探究可穿戴技术在纺织服装中的应用研究进展

2021-12-30王丽霞

轻纺工业与技术 2021年7期

王丽霞

（1.邢台职业技术学院，河北邢台 054000；2.河北省服装个性化定制技术创新中心,河北邢台 054000）

0 引言

可穿戴设备具体指能够直接穿戴的智能设备，是能够整合到服装或软性材料中的电子产品。而可穿戴技术则指通过融合信息技术、材料技术，根据移动互联网及大数据技术对人体数据进行反馈、处理与收集，而形成的技术类别。所以可穿戴设备的发展与应用，离不开互联网电子技术的研发与推广。当前市场所流行或已有的穿戴商品主要以“戴”为主，譬如智能眼镜、智能手表和智能手环等，这类产品能够更好地传递和搜集信息，满足用户的基本需求。但能够长期穿戴、可折叠和舒适柔软的柔性穿戴设备却相对较少。为此，以柔性穿戴材料和设备为主，探究纺织服装中穿戴技术的应用研究进展[1]。

1 纺织服装中可穿戴设备的应用

纺织服装与穿戴设备的融合发展，源于20 世纪末，但当时的可穿戴商品功能单一且体积较大，缺乏便携性和灵活性。而在商品制造、研发及应用的过程中，智能纺织品作为电子器件的安装载体，被广泛应用在航空航天、军事及医疗等领域。在科学技术得到快速发展的21 世纪初，伴随互联网技术的发展与普及，可穿戴设备逐渐被社会大众所熟知和接受，切实满足受众的娱乐需求与通信需求[2]。

2 柔性穿戴材料、设备及工艺

柔性穿戴设备的研发与应用主要经历了刚性化、柔性化及智能化3 个阶段。而在智能化发展的过程中，研发人员能够紧密结合现代计算机互联网应用技术的发展成果，使智能纺织品拥有多元化的“数字功能”。通常来讲，新型材料的应用与推广，能促使新的制作工艺与元器件兴起或出现。譬如半导体材料决定了微电子产品只能以平面玻璃或硅基板为材料。而在制作这类电子设备时，相应的光刻技术又得到了快速的发展。20 世纪60 年代初，通过对有机材料的性能研究发现，刚性基板能够很好地被柔性基材所替代，而将光刻工艺替代为溶液工艺，则能够切实地降低制造成本，提高生产质量，推动柔性电子工艺的快速发展。在智能纺织服装领域，人们除了要确保产品拥有可机洗与柔软坚韧的特性外，还需要使其拥有较强的信号传输与接收功能。

如今，各国学者和专家，开始不断加强对导电纤维的研究与开发。而导电纤维通常有“经处理后导电”与“直接导电”两种类型，其中直接导电的导电纤维通过直接切削和拉丝后，能够获得导电性能较强的高分子纤维。但这类纤维舒适度较差、硬度较大，需要与传统的纤维物融合起来进行加工。而经过处理后的导电纤维，譬如经过喷涂涂层、掺杂碳黑或融入金属物质的导电纤维，虽然能够切实推动服装面料与穿戴技术的有机融合，然而需要着重考虑其自身的耐水洗和力学强度等问题。现阶段，主要应用在智能服装中的柔性材料有聚合物、织物、纱线与纤维等物质。其类型可分为金属、导电涂料和绝缘材料等，制作方法有喷涂、旋涂、3D 打印、沉积、纺丝、掺杂、电镀及化学镀等，虽然在某种程度上，柔性材料能够切实解决传统刚性器件所存在的问题，然而在实际应用中，还需要解决自身所存在的拉伸性、舒适性、力学性、稳定性和粘附性等问题[3]。

3 柔性穿戴设备的基本类型

3.1 信号感应装置

3.1.1 传感器

通常来讲，传感器能够将环境信号与生理信号转变为特定的电子信号，以此为电子系统与用户之间的联系提供接口。而被广泛应用在柔性穿戴服装中的传感器具体包括动作传感、生物传感及环境传感等类别，且有柔性和刚性之分。然而在工艺技术与网络技术日渐完善的过程中，刚性传感却逐渐成为智能服装研发的主流。虽然“刚性传感”拥有较强的电学性能，可以切实提高信号传播的质量。然而却存在不易弯曲、强度大等不足。难以在复杂的服装表面进行感应与监测，严重影响到感应器的应用范围。而柔性技术以其独有的柔性特征，能提升传感器的质量，使其更加契合智能服装对舒适度的要求。

20 世纪80 年代，金属纤维逐渐被应用在服装行业中，并以其可弯曲性与导电性，使金属复合纱线融入到传感器的研发与应用中，切实改善并解决了传感器所存在的柔软度问题。而薄膜技术、有机材料与纳米材料的应用，能够制作出诸多拥有导电性能的薄膜、织物及纱线，使传感器的制备类型呈现出多元化、多样化的发展特征。不过大部分的柔性传感器装置，还处在研发阶段，缺乏实践基础。需要通过材料革新与技术革新的方式对其进行改进，此外，还需要从微型化的角度对其进行改进。唯有如此，才能更好地应用在纺织领域。

3.1.2 电极

智能服装中的电极通常是用于收集用户的生物信号，优化智能服装功能的装置。传统的电极主要采用黏贴式的湿电极来提高装置的柔软性，使装置更切合人体力学的基本要求。但在实际的应用中却发现，电极中的化学成分，容易刺激皮肤，降解其产生的电能，难以切实发挥电极应有的功能和作用，所以在后来的研究与应用中，干电极逐渐成为柔性穿戴设备的制备主流，并以其独有的透气、舒适及柔软的优势，得到广泛的应用。但在纺织领域的应用程度较低，并没有得到较为广泛的应用[4]。

3.2 能量收集装置

3.2.1 电池

电池是柔性穿戴服装及装备的关键部件，能够为穿戴设备提供充足的能量支持。然而现有的穿戴设备所装配的电池主要以尺寸多变、质量轻的聚合电池为主，在制作成本和续航能力上存在明显的弊端。而结合智能服装对设备柔性的要求，越来越多的柔性电池应运而生，并被广泛地应用在可穿戴服装中。在制作材料上，柔性电池主要有碳纤维、碳纸、聚合物、石墨烯和纳米管等。而在可变形电池研发中，相关专家及学者能够通过纺织、层压、沉积、喷涂、打印等技术，形成具有较高柔软度的柔性电池。韩国LG 公司曾开发了扭转与弯曲能力较强的电池材料，通过在隔膜中灌注充足的电解液，使电池拥有较强的弯曲能力，不仅能够为弯折手机的研发带来希望，还能切实改善穿戴设备的电池问题。而在纺织领域，可穿戴电池却存在防水、放热及折旧层面上的问题，需要进行进一步的技术优化。

3.2.2 自供电设备

自供电设备主要指能够通过呼吸能、热能、风能、光能及动能供电的方式，为可穿戴设备提供电能的装置。相较于电池装置，自供电装置的应用范围更广，发展方向更好。然而该技术的研究难点和应用重点依旧局限在能量采集和管理的层面上，即如何获得充足的、能够驱动穿戴设备正常运转的电能。而在电能收集的过程中，则应该关注如何管理电能，并确保电能不溢出、不泄露。德国学者Thomas 在自供电研究的过程中，提出“即采即用”的理念，即在降低装置能耗的基础上，使其采集的“电能”能够被充分地应用在电子装置中。虽然这种设想可以解决自供电电能存储的问题，却严重限制了电子装置的功能发挥。而美国学者egaln 则提出以电容器为主的电能管理理念，即通过优化电容器的方式，提高电能的收集与管理质量。