智能化服装设计与研发

杜劲松,李司琪,余雅芸,费中华,丁妤婕

(1.东华大学 服装与艺术设计学院,上海 200051; 2.浙江森马服饰股份有限公司,浙江 温州 362000)

0 引 言

智能化服装推动了科技的发展,它不仅能够感知服装外部环境和内部的状态变化,还通过反馈机制实时地对各种人体变化做出响应。智能服装在保障服装穿着舒适的前提下,给用户提供智能分析、反馈控制和决策支持[1],融合了电子信息技术、传感器技术、纺织科学及服装设计等多个学科[2-3]。国外对于智能化服装的研究开始于20世纪30年代,涉及到社会医疗、政治军事、运动监护等方面,而国内研究起步较晚,起初多集中在面料研发方面。随着电子信息技术、纺织科学等领域的发展,智能化服装的研究也进入了一个全新阶段[4]。自20世纪90年代美国麻省理工学院媒体实验室研发出可穿戴多媒体计算机以来,服装也不再仅限于舒适和时尚,具有了健康监测、沟通交流等额外的功能,智能化服装已经成为未来智能穿戴技术的载体。根据Gartner的预测,未来5年内的市场规模将达到49.7亿美元,预估到2020年的智能服装年销售量达到1000万件。目前市面上的智能服装存在着设计不够美观、电子元件与服装一体化程度较低等外部问题,也存在着材料研发程度低、安全性能较低等内部问题[1]。随着智能服装研发的推进,研究热点和难点聚焦在产品优化设计、提高服用性能、完善研发模式[5]以及建立可持续发展的智能服装产业链上。由于智能化服装品类繁多、功能各异,并涉及各学科领域的前沿技术,产品信息繁杂,设计研发工作难度大,所以有必要对智能服装的分类、功能、技术、发展趋势及技术瓶颈等进行详细总结分析。

1 智能化日常服装

智能化服装在人们日常生活中越来越普及,智能化日常服装可分为运动保健类、健康监测类和休闲娱乐类等。

1.1 运动保健类

运动保健智能化服装能对人体运动时候的心跳、呼吸、压力等数据做出分析,结合移动终端的应用,实时提示人体运动量,为运动者制定有针对性的健身计划。Ralph Lauren发布的Polo衫具有3类32种不同的感应器,让检测结果会更为准确。OMSignal公司推出的男士运动衫和女士智能运动文胸能跟踪穿戴者的步数、跑步距离、卡路里和心率等健身指标,并能分析出人体呼吸效率、疲劳水平、运动消耗等数据。Radiate热感应变色T恤[6]能通过热敏感传感器将运动者身体特定部位或肌肉群训练情况转化为面料的颜色变化,让运动者随时了解体内新陈代谢、血液流动、肌肉膨胀等情况。Hexoskin运动背心通过生物传感器能够记录穿戴者的测量心率、步数、卡路里消耗和呼吸等数据,并能追踪人体夜间睡姿、心跳、呼吸等睡眠状况,对人体进行远程监控。以Arduino UNO与Myoware表面肌电传感器[7]为设计基础所制作的运动紧身衣能够采集、计算、比较运动者的肌电,并将其与之前设定的阈值进行比较。当肌电达到设定阈值时就会对穿戴者发出警告,以防止运动过程中的肌肉拉伤等。

1.2 健康监测类

为达到监测身体各项健康指标的目的,智能化服装对人体健康数据测量准确性要求更高,并能够低负荷、长期连续地获取人体心电、呼吸、体温等生理信息[8],让着装者随时关注自身健康状况,预防疾病。加拿大Hexoskin公司研制的生理参数测量衬衫,通过在胸下、腹部的传感器监测人体的步数、心率、呼吸、睡姿等[9]。日本ATOUN公司的老年人动力辅助智能服装,当传感器检测到人体重心变化时,会通过马达对人体施加辅助力量。健康监测类智能服装还能检测老年人的睡眠质量,并且达到助眠的效果。老年人的体温调节能力较差,相变调温面料[10]拥有抗静电性能,同时还能根据老年人不同的体表状况储存或者释放热量,提高老年人的体表舒适度。Owlet care儿童睡眠呼吸监测袜可识别人体潜在的如睡眠不规则、RSV(呼吸融合细胞病毒)、肺炎、支气管炎、慢性肺病和心脏缺陷等健康问题。英特尔和台湾AIQ公司合作研发的监测身体健康状况的T恤,也是通过监测心率、心电图等来分析着装者的身体健康水平。Lumo Bodytech Lumo Lift公司的姿势追踪智能服装能感知脊椎活动状况,通过传感器的振动来改善穿着者的站姿和坐姿。

