服装，将来的应用领域会更加广泛[6-7]。

2 智能服装的功能与应用

2.1 制冷制热空调服装

空调服装作为一种具有温度调节的功能服装，在维持极冷和极热环境中的人体正常温度方面有极其重要的作用。 制冷空调服主要用在高温高湿环境中来降低或维持作业人员的体温，而且是以降低人体核心温度为主要目的，所以四肢部位一般不需要空调服覆盖。 目前实现制冷空调服的常见原理有空气冷却、凝胶/冰袋冷却、相变冷却、液体冷却等，其中的液体冷却空调服最早由宇航员使用，如今在工业、矿井、消防、医疗等领域被广泛应用。制热空调服的发展晚于制冷空调服，主要服务于极冷环境中的低温作业者，主动预防低体温症和冻伤。 由于人体在低温环境中的新陈代谢降低，皮肤和肢端特别容易发生局部冻伤，使得制热空调服还需要考虑肢端的保护。 目前常用的制热空调服的实现原理有电制热、相变材料制热、化学制热等[8]。

军事和航空领域的专业智能服装是可穿戴智能产品的代表，其在军事领域的应用要远早于民用，其智能硬件的技术含量也远高于日常使用的智能服装。 军装不仅是军队人员必须穿着的一整套服装，可以提高部队的纪律性、秩序性，还可以据此区分兵种、服役状况、军衔等等。 另外军装还要反应其与普通服装不同的军事功能，譬如其面料有保护色功能可以实现军人在地形中的伪装，在军装中增加各种夹具来携带装备和武器，使军人在不同气候条件下的行动相对舒适，另外还有防护功能的军装。

军事和航空领域的智能服装首先要协助调节军人体温适应各类战场环境的需要，还可能需要应用在各类军用车辆的高温环境或寒冷、深海潜水等活动中。 在相对封闭的空间里，了解不同情况下身体的生理参数发生了什么变化非常重要，尤其对军事飞行员。 英国的Intelligent Textiles Ltd(ITL)公司通过编织技术将电子设备一针一线的织进可穿着的编织物产品或者把智能织物材料编织到衣袖和潜水服，可以为穿着者提供保温功能。 同时该公司正在研发智能防弹衣，将可感应的、可伸缩的、可暗藏的以及模块式等技术结合起来，使防弹衣在具备防弹功能的基础上，该穿衣者也成为可移动的电路网，可以方便的为智能穿戴设备提供电力，在衣服上面获取需要的数据。 在特殊的战争时期，这些插头容易连接的特性非常关键。 Advanced Fabric Technologes 公司在2017 年宣布成功进行了精仿新技术的试验，之前这些技术主要用于生产防弹背心，保护军人避免受到子弹、弹片的伤害。 现在还向面料结构中嵌入可以释放止血、止痛药的系统，扎绷带之前，这种服装就可以给伤口杀菌、止血、消肿、治疗擦伤等[9]。

曾经由美国国家航空航天局研制的技术，服装面料可以根据外部空气的温度来调节身体温度，现在美国的Outlast Technologies 公司也发布了这项技术的最新进展，纤维与微型胶囊交织在一起，微型胶囊里装有石蜡，可以实现对身体温度的调节，从航空应用已经发展到民用了，滑雪者已经成功使用[10]。

2.2 医疗监控和运动安全服装

国外研究中美国开发的生命衫(life shirt)是最早能够无创、连续并实时来获取人体生理参数的服装，包括心肺参数、心电图、心率等，也可以对体温、血压、血氧饱和度等进行外接监测。 加拿大开发的智能衬衫，传感器通过皮带固定在胸下和腹部皮肤处，可以监测心率、呼吸、步数、睡眠姿势等，并通过放置在侧袋的蓝牙将数据上传到应用程序，对于教练可以实时了解运动员的训练情况和运动量，衣服就相当于一个随身教练。 还有一种智慧衫(smart shirt)，通过在面料中加入可以作为数据线的金属纤维以及柔性光纤螺旋状织物，来传输和连接监测的呼吸频率、体温、心率等生理参数。 因此，携带各种传感器、各种信号发射装置，以及能方便检测到心跳、心率、血压、体温及新陈代谢等相关数据，或者利用卫星定位实现远程看护的“医护衬衣”和运动健身T 恤发展很快，穿着者心脏病发作或虚脱时能及时报警，儿童或老年痴呆病人如果不慎走失可以轻易找到，婴儿出现呼吸停顿等情况时也会发出警报[11-14]。

