智能服裝有哪些(智能服裝工廠)

光明日報記者詹元光明日報通訊員楊順喜

一件衣服可以感知人體發(fā)出的“警報”，提高運動員成績，彈出氣囊防止老人摔倒，使人不怕冷熱變化，保持恒溫環(huán)境。人體……這可能嗎？憑借機(jī)械摩擦、生物力學(xué)和材料科學(xué)等高科技的加持，智能服裝使這些成為可能。近日，記者采訪了長期致力于智能服裝研究的北京服裝學(xué)院教授劉莉等專家，請他們揭秘新型高科技服裝能給我們帶來哪些驚喜。

能夠感知人體微妙的“警報”

鍍銀纖維、記憶金屬纖維、導(dǎo)電纖維，這些新興的織物電子材料現(xiàn)已融入到服裝中，與生理測量、軍事應(yīng)用等相結(jié)合，產(chǎn)生了大量的研究成果和成熟的智能服裝。劉莉介紹，智能服裝的研發(fā)最早源于軍事應(yīng)用，最典型的是基于智能紡織品的機(jī)械外骨骼。然而，如今，智能服裝的研究已不僅僅局限于軍事應(yīng)用。智能服裝還應(yīng)用于可穿戴健康檢測、競技運動能力提升、智能生活、時尚科技等領(lǐng)域。

其中，可穿戴健康檢測領(lǐng)域的智能服裝設(shè)備由中央處理器、生物傳感器等組成，當(dāng)患者出現(xiàn)血壓或血氧飽和度緊急情況時，智能服裝的檢測系統(tǒng)會接收并放大這些數(shù)據(jù)。異常信號，過濾無關(guān)信號，然后傳輸?shù)街醒胩幚韱卧?，中央處理單元將發(fā)出救援呼叫。車輛或采取其他救援措施。

在可穿戴健康檢測智能服裝中，非常重要的一部分就是生物傳感器，它應(yīng)用了人機(jī)交互、智能傳感等先進(jìn)技術(shù)。生物傳感器嵌入衣服中并靠近人體皮膚工作。它們可以敏銳地捕捉你身體上的各種生物信號，然后將這些生物信號轉(zhuǎn)換成機(jī)器可以識別的語言，并檢測其中的細(xì)微變化。它就像隨身攜帶一位家庭醫(yī)生，能夠及時響應(yīng)身體發(fā)出的各種細(xì)微“警報”，做出相應(yīng)的診斷。

在人們越來越注重健康的環(huán)境下，佩戴便攜式“家庭醫(yī)生”非常流行。多個國家的多個實驗室開展了可穿戴健康檢測智能服裝的研發(fā)。例如，早在2003年至2009年，歐盟就支持MyHeart項目的發(fā)展，該項目旨在通過預(yù)防和早期診斷來對抗心血管疾病。該設(shè)備設(shè)計得像背心。“衣服”一側(cè)有六個感應(yīng)點，位于胸部周圍，可以準(zhǔn)確感應(yīng)并收集與穿著者心臟相關(guān)的數(shù)據(jù)。

除了日常生活中的應(yīng)用，可穿戴健康檢測智能服裝還可以應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。2011年，加拿大一家公司應(yīng)加拿大國家航天局的要求開發(fā)了Bio-Monitor項目，專門檢測宇航員的血壓、血氧飽和度、呼吸、運動等數(shù)據(jù)。它已于2019年在太空中使用。當(dāng)宇航員穿上這種“衣服”時，這種“衣服”可以直接從太空接收數(shù)據(jù)并更快地進(jìn)行分析，而不會干擾宇航員的日?；顒樱瑥亩鵁o需進(jìn)行專門的健康檢測。

雖然這些可穿戴智能衣服有很多優(yōu)點，但高功耗的問題也不容忽視。為此，一種將充電器“佩戴”在身上的好方法就出現(xiàn)了，這就是摩擦納米發(fā)電機(jī)。該發(fā)電機(jī)利用接觸起電和靜電感應(yīng)效應(yīng)，將佩戴者的低頻人體運動轉(zhuǎn)化為高壓電輸出，實現(xiàn)從機(jī)械運動到交流電的能量轉(zhuǎn)換。當(dāng)佩戴者行走或跑步時，設(shè)備收集摩擦產(chǎn)生的靜電，供給到身上的可穿戴健康檢測設(shè)備。手臂內(nèi)側(cè)，衣服容易摩擦的地方還放置了獨立電源，延長待機(jī)時間，不用擔(dān)心設(shè)備沒電。該技術(shù)現(xiàn)在可以應(yīng)用于可穿戴智能服裝。