1.3 休闲娱乐类

休闲娱乐智能化服装为都市人群提供了多元化生活体验,通过增加智趣性和易携带性实现了新的娱乐方式[11]。Danilo等设计的Pacer连体服配备有捕捉人体肌肉运动的传感器,并通过触发器将信息转化成音乐旋律,将人体动作转化为不同的音乐。英国CuteCircuit公司开发出能够显示推文的服装(Twitter dress)和配饰[12],研发团队运用激光蚀刻的丙烯酸镜面来制作服装,这种材料可以使LED光线穿透其表面,在服装表面显示各种有趣的动画效果,以达到娱乐的效果。

2 智能化功能性服装

2.1 人衣交互

人和服装之间的有效互动能调节人的情绪,提升体验效果,有利于消费者与服装的深度沟通,感性和理性的双重追求能够在人衣交互中实现。在体验经济时代,智能化功能性服装能够给用户带来心理上的认同感以及感官体验[13],调整穿着者心理状态,以达到舒缓情绪的目的。针对儿童设计的智能化可穿戴产品[14]遵循儿童成长的发展规律,将人的情感与服装进行有效结合,增强不同年龄段儿童的情感体验。人体可以直接与服装进行“沟通”,人的心情、体温、运动等生理特征通过服装的造型、颜色、结构变化进行交互影响。蒙特利尔大学和伦敦大学的研究人员设计开发的可智能情绪感知服装Wearable Absence Project(WAP),通过内部装置的传感器、扩音器、信号分析器等,实时判断使用者的情绪变化,服装会自动播放轻音乐来舒缓穿戴者低落的情绪,使穿着者达到内心的平静。类似的智能服装也能对儿童心理成长和智力开发进行辅导,如会讲故事的T恤、会唱歌的睡衣、会发光的裙子等。

2.2 实时监控

具有远程监控功能的智能化服装将柔性纺织结构、柔性高分子膜器件、嵌入式传感器等系统集成技术应用在服装设计上,对穿着者进行健康体征监测[15-16],利用无线通信、无限体域网技术将数据远程发送到信息平台,使得人体生理状况得到实时监控,可有效预防疾病和医学治疗辅助等。儿童智能监控装备设计为具有防止儿童走失功能的智能服装、书包、鞋、电话、手表等。婴幼儿生命体征监护内衣、睡衣可以设计为具有尿湿提醒功能。Intel联手运动服装设计师Chromat推出的运动型“响应式服装”能根据用户的体温、肾上腺素或压力进行监控响应。挪威实验室开发的“感知身体”智能服装,通过湿度传感器监控穿着者的状况,确保极端天气条件下工作者的安全性。美国乔治亚理工学院研发了多功能的非干扰计算模型[17],运用该计算模型可通过智能衬衫实时远程监控士兵的生命体征。

2.3 外界环境响应

2.3.1 变色服装 由于外界环境中温度、光、电、湿度等的变化,导致变色材料或器件的折射率(或反射率)改变,进而从视觉上产生了颜色变化。服装变色材料或器件可分为热致变色、光致变色、电致变色等。Karpagam等将蓝色和橙色热致变色染料进行配比,在棉织物上绘制出不同颜色印花图案[18]。变色服装可随人体体温的改变而变色,以提醒运动员各部位的锻炼情况。当服装受到光照时,材料内部的高分子排列顺序发生变化,使得服装的状态改变,这种基于光敏变色[19]材料特性的变化也是可逆的。美国Clemson大学的研究者将光纤与噻吩衍生物等变色染料相结合,实现了纤维颜色的自动变化。碳纳米管(CNT)表面直接涂覆聚丁二炔(PDA)前躯体,并使丁二炔基在紫外光下发生拓扑化学聚合,从而合成CNT/PDA复合纤维,该复合纤维在电流刺激下迅速改变颜色,可应用于航空航天及军事领域。

