纤维基柔性智能可穿戴技术在智能运动服装上的应用

刘成扬

(广东省纺织品进出口股份有限公司 业务运营支持中心，广东 广州 510045)

随着材料科学、传感技术、通信技术等关键领域的不断发展，种类丰富、功能多样的智能可穿戴设备大规模进入了人们的视野。智能可穿戴技术可用于医疗监护、运动健身、休闲娱乐、军事工业等领域，具有广泛的应用前景[1-2]。但是，智能可穿戴设备中的传感器、电源、电路板、电极、无线传输设备等智能可穿戴器件大多是基于硬件模块设计生产的，并且器件的尺寸较大、硬度较高，影响了其舒适性和便携性。此外，目前基于硬件的智能可穿戴设备还存在功能不够完善、操作不够简便、智能化程度不够高、制造成本较高等局限，实用性和用户体验较差[3]。因此，基于柔性器件的智能可穿戴设备的研发逐渐受到研究者的重视。随着智能器件向柔性化、微型化快速发展，智能可穿戴设备中基于硬件模块的器件逐渐被柔性器件所替代，器件的体积和厚度也在不断减小。

智能器件在向柔性化、微型化发展的同时，也需要一个理想的载体。服装是人们日常生活必备的用品，天然具有柔软、可变形的特性。因此，将服装与智能可穿戴器件结合起来，便成为一种很自然的选择，智能服装应运而生。而在智能服装中，智能运动服装是其中应用范围较为广泛的一种类型。本文主要对基于智能器件的智能运动服装进行分析。

1 智能服装概述

智能服装通常是指能够感应人体体征与外界环境，并根据一定的反馈机制，对内外环境变化做出响应的服装[4]。智能服装主要分为2类：一是以智能材料为基础，如将导电纤维、形状记忆材料、可逆相变材料、变色纤维、改性纤维等直接通过编织等方式形成织物，制成服装，使其能够对外界的应力、温度、光照等变化进行感应与反馈，甚至能够对环境变化自动适应，以实现动态平衡；二是以智能元器件为基础，将传感技术和微电子技术等引入服装，即令服装与包括传感器、电源、电路板、电极、无线传输设备等在内的电子元器件相融合，在一定意义上将服装转化为智能可穿戴设备[5]。

智能服装是柔性智能可穿戴技术较为理想的载体。由于服装与人体长时间、大面积贴身接触，智能服装能够更为连续、准确、无干扰地对人体运动状况和生理体征进行采集和分析。同时，由于服装在日常生活中不可或缺，使用者对其心理排斥感较低，因此智能服装能够在使用者低心理负荷状态下监测人体状况，获得更为真实的生理信号[6]。

2 纤维基柔性智能器件研究进展

基于纤维的柔性传感器、柔性超级电容器、柔性纳米发电机和柔性天线等器件的研发，为智能运动服装的发展提供了更多可能。

2.1 纤维基柔性传感器

柔性传感器在智能运动服装中通过与人体皮肤的接触，采集心率、体温、呼吸频率等生理指标的器件。柔性传感器以导电纤维为关键材料，通过针织、刺绣、编织等织造方式，集成于智能运动服装[7]。导电纤维可以按其特点分为金属系导电纤维、炭黑系导电纤维、导电高分子型纤维、金属化合物型导电纤维等4类[8]。其中，导电高分子型纤维的综合物理性能较好，且具有相对较好的可纺性与化学稳定性，电阻的线性变化较为明显[9]。另外，利用纳米纤维为基体开发柔性传感器也逐渐引起了人们的关注。常用于柔性传感器的纳米纤维包括碳纳米纤维(CNFs)、热塑料聚氨酯弹性体(TPU)纳米纤维、石墨烯纳米纤维等。

RYU等[10]使用高取向度碳纳米管(CNT)纤维与高弹性柔性基底复合，开发一种柔性电阻应变传感器。该传感器的工作原理是，碳纳米管纤维间的导电通路与接触面积会随拉伸应变的增大而不断减小，使元件的电阻随之增大。该传感器的应变范围极宽，响应时间短，循环性和耐久性极佳。在应变范围达到960%时，灵敏系数为64。该传感器经10 000 次应变测试后，能够基本保持其原有形状、纤维取向度和初始电导率。在应变范围为0～300%时，经10 000次应变测试后，较第10次应变测试时，该传感器的灵敏度漂移量为7%。该传感器贴服于膝关节、手指等部位时，能够实现对人体关节运动的可穿戴式监测。