可以提高競技運動能力

另一種智能服裝的開發(fā)致力于提高人體的運動能力。“如果你能通過技術(shù)提高一秒，那么你就永遠(yuǎn)無法通過訓(xùn)練?！边@是英國國家自行車隊科學(xué)總監(jiān)伊格爾漢姆的名言。對于當(dāng)前世界競技體育強(qiáng)國來說，科技含量高的體育裝備已經(jīng)成為提高比賽成績的主要途徑之一。最著名的是1998年長野冬奧會，荷蘭運動員穿著“尖跟”溜冰鞋在1000米比賽中奪得金銀牌。游泳運動員菲爾普斯則憑借“鯊魚皮”泳衣打破了多項世界紀(jì)錄。他的泳衣模仿了鯊魚皮的結(jié)構(gòu)。鯊魚皮表面粗糙的V形皺紋可以大大減少水流的摩擦力，引導(dǎo)周圍的水流，減少水的阻力，使游泳速度提高3%至7.5%。

就競技運動服的“科技含量”而言，我國并不具備優(yōu)勢。為了提高我國競技運動服裝品質(zhì)，備戰(zhàn)北京冬奧會，劉莉團(tuán)隊從源頭抓起，從面料研發(fā)，到服裝結(jié)構(gòu)，再到整體服裝和運動員測試，這花了兩年時間。

以“減阻服”為例。這類服裝從材料端到成衣有一個很長的鏈條。在制作減阻服裝時，首先需要應(yīng)用壓差機(jī)制來減阻。這從空氣動力學(xué)的數(shù)字模擬分析入手，利用CFD算法分析空氣阻力，為服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)。

接下來，需要編織減阻織物。冰雪運動需要具有微結(jié)構(gòu)的減阻織物。首先，采用計算機(jī)模擬成型，并采用3D打印和膠印技術(shù)制造出具有坑式機(jī)構(gòu)的織物。對凹坑的深度和密度進(jìn)行了一系列研究。他們甚至嘗試使用激光雕刻在織物上雕刻凹坑形狀。最終，多種制造方法被運用在冬奧會運動員的“作戰(zhàn)服”上，以保證他們的表現(xiàn)。

隨著高科技面料的出現(xiàn)，開始對面料和服裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步篩選，這就需要開發(fā)大量針對目標(biāo)運動員的1:1人體模型測試工具，代表運動員在風(fēng)洞中接受實驗。

劉力表示，風(fēng)洞曾經(jīng)是工程技術(shù)，專門適用于制造飛機(jī)、汽車、建筑等工程領(lǐng)域，但很少應(yīng)用于運動服裝領(lǐng)域。這也是我國首次利用風(fēng)洞專門進(jìn)行運動員訓(xùn)練和裝備研發(fā)。

劉力團(tuán)隊進(jìn)行了1000多個小時的風(fēng)洞測試。冰雪運動中最重要的阻力是空氣阻力。通過減少空氣阻力，運動員可以在相同的驅(qū)動力下達(dá)到更高的速度。從技術(shù)上來說，服裝減阻可以分為兩個大方向：運動員姿勢減阻和裝備減阻。姿勢減阻就是通過運動員一些不參與發(fā)力的肢體和姿勢來降低整個人的形狀阻力，或者叫壓差阻力。服裝減阻分為壓差阻力和摩擦阻力兩部分。一些臥式運動，例如有舵雪橇和雪橇，可能會涉及一些摩擦阻力。

設(shè)計師主要通過調(diào)整服裝的表面形貌，設(shè)計服裝表面的微觀結(jié)構(gòu)來干擾局部阻力，使其局部雷諾數(shù)提高到臨界雷諾數(shù)以上。雷諾數(shù)是描述湍流狀態(tài)的常數(shù)。其特點是當(dāng)雷諾數(shù)增大到臨界雷諾數(shù)時，其阻力系數(shù)將發(fā)生顯著變化。目前，通過提高雷諾數(shù)，可以實現(xiàn)5%~10%的減阻效果。

最終，這些衣服在很多指標(biāo)上都超過了從海外訂購的衣服。也就是說，自主研發(fā)的運動服明顯優(yōu)于國外生產(chǎn)的最新運動服。在“科技”的幫助下，運動員的服裝得到了很大的改進(jìn)。這綜合了機(jī)械摩擦學(xué)、生物力學(xué)、材料科學(xué)等學(xué)科，是集體研究的成果。

可防止老人跌倒并保持恒溫恒濕

智能服裝在日常生活中有哪些用途？能否制作出彈出安全氣囊的服裝，防止老人跌倒，或者能否制作出可以防止整天穿著一件衣服出汗的恒溫服裝？

劉莉說，防摔服和恒溫服都是他們團(tuán)隊研發(fā)的智能服裝。跌倒對老年人的健康乃至生命影響很大。在老年人防摔服方面，劉莉團(tuán)隊與航天領(lǐng)域?qū)＜液献?，開展相關(guān)研發(fā)。航天專家開發(fā)了氣囊彈射算法，劉力團(tuán)隊負(fù)責(zé)服裝的整體功能設(shè)計，使其更方便、設(shè)計更成熟。