2.3.2 变形服装 变形材料在外部环境刺激下会产生变形致动响应,引发的形变可分为热响应变形、光响应变形、湿响应变形等。柔性变形纤维可应用于智能化服装设计中,如可舒张卷曲的全氟磺酸离子聚合物(PFSA)薄膜对湿度敏感,利用其不均匀吸水膨胀的特性,模拟自然界中花瓣随湿度变化,材料呈现出不同形状,将其与旗袍结合制作出不同的变形旗袍。另外,不同螺旋角的PAAS/GO纤维(tP/GO),由于其光热效应和对水的吸附性,使得纤维螺旋槽收缩,纤维的远程控制光响应变形特性在智能服装设计中也得到应用。

2.4 军事防护

目前智能化服装在军事领域的应用也受到广泛关注。军事防护型智能服装能够感知子弹、病毒、辐射及化学物质等,从而阻隔子弹等外部冲击,保护士兵安全。智能面料可以过滤有害化学物质、战场灰尘等,同时使空气、水分能够穿透服装表面,起到防护保湿作用,如I-Protect项目[20]能监控周围的空气质量、氧气浓度等,并反馈给监测台,发挥数据监测的作用。

3 智能化服装前沿技术运用

3.1虚拟技术AR/VR

虚拟技术与智能服装的结合能增强穿戴者的沉浸式体验。Teslasuit是全球首款集成了触觉反馈、动作捕捉、气候控制和生物特征反馈系统的智能服装,拥有64个触点传感器,玩家在游戏中能够通过震动传感器体验到被击中的感受,借助动作捕捉传感器实现玩家在虚拟环境下的真实感受。Dior Eyes的VR头显设备让穿戴者仿佛置身于时装秀后台,可清晰看到模特化妆和着装准备的场景。其屏幕像素密度达515 ppi,视角接近100°,立体音效增强了用户视听体验。Tommy Hilfiger与荷兰VR研发团队合作推出的VR设备,使用专业鹰眼镜头相机全程拍摄,VR设备会自动调节最佳视角呈现模特的T台表演,让顾客能身临其境地欣赏到服装的动态美,提高顾客的购买欲望。

3.2 可穿戴技术

可穿戴设备与服装的融合为人类提供更为便利的智能服务。谷歌联合Levi’s推出了一款Project Jacquard智能夹克,利用导电纱线制成电容式触控感测器连接织物控制器,将传感器与服装面料融合,利用织物来控制移动设备。2017年苹果公司申请了3种智能织物发明专利,包括可识别触摸手势的触敏纺织装置、具有嵌入式输入输出设备的3D织物结构、具有嵌入式电子元件的织物。Mimo的婴儿连体衣可通过服装表面的感应器来监测婴儿的呼吸。Thomas等用纱线将由太阳能电池板和超级电容器组成的铜带编织在一起,并嵌入到服装中,研制出可吸收和储存太阳能的服装[21],这种自供电装备解决了蓄电池体积大、不易携带的问题[22]。

3.3 智能面料

智能面料的开发赋予了智能服装更多的功能性。美国华盛顿大学用其开发的新型智能面料制作成夹克衫,可储存从安全码到识别标签等信息,且不需要任何机载电子设备或传感器,实现无线化的互联互通。在160 ℃下经洗涤、干燥和熨烫后,服装仍保留着原有数据[23]。美国马里兰大学研发出一种智能面料,能够根据环境温湿度自动调节面料温度,这种面料的纱线中含有导电碳纳米管[24],同时结合纱线自身的吸湿放湿性能,在透气散热的同时,也能在低温状态下防止热量散失。墨子星智能科技公司自主研发出墨玺智能纤维,它将石蜡类相变材料(phase change material,PCM)制成的纳米颗粒与磁性纤维一起加入纺丝材料中。该面料具有磁疗、远红外、恒温储热、抑菌除臭等特点,能够促进血液循环、调节血压、消除疲劳、提高机体免疫力,改善穿戴者的身体健康。瑞士Schoeller公司推出的可弹性调整温度的智能面料,运用类似冷杉球果的薄膜原理,根据环境变化自动调整着装的温湿度。

