智能瑜伽服研究进展

2021-12-03刘梓愿NataliaJones张成蛟时禄祯

纺织报告 2021年8期

刘梓愿，Natalia Jones，唐虹，张成蛟，时禄祯，葛睿

（1.南通大学，江苏南通 226019；2.南通博赢特阔织造有限公司，江苏南通 226316）

随着科技的不断发展，人们对服装的要求已经发生改变。各种智能可穿戴设备的出现与快速发展，为服装领域和医疗领域带来无限的可能，为国民经济和全民健康的发展带来了全新改变。同时，在大众健康意识不断加强的背景下，人们对瑜伽服的要求也越来越高。传统的运动服装对瑜伽运动带来的肌肉形变拉伸保护作用很小，有时会使肌肉疲劳恶化为肌损伤，由此产生的肌运动效果也适得其反。对肌肉疲劳程度的实时监测有助于预防这一问题。肌肉疲劳可以对人体肌肉最大自主收缩能力起一定降低作用，人体肌肉在长时间剧烈运动后会产生肌肉疲劳的不适感，如酸痛乏力等[1]。通过电子元件与传统瑜伽服的结合，能实时显示肌肉疲劳程度。智能瑜伽服不仅要起到基本的着装作用，对运动本身的控制和动作矫正等智能化研究也要朝着舒适、环保、时尚的方向发展，同时要考虑专业化和个人化。提高着装舒适性已成为研究的一大热点课题。

1 智能瑜伽服材料

瑜伽服的面料不仅要亲肤舒适，还要透气吸湿。市场上常见的瑜伽服面料主要有锦纶、氨纶和聚酯纤维混纺，其中，氨纶成分占10.0%～30.0%，聚酯纤维占60.0%～80.0%[2]。加拿大运功品牌Lululemon研发的Luon面料，属于高科技聚酯纤维，比全棉的吸水性更好，全棉可以吸收相当于面料质量7.0%的水分，普通聚酯纤维仅吸收0.4%，并且全棉吸水后，水分停留在面料上，使得面料湿重，降低舒适度。国内迷尚瑜伽服公司通过面料研发，采用专门的黏纤技术，对其进行了专门的织物蛋白纤维与动物蛋白纤维提取，形成了新的迷尚瑜伽服面料cool-dry。该面料采用提纯工艺处理棉纤维以及其他天然纤维，使用科学工艺去除杂质，对纤维进行拉伸，把纤细、洁白、绵长的丝状物提炼出来，经过加工处理后制成绿色纺织纤维。有学者研究了服装结构对瑜伽服舒适性的影响，选定了各项性能指标均较好的锦纶加氨纶仿针织面料进行实验设计，在后期研究中得到面料较厚的反馈。青岛新维纺织根据北京服装学院张大省等[3]的新发明专利，在原有聚酯聚合物中无规则的基础上嵌入亲水基团和柔软链段，开发出低碳环保的改良版涤纶。作为新型纺织纤维产品，该材料具有水动力特征差的特点，并且具有良好的导湿性和渗透性。

目前，智能瑜伽服中所用的纱线已在多个领域使用，为传感器与服装的结合提供了更大的空间。随着一些高性能新型导电纱线的研发，如铜丝和不锈钢微丝等由金属牵伸而成的单丝、镀银锦纶、铜纤维、腈毛导电纱，以锦纶作为基体的黑色导电纤维—碳黑纤维、碳灰纤维等，为传感器的发展改良提供了更多的选择思路和空间柔性。近日，在专家的指导下，山东岱银纺织服装研究院首次推出新型抗静电织物专用导电纱线产品[4]。该产品采用自主研发的工艺技术，具有生产效率高、综合成本低、成品卷装大、无接头等优势。张岑岑等[5]利用14.0 tex涤纶/棉/碳黑（T/C/CB 65/35/20D3F）复合导电纱作为经纱，设计了一款以平纹地经起花为组织的混纺导电纤维面料。赵红等[6]通过无钯化学镀方法在氨纶包芯纱上沉积镍层，制备出可拉伸的导电纱线。李洁琼等[7]通过对镀银导电纱线进行功能性分析，运用针织组织结构特点，并集成可穿戴智能控温系统，采用22.0 tex镀银导电纱线及35.7 tex×2（28 Nm/2）的羊毛、腈纶混纺纱（50∶50），在12针/25.4 mm龙星双针床电脑横机上，开发一款一体成形智能电加热针织毛衫。

2 智能瑜伽服结构

在智能瑜伽服设计中，服装舒适性和功能性难以平衡。服装加入监控肌肉疲劳状态这一功能，需使用外接电路板和传感器。服装外接电子元件后，穿着者活动不便，难以进行瑜伽运功。瑜伽服整体和细部的设计基本围绕这一问题展开。

2.1 整体设计优化

瑜伽是一项动作幅度较大的运动，瑜伽服设计既要保证人体在运动过程中受到的约束力不过分强，又要保证能给肌肉一定的压力。目前，市面上的瑜伽服最常见的问题就是颈部领口和腋下松散、胸部的合体性不够、腹部的贴合度不强、衣服不固定容易上滑等[8]。解决这些问题主要从服装结构和面料成分着手。

翟无忧[9]对款式相同、功能性分区设计和分区结构面料不同的瑜伽服进行多种实验设计，得出以下结论：瑜伽服的热湿舒适性与结构分区以及面料关系密切，在背部结构相同的情况下，舒适性最优的瑜伽服面料是进行结构分区并替换分区结构的面料。焦振楠[10]根据服装构成理论和人穿着瑜伽上衣时的压力值等特点，对上衣进行了结构优化。用BP神经网络对压力的大小进行预测，优化结构设计，使贴体瑜伽上衣的压力舒适性得到了平衡。