對于恒溫服裝，與劉麗合作的天津工業(yè)大學(xué)教授劉浩表示，溫度和濕度是相關(guān)參數(shù)。如果溫度高，濕度也高，人的體驗就會差，所以必須制作恒溫恒濕的服裝。對于服裝來說，可以采用吸濕快干纖維，降低服裝內(nèi)部的濕度，提高穿著舒適度。

另一個方面是平衡溫度。對于保暖問題，環(huán)境溫度低時需要加熱，環(huán)境溫度高時需要制冷。加熱的方法有很多種，比如利用電熱元件釋放熱量，保持人體溫度穩(wěn)定。此外，還有降溫服裝，可以在溫度較高的環(huán)境中吸收陽光，從而降低人體的感知溫度。反過來，如果佩戴的話，可以增加身體的溫度。在冷卻方面，另一種方法是水冷，即利用水管降溫，但這會增加衣服的體積或重量，影響穿著的舒適度。另一種是采用半導(dǎo)體制冷芯片來降低溫度，但問題是制冷的同時，制冷芯片的另一面卻在升溫，這會消耗大量的能量。還有空氣冷卻，這意味著安裝風(fēng)扇來冷卻衣服內(nèi)部。但總體來說，目前還沒有找到特別好的解決方案，可以讓服裝變得涼爽、舒適、輕便、高效。

劉浩表示，未來可以從兩個方面入手。首先是提高服裝面料的導(dǎo)熱性能。二是設(shè)計一種能讓服裝快速散熱的結(jié)構(gòu)。但溫度只能在有限的范圍內(nèi)升降。目前這方面研究的阻力在于，在一些極低溫環(huán)境下，織物吸收紅外光或反射紅外光可能達(dá)不到恒溫要求，特別是在負(fù)20甚至負(fù)40的環(huán)境下。~50。在極寒條件下，目前能想到的解決方案是增加服裝材料的熱阻，通過外部能量的輸入來維持人體與服裝之間的恒溫。在保溫方面，目前主要是通過加熱片來進(jìn)行加熱，但目前的技術(shù)水平無法實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)，必須手動調(diào)節(jié)溫度。

期待更輕、可折疊、可清洗

在劉莉看來，智能服裝未來的發(fā)展仍然存在技術(shù)與設(shè)計如何協(xié)調(diào)融合的問題。作為科研人員，在關(guān)注技術(shù)突破的同時，未必能夠更多地關(guān)注消費者的需求。然而，服裝設(shè)計師在設(shè)計產(chǎn)品時大多以利潤為先，缺乏創(chuàng)新和遠(yuǎn)見。

具體來說，在科學(xué)研究方面，智能服裝所使用的智能材料應(yīng)將紡織品的耐洗性、耐用性與電子產(chǎn)品的智能性結(jié)合起來。這就需要開發(fā)更加小型化和柔性化的電子元件。當(dāng)這些電子元件更好地集成到紡織品中時，可以避免電子設(shè)備因重復(fù)使用或洗滌而造成的磨損和老化。同時，研發(fā)人員應(yīng)重點開發(fā)減輕用戶穿著負(fù)擔(dān)的產(chǎn)品，將“智能”從重變輕、從有形轉(zhuǎn)變?yōu)闊o形、從感官轉(zhuǎn)變?yōu)闊o感，真正與服裝融為一體。本身可以隨意折疊?？汕逑?，并且像普通衣服一樣易于護(hù)理。

另一個突出的問題是智能服裝的穩(wěn)定性和耐用性。前面提到的附著在衣服上的納米發(fā)電機(jī)存在這樣的問題：當(dāng)外部環(huán)境變得潮濕時，氧化鋅的導(dǎo)電能力會下降，衣服產(chǎn)生摩擦電的效率會大大降低。據(jù)悉，負(fù)責(zé)納米發(fā)電機(jī)設(shè)計的中科院外籍院士、中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所所長王忠林研究團(tuán)隊正在開展一項研究。使這種“發(fā)電纖維”即使在潮濕的洗衣房也能正常工作的方法。工作。

此外，如何讓智能服裝在生產(chǎn)和使用階段綠色無污染，也是需要考慮的問題。與現(xiàn)階段大力倡導(dǎo)綠色經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展、建設(shè)環(huán)境友好型社會相悖，智能服裝中使用的各種部件以及智能服裝的加工生產(chǎn)存在污染環(huán)境的有害因素。與此同時，紡織品回收也是一個難題。在智能服裝未來的發(fā)展趨勢中，設(shè)施的供電方式從傳統(tǒng)的電池轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)保的光伏供電、壓電供電是大勢所趨。同時，智能服裝的各種部件和面料必須在后期進(jìn)行高效回收。

劉力表示，智能服裝目前有著廣闊的市場前景，但這一新興技術(shù)發(fā)展過程中的各種問題仍然不容忽視。不過，她相信，隨著電子馬達(dá)、計算機(jī)軟件等技術(shù)的發(fā)展，智能服裝在不久的將來將會流行起來。

《光明日報》（2022年8月11日第16版）