3.4 人工智能AI技术

AI技术的发展给服装制造业带来了技术革新。韩国HANDSOME公司的“SJYP”品牌与Designovel公司联合推出了人工智能设计的衣服。将品牌的logo和卡通形象提供给AI技术研究员并输入Style AI系统,系统根据服装品牌及材质等信息,利用卷积神经网络的图像处理技术学习掌握产品风格,并与设计师合作进行产品规划,根据设计师的要求反复修改完善设计。深兰科技DeepVogue服饰辅助设计系统具有人工智能深度学习技术,设计师将自己采集到的时装秀图片、产品照片等素材导入系统,并设置主题或关键词,即可生成上千张设计图,有效缩短了设计时间,保障了品牌内涵的传承统一。

3.5 3D打印技术

目前3D打印技术主要包括叠层制造技术、熔融沉积技术、三维打印成型技术等[25]。3D打印技术给智能服装的研发提供了新思路,不仅降低了智能化服装的成本且绿色环保。如3D打印材料BioFila Silk,其是一种可降解新型材料[26],这也是未来智能化能源环保产品的发展方向。

4 智能化服装发展方向

智能化服装具有学科交叉性和系统复杂性,需进一步完善产品设计理念及产业化模式,秉承人性化需求,将科技与服装深度融合。在保证其个性化的基础上,有必要加强测试方法和系统结构的标准化。

1) 产品设计人性化。未来智能服装的研发设计要将“以人为本”的理念贯穿始终。将设计充分带入消费者的使用场景中,产品应符合穿着者所进行的社会活动。对于特殊群体,还应加强需求调研并做针对性设计,以体现产品的人文关怀,更好地满足穿着者的情感需求。产品的交互方式尽可能便捷与多元化,穿着者可通过手势交互、眼球追踪等方式使用产品,以提升操作体验。将个性化定制融入产品设计中,打造带有强烈个人风格标签的服饰产品,增加用户黏度。

2) 产品器件微型化。智能服装所采用的器件通常体积与硬度较大,导致穿着舒适度降低。为了提高数据采集的准确性,智能服装往往制作得较为紧身,产品器件紧贴人体,影响穿着者正常生活[27],因此,智能化服装配件未来将向微型化、轻量化发展,以避免穿着异物感,同时隐蔽性更好。可充分利用纤维状器件的形状可记忆、质量轻等优势,将其编织成可变形弯曲、耐水透气的纺织品,使服装本身成为电子器件或数字化系统[28]。传感器、电池、屏幕等的微型化处理也可以提升电池的续航能力,从而提升产品的使用效率。

3) 产品供应链的产业化。智能化服装必须与新兴科技交叉融合,新材料技术与电子信息技术的结合、芯片技术与人工智能技术的结合[29],不断打通智能服装与高新技术间的上下游产业链,降低智能化产品成本的同时,让智能服装的发展与物联网、云计算、大数据相结合,形成多维度产业供应链的发展空间。

4) 产品能源环保化。绿色环保可持续理念迫切要求智能服装向环境友好型产品发展。智能化服装综合了纺织品、电子元件和金属等材料,加工工序复杂,其中印染纺织品、电子元件加工会导致资源浪费和环境污染等问题,因而在未来需更加注重对生物燃料电池、太阳能电池等环境友好型技术的研发和利用,以“减少使用、重复再用、循环再造”的思路贯穿智能服装整个研发周期,提高资源利用率。

5 结 语

智能化服装是未来智能产品发展的主流趋势之一,同时也为服装产业转型提供了重要途径。目前服装企业在信息化、物联化、智能化的布局仍处在起步,服装行业需要充分发挥各学科的优势资源,加强国内企业的自主研发能力,增强绿色环保意识,不断完善产品的差别化和系统化,更精准地达到消费者的预期,满足大众的多元化、功能化需求。但是,智能化服装的产业化仍存在着一些技术瓶颈,例如柔性传感器的应用、智能面料的缺陷与用户体验的不足。柔性传感器的可植性好,但传感器供电技术不佳,电池寿命也严重影响其性能。柔性传感器在保证柔软的同时,很难具有较高的延展性与灵敏性,另外,智能面料存在不可水洗和保养昂贵等问题,上述技术瓶颈都会制约智能化服装的产业化规模。