在瑜伽运动过程中，人体肩部活动范围较大，在手臂张开和闭合的状态下都会产生不同程度的变形。当举起手臂时，瑜伽服形变量较大，较大压力作用于手臂。在服装结构设计中，采用插肩袖设计可尽量减少人体在运动过程中对瑜伽动作的阻力[11]。

大多数面料在瑜伽运动过程中都会出现收缩拉伸形变，传感器的排线应尽量避开拉伸量较大的身体部位，以提升服装的稳定性和舒适性。通过面料成分的配比改变面料的性能，进而改善服装穿着体验。

2.2 智能配件引入

智能服装应用的关键技术主要有传感技术，数据传输、处理与存储技术，智能纤维与纺织品三大类[12]。其中，智能服装实现智能化的关键是传感技术，这一技术能将人和机器连接起来[13]。目前，传感器技术的发展方向由微型化转向了柔性化，更加适合与服装的结合。

肌电信号（Electromyography，EMG）是在时间和空间上众多肌纤维中运动单元电位（MUAP）的叠加。皮肤表面的综合活动由浅层肌肉EMG和神经干上电活动产生的表面肌电信号（Surface Electromyography，sEMG）反映。sEMG与针电极EMG相比，在测量方式上具有非侵入性、操作简单并且对人体无创伤的优点。基于sEMG信号的肌疲劳分析重点在于线下数据处理与分析，有学者通过肌肉纤维传导速度实现评估局部肌疲劳的功能，此低功耗可穿戴设备同时也可改善肌疲劳分析系统穿戴不便的问题；还有学者设计了一款可穿戴设备，能够基于sEMG信号频域参数来评价肌疲劳；郭旻[14]通过计算sEMG信号的积分肌电值和中值频率来分析肌肉疲劳状态；糜超等[15]利用sEMG信号参数的时域特征值，通过机器分类识别是否为肌疲劳状态。该类可穿戴设备大多应用于医院，日常适用性不高。尽管目前基于sEMG信号的肌疲劳分析研究已有一定进展，但对实现局部肌肉疲劳实时监测与分析的研究成果较少，且未在服装领域得到充分应用。

国内{ED0039}六导联肌肉电模块，包括前端的模拟电路采集与后端的熟悉信号滤波处理。前端采集电路通过1～6通道采集人体核心力量区域肌肉电信号，将EMG信号经过一系列的放大与滤波，中端可通过开关输出信号，后端采用与六导联肌肉点模块配套的开发套件采集中端的输出信号，控制发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）灯，实现由LED灯快速参考EMG信号强度。运用六导肌肉电传感器套件，将传感器通过电极片与人体肌肉相连，捕捉肌肉产生的EMG信号。连入程序转化为多个脉冲，肌肉活动越强，程序向电脑发送的脉冲越多。另外，相比于其他通道数量较小的传感器，六通道具有高效采集的优势，有助于后期数据的比较处理。

sEMG为基于可监测肌肉疲劳功能的瑜伽服提供了有效的数据反馈，可实现实时监控，发挥无创伤、非侵入人体的实时监控功能[16]。加入预警传感器，可以智能自主地对外界刺激作出调节反馈，实现瑜伽服智能化。

3 智能瑜伽服评价方法

随着生活水平的提升和健康意识的强化，人们对瑜伽服舒适性的要求日益提高。瑜伽服的舒适性可以分为热湿舒适性、接触舒适性和视觉舒适性。其中，热湿舒适性是研究中常用来评价瑜伽服舒适性的一项重要指标。

3.1 主观评价

服装热湿舒适性的主观评价是指受试者穿着不同的服装在不同温湿度环境下，对服装舒适性指标进行主观评价。

林温妮等[17]分析不同服装结构设计和制作材料对鞋垫舒适性的影响，使用鞋垫舒适性主观评价方法，指出综合生理学和心理学评价可得到较为可靠的评价结果。Fanger[18]在研究中使用语义差异标尺法。语义差异标尺法由一系列两极比例标尺指标构成，每个标尺指标都是由一组两级词组成，分别限定于若干分开条目的5～7个比例标尺上。Fanger根据预期平均评价和预期不满意率指标建立了新的热湿舒适性标尺，该标尺为《ISO 7730 舒适热环境条件—表面热舒适程度的PMV和PPD指标》奠定了基础。

3.2 客观评价

服装热湿舒适性的客观测试是利用各种指标的定量测试结果来反映这一概念。孙岑文捷等[19]每隔5分钟对耳道温度、皮肤温度、心率、出汗量、蒸发率以及前后躯干衣下湿度进行测量，通过3种面料的对比得出，具有通风孔设计的服装能显著促进人体汗液蒸发，降低衣下湿度。郝存英[20]对体核温、心率、平均皮肤温度等进行客观测评，研究表明运动文胸的穿着形成不同的衣下空气层，导致躯干各局部位置皮肤温度变化存在差异，衬垫的选择直接影响了胸部皮肤温度的降低幅度，进而影响热湿舒适性。吴梦琪等[21]运用模糊综合法对面料的热湿舒适性能进行客观评价，结果表明，吸湿速干涤纶纤维和咖啡碳纤维作为面纱时，织物具有良好的吸湿速干性；平针组织、网眼组织织成的、以咖啡碳纱线为原料的织物热湿舒适性综合评价较好。研究结果为后续紧身运动无缝针织服装的开发提供了参考，具有实际意义。舒适性是人体的主观感觉，因此，客观数据必须与主观评价法结合，才可以准确反映服装的舒适性[22]。