医疗监视和运动安全方面的智能服装发展非常快，国内有利用温湿度传感器和光纤设备进行服装微气候监测，还有设计和实现了基于人体传感网的穿戴式远程健康监护系统。 通过内置7 个温湿度传感器的智能服装实时监控更年期女性的身体情况[15]，实现及时发现监控目标的体温和出汗量变化判断是否进入更年期。 采用弹性和吸湿性强的针织面料，采用三针五线无缝缝制等工艺，满足医疗健康类智能服装的美观和实用，设计传递一种积极健康的生活理念[16]。

在婴幼儿服装方面也出现了智能化趋势，创建完整的智能检测报警系统，实现蓝牙终端接口与温度测控器间的传感和数据交换，智能监控幼童服装内微气候温度，实现对儿童温度的监控，提高服装热舒适性及健康防护功能。

运动服装方面有从面料、智能元件、款式结构色彩搭配角度等利用LED 技术和感光材料设计骑行服，并验证了姿势控制LED 灯组元件的灵敏度和LED 灯组与荧光面料组合视觉警示的协调功能[17]。

安全服装方面有通过对需求分析、功能元件、信息交互、测评更新4 个智能服装设计模块的分析，提出兼顾美感与功能性的女性智能定位报警服装[18]。 还有采用三维人体测量技术为智能监测服装量身定制提供个性化数据，以塑形内衣文胸为载体，利用纺织柔性传感器，设计具有监测心电、呼吸、体温的多生理信号智能内衣，然后通过智能手机、电脑等通讯设备及无线网络、蓝牙等通讯技术实现人体生理信号的传输和远程监控[19-22]。

2.3 消防服装

在消防员的灭火救援活动中，消防员暴露在火与烟的强辐射高温危险环境中，需要采取合理有效的措施减少消防员的热应激反应，防止皮肤烧伤等身体伤害，并提高消防员的工作效率，增加成功救援的机会。 所以纺织品本身的阻燃性能一直被高度重视，其服装的智能性首先必须体现在阻燃安全的基础上[23]。 其次在阻燃的基础上考虑消防服装内部微环境的降温来减少人体的出汗量，缓解体内水分的流失，缓解消防员产生的热应激反应和热疾病。 Bartkowiak 等利用人体平均皮肤温度、生理参数、衣下微环境温湿度的变化测评了个人液冷式服装，其可以有效降低衣下微环境温度来调节人体的热平衡[24]。 天津工业大学钱晓明教授为解决消防服厚重多层结构带来的热应力问题，设计了一款采用液冷循环管路的可降温式消防服，能有效缓解消防员的热应激反应，延长消防员工作时间，提高救援效率[25]。

在传统的功能性消防服中嵌入检测相关信息的各类传感器，尤其实时检测火场环境信息，掌握消防人员在火场中的位置非常重要[26]。 林建琴等在《基于智能服装的消防员位置信息融合研究》中将GPS 接收器的定位与气压高度测量仪组合测量来得出消防人员的位置信息，并同时传输到消防车指挥系统，使消防指挥员在掌握现场情况下，可以更准确的实现调度[27-28]。

2.4 发光变色或表达情绪与沟通功能的服装

染料是使纤维和其他材料着色的物质，随着对染料功能的广泛研究，采用光敏、热敏等变色原理，利用变色纤维和变色染料技术研发变色材料，使服装服饰的颜色或图案随着光照的变化、温度的变化、干湿的变化等不同的条件下产生特殊的色彩变化，以满足个性化美观的需求[29]。

最早的发光变色服装是用在军事上的“变色龙”军服。 这种军服面料平时穿着还是舒适透气的，当检测到有生化武器出现时会立即密闭起来隔离外界。 该军服既有防弹功能，也能检测到士兵心跳，并能随时调整军服内部需要的温度，还会通过改变颜色来适应周围环境等等。

英国设计师提出过“情绪香薰衣服”。 该衣服可以将人体的感官、体味腺以及血液循环系统等的功能模拟出来，并且可以将各种香水存储在布料里，依据穿衣者情绪和环境的变化，流控系统喷出适量雾化香水，散发出不同的香味。 表达情绪的可以是服装也可以是其他穿戴设备比如手套，对脉搏、手掌温度以及皮肤导电性等参数的检测来判断人的情绪，对心情有焦虑或情绪有压抑等异样情况，该手套会发光报警，提醒人需要放松心情缓解情绪。