2.2 纤维基柔性超级电容器

超级电容器是一种具有较高储能性能的储能元件。相较于传统电池，超级电容器具有更高的功率密度，且充放电速度更快，使用寿命更长。超级电容器能够存储多种能量，包括柔性纳米发电机产生的电能[11-14]。纤维基超级电容器(FSCs)保留了纤维材料的柔性，具有较好的可弯曲性和可拉伸性，易与服装集成，在智能运动服装领域有很大的应用潜力[15]。常用于柔性超级电容器的纤维材料包括碳纳米管、石墨烯、碳纤维，以及由纤维材料与导电聚合物复合而成的复合纤维等[14]。

FU等[15]分别采用碳纤维、镍金属丝纤维和镀金塑料纤维为电极材料，通过浸涂法使含石墨碳纳米颗粒的钢笔墨水在纤维电极表面形成薄膜，从而制成纤维状超级电容器。根据实验结果，碳纤维/墨水复合纤维电极的比电容达到26.4 mF/cm2，且具有较高的能量密度、功率密度、拉伸强力和化学稳定性。使用此方法制备的超级电容器，在充放电循环15 000次后仍保持稳定的比电容。该超级电容器的制备工艺简单、制备成本低，且柔软性和稳定性较好、绿色环保，具有大规模生产应用的潜力。

2.3 纤维基柔性纳米发电机

在野外探险、登山或日常穿着时，智能运动服装需要长时间持续工作。为此，其能量来源需要具备持续、稳定、便捷的特点。传统的电池供电需要依赖外部能量来源，且体积与硬度较大，难以满足器件持续供能和运动服装舒适轻便的需要[16]。超级电容器的电容量有限，也不足以支撑其长期持续运行。柔性纳米发电机是一种新型的能量收集器，在智能运动服装领域有很好的应用潜力。其中，纤维基柔性压电纳米发电机能够利用压电效应，随时随地将微弱的机械能采集并转化为电能[17]。另外，纤维基柔性摩擦纳米发电机(TENG)能够利用摩擦起电与静电感应，将人体运动时产生的机械能转化为电能。柔性纳米发电机能够持续为柔性器件供能，使其实现自驱动工作[17]。

KWAK等[18]以聚四氟乙烯(PTFE)织物和银丝织物，开发了一种可拉伸的摩擦纳米发电机(S-TENG)。基于2×2罗纹结构织造，大小为10 cm×10 cm的S-TENG，在应变范围达到30%时，最大输出电压和电流分别为23.50 V与1.05μA。在垂直接触方式、频率为3.3 Hz时，2×2罗纹S-TENG的最大有效功率为60 μW。针织结构S-TENG的拉伸应变，与输出电压有效值、输出电流有效值均存在正相关关系。该S-TENG具有较大的应变范围，且柔软高效，可以应用在智能运动服装领域。

2.4 纤维基柔性天线

柔性天线能够将传感器采集到的人体生理数据传输至云平台或智能移动终端，在智能运动服装中起到信号传输的作用。作为可穿戴天线的其中一种，柔性天线通常由介质基板和辐射片组合而成。柔性天线一般以普通织物为介质基板，以金属纤维等导电材料为辐射片[15,19]。由于这类柔性天线是基于纺织结构织造的，它除了能够传输信号，还具有柔软、可弯折、易共形等特点，易于与运动服装集成[20]。

杨福慧等[20]采用玻璃纤维和铜丝织造了一种纺织四元微带天线阵。该纺织天线利用三维正交织机，一体化织造铜质辐射贴片(顶层)、玻璃纤维介质基板(中间层)与铜质接地板(底层)。该天线的带宽为1.43～1.54 GHz，最大增益为7 dB，最大效率为 40%。该天线在弯曲时的性能变化较小。

3 智能运动服装产业化应用实例

智能运动服装是智能服装在运动健身领域的应用，主要通过集成的运动监测系统实现感应、反馈与响应功能。运动监测系统由放置于某些特定部位的传感器、电源、信号传输模块、数据处理器等元件组合而成。智能运动服装能够实时准确地采集人体在运动中的心率、呼吸频率、体温、体表湿度、加速度等生理数据[21-22]，以及监测姿势准确性、肌肉状态等复杂状态[23-25]。采集数据后，系统经由蓝牙、ZigBee(一种应用于短距离和低速率传输的无线网上协议)或ANT(一种天线)等方式传输至云平台或智能移动应用程序，做出运动评估，帮助运动者了解自身身体状况，控制运动强度，优化训练效果。