智能服装的情绪表达，通过信息采集系统对心电、呼吸、体温等生理信号进行特征提取和特征分类，引入呼吸性窦性心律不齐的生理现象来建立基于多生理信息融合的情绪判断模型，对情绪的识别率可以达到72%[30]。

“智能服装”在娱乐上还有“音乐外套”，在这种服装上可以收听到喜欢的电台，可以把喜欢的歌曲和音乐存储在芯片中，在需要的时候播放出来。其能量来源是太阳能、风能或人们穿上服装时活动发电等可持续能源。 有的科学家正在研制将移动电话和MP3 内置到夹克里，不断将现实世界和虚拟世界结合，逐渐实现着装者无论何时何地都可以自由沟通信息。

2.5 残疾人服装

正常人穿衣服不会有障碍，对所穿服装关心的一般也只是风格和保暖。 而残疾人可能会面临各种问题，使得残疾人服装也是智能服装研发的一个方向，希望科技能帮助身体或精神残疾者解决其面临的着装问题。 这一类智能服装一般称为特殊服装。

那些因脑瘫影响手动的患者用尼龙搭扣代替袖扣，患有孤独症的孩子父母会把孩子T 恤上的刻痕剪掉，有的衣服要求没有标签和接缝，有的希望可以方便更换尿布或避免孩子接触尿布、侧面开口，有适合坐轮椅的袖子拉链的夹克。 美国汤米公司推出适合假肢的特殊牛仔裤、衬衫、领口特别大的服装。 Zappos 公司推出带有磁性纽扣的衬衫。拉德万创办的特殊童装公司就是希望“看到每个残疾孩子的需求”，有的衣服上段带有襟翼，对于在胃内植入食管才能进食的孩子就可以直接连接喂食管， 还有带环的袜子，可以帮助发育障碍的孩子纠正动作。 这些特殊服装包括为截肢者、坐轮椅者、患有唐氏综合征或脑血管病的人员等设计的。英国设计师露西·琼斯(Lucy Jones)近年来为轮椅使用者创作的“坐姿设计”系列，为轮椅使用者设计的连裤袜等考虑接缝处，坐入轮椅时，腿部能避免摩擦，以及能矫正坐姿时骨盆的角度等等，赢得无数赞誉。 美国帕森斯设计学院(Parson School of Design)为开创残疾人特殊用途服装设计专门设立了开放性风格实验室。 实验室向全世界的设计师、工程师、职业治疗师和各种残疾人开放，专门设计适合残疾人的衣服，同时也兼顾风格多样性。 每年夏天，研究小组都会为残疾人定制服装，这些人从神经敏感到瘫痪等各类残疾，应有尽有。 他们希望恢复残疾人着装的独立性和尊严[31]。

现在许多服装企业开始研发这一类特殊需要的服装，为特殊服装需求者量身定做，令残障人士更容易自己穿衣服，在这里的智能服装就是“适应性服装”。 英国时尚科技公司推出了一款名为“the Soundshirt”的服装(如图1)，可以让聋哑用户在其皮肤上感受到音乐，声音衬衫使用内置在材料中的一系列触觉传感器来体会音乐。 使用专门开发的灵巧而富有弹性的纺织品制作了声效衬衫，并不需要电线，服装中的所有导电路径均由编织的导电纺织品组成，这些纺织品被无缝地集成到服装中[32]，如图2。

图1 the Soundshirt 的外观

图2 the Soundshirt 的工作原理

2.6 具有记忆功能服装

具有记忆功能的服装主要由记忆面料来实现。记忆面料是指具有形态记忆功能的面料，是指具有某一原始形状的制品，经过形变并固定后，在热、机械、光、电磁等特定的外界条件的刺激下能回复到初始形状和特性。 不同款式和尺寸的服装会对人体产生不同的压力，直接影响人们对服装舒适性的感觉。 相比普通服装，紧身类的运动紧身衣、塑形内衣、速干透气压缩衣等的压力舒适性也很有研究价值。 韩韬提出的深度长短时记忆模型是基于不同人体穿衣时采样压力数据来训练模型，可以从数据中很好的学习到人体不同部位压力数据之间的联系，并可以标准人体不同部位压力的信息特征，为智能服装提供基础数据[33]。