3.1 智能瑜伽裤

Nadi X智能瑜伽裤[22-23]集成了一套触觉反馈装置，可以感应运动者的瑜伽运动姿势，并提供专业姿势指导。Nadi X在脚踝、膝盖和下背部嵌入了5个传感器，能够准确全面地监测运动姿势，采集生理信号。同时Nadi X还在多个位置嵌入了振动电动机。运动者在使用错误的运动姿势时，传感器能够迅速准确感应并向系统发出信号，系统借助触觉振动提醒运动者纠正姿势。Nadi X需要与放置于膝盖口袋的电源和蓝牙模块配合使用。Nadi X借助蓝牙模块和移动网络传输数据，并通过智能移动应用程序，与移动终端实现数据同步和分析。

另外，Nadi X还可在日常生活中应用。Nadi X可以实时监测使用者在生活中的不良姿势并即时提醒。Nadi X具有较好的耐洗性，能够在多次洗涤后保持良好性能。

3.2 Athos智能运动服

Athos公司研发了上衣和裤子全套的智能运动服[21，24-25]。该款运动服内置了几块EMG(表面肌电信号)运动传感器和生理传感器，能够感应和追踪肌肉的运动状态，也能监测运动者的心率和呼吸频率。运动服能够在移动终端以EMG肌电图的形式让运动者了解肌肉锻炼情况与自身各项指标变化。整套智能装置仅重不到20 g，并能连续工作10 h以上。

3.3 BodyPlus智能运动服

BodyPlus公司采用杜邦Intexar智能面料，开发了智能运动上衣和运动内衣、智能背心等产品[26-28]。Intexar智能面料将可拉伸的含碳或银的电子油墨和热塑性聚氨酯弹性体(TPU)膜贴合于布料表面，构成薄型线路，实现感应与通信功能。Intexar智能面料可以通过面料表面的碳或银，感知人体的心率、呼吸频率、肌肉状态和身体姿态。Intexar智能面料保持了织物轻薄柔软的特性，能够与服装一体成型，并具有良好的舒适性。同时，Intexar智能面料还能承受多次往复拉伸和100次以上反复洗涤，具有很好的耐久性。Intexar智能面料已在运动领域投入使用。

4 智能运动服装发展中尚需解决的问题

4.1 舒适度

人们运动时的肢体动作比较剧烈，拉伸、弯曲程度和频率较高，且运动者会长时间、贴身穿着运动服。目前柔性器件的柔性化和微型化水平较低，智能运动服装的舒适度还有待进一步提高。

4.2 数据准确性

人体在运动中会发生位置移动和汗液分泌，容易使纤维基传感器和人体接触的位置、接触压力、电阻等发生变化，导致传感器的灵敏度发生变化，采集的人体数据不够准确。

4.3 耐久性

柔性传感器等器件的耐水洗性较差，器件封装技术有待提高。同时，纤维基柔性器件的耐磨损性能较差。这些都影响了智能运动服装的耐久性。

4.4 服装款式设计

在相关研究人员更关注智能运动服装的功能开发，而对其服装款式设计较为忽视，这对其市场推广造成了一定影响[3]。

4.5 产品价格

纤维基柔性器件的研发尚在初期阶段，其研发和制造加工成本较高，制作工艺较为复杂，导致此类智能运动服装的价格普遍偏高，消费者购买意愿有限。

4.6 技术标准和行业规范

基于柔性器件的智能运动服装作为一种新兴产品，尚缺乏技术标准；作为新兴行业，相应的法规和制度尚未建立健全。

5 结论与展望

近年来，由于各交叉学科关键技术的持续发展与智能可穿戴设备的普及，柔性智能可穿戴技术具备了成熟的研发环境和广泛的应用前景。智能器件正在向柔性化、微型化快速发展，而纤维具有较好的柔性，因此，纤维基柔性智能器件的研发，成为柔性智能可穿戴技术的发展重点之一。同时，随着人们运动保健意识的不断提高，智能运动服装因其能够实时监测、反馈人体运动状态和各项生理指标、满足运动者的科学运动训练需求，存在着巨大的市场潜力。

目前，很多研究机构和公司正在基于多种纤维材料开发各类柔性智能器件，探索通过一体化纺织成型技术实现柔性智能器件与服装的融合，从而提高包括智能运动服装在内的智能可穿戴产品的舒适性、便携性与实用性，推动智能可穿戴技术的发展和应用。

在基于纤维的柔性智能器件方面，需要进一步加强材料和制备工艺的研发，推进器件的柔性化、微型化，提高器件的数据准确性和耐久性。在应用了纤维基柔性智能器件的智能运动服装方面，需要关注柔性器件与服装的协同开发，重视服装设计，提升服装结构、款式设计与颜色搭配的美感。另外，对于搭载柔性器件的智能运动服装的产业化应用，需要进一步完善产品功能，制定技术标准，实现产品规模化，降低生产成本和销售价格，促进智能运动服装产业快速健康发展。