随着科技的不断发展，智能服装又有了新型功能，具有形状记忆和智能型自动选择透通、智能型自动选择膨胀离体或紧缩贴身等功能。 有的带记忆功能的运动衣，通过检测运动中人体的脉搏数据和静止时的血压，脉搏数据按时间分布形成曲线，随时提醒锻炼者增加或减少活动量，为选择最适合本人的锻炼项目提供科学依据[34]。 南开大学的刘遵峰教授、史林启教授团队和国内外多个科研团队一起成功制备出了一种双层褶皱结构的电阻型应变传感器。 首先预拉伸高分子弹性体纤维，然后将弹性体薄层和碳纳米管薄层自组装在高分子弹性体表面，最后释放预拉伸。 制备的变电阻型应变传感器其“双层褶皱”结构是“褶皱弹体层”+“褶皱碳纳米管”。 该传感器性能优异，可以监测人体呼吸和运动以及肢体弯曲等[35-36]，如图3。 该研究团队还研制了通过感知湿度来实现自动伸缩的纯蚕丝“人工肌肉”。 该蚕丝可以在水雾或不同湿度下实现拉伸、扭转和收缩致动等“人工肌肉”功能。同时开发了一种扭矩平衡的纤维结构，不需要外界的固定来实现可逆驱动，蚕丝纤维可以通过对折或合股扭曲的纤维来实现自平衡。 研究者用该种蚕丝伸缩肌肉制作了如图4 所示的玩偶智能上衣，可以有效实现热量和水分的管理。 这种通过改变宏观形状的纺织品对水分敏感，可以在环境湿度增加时，智能上衣的衣袖长度会收缩，达到原长度的一半；湿度下降时，会再恢复到原长度[37-38]。

图3 双层褶皱电阻型应变传感器

图4 人出汗时长袖变短袖，汗干后恢复为长袖

3 智能服装的发展趋势

服装是现代科技进步的载体，其代表就是智能服装。 智能服装的研发使得具有高附加值的高科技智能服装将逐渐商业化，不管是功能性的智能服装还是个性化的智能服装将来逐渐会成为服装工业的主流和未来。

今天的防寒服虽然可以抵御零下50 摄氏度的严寒，但其加温系统需要消耗大量的电，电池续航能力差，依靠几节电池可能连续工作的时间不能太长，一旦电池耗尽没有电，就会感到非常冷，而且下雨时保温服还可能失效，也许会有触电的可能性出现。 全世界的科学家正在研究对温度变化敏感的服装，未来的服装面料可能由几层面料制成，其中专门有一层面料是微型传感器，可以对身体和周围空气的温度变化做出反应，并可以据此确定允许还是禁止外部空气进入身体。 身体不同部位的传感器还可能对冷、热做出不同的反应，实现有的部位允许外部空气进入，而另一些部位可能禁止外部空气进入身体，实现对身体不同部位的透气控制。

目前空调服的要么制冷要么制热，功能单一，无法满足复杂气候环境中的需要，同时具备制冷和制热双向功能的空调服将是发展趋势之一。

未来在军事医学领域，需要监控特殊岗位的军人或医院的病人的生理参数，以前缝到或固定在服装上的各种传感器，将来会直接嵌入面料纤维中，可以将身体的状态信息譬如脉搏、体温、排汗量等便捷的发送到手表、手机或个人电脑或互联网。 这种新型传感器不仅可以嵌入任何面料的纤维，甚至清洗也不会影响其功能特性。

在纺织材料、纺织工艺、服装设计等学科融合的基础上，增强新型材料的研发和应用，不断优化制作工艺和方法，将数字化、网络化、可穿戴生命体征检测技术和绿色环保理念等全方位应用起来，加强人机交互和相应的反馈机制，未来智能服装将迎来变革。

4 结语

智能服装目前成为纺织、服装、材料、信息等相关行业关注的焦点。 除了以前在军事、航空航天、医疗方面作为功能服装外，越来越多的使用在生活方面。 譬如各种可以检测生理参数特征、能实现健康管理或者能辅助生活的功能性服装；可以增强运动或者运动轨迹追踪或者实现娱乐等的功能性服装。 同时在具备不同功能的基础上逐渐添加一些时尚的设计元素，慢慢也在获得普通消费者的青睐。 智能服装不会影响正常的人际交流，还可以让人更多的与外界沟通，将简化穿着者与数字世界的联系，智能服装将迎来广泛的应用。