智能服裝，有多智能

　　光明日?qǐng)?bào)記者 詹 媛 光明日?qǐng)?bào)通訊員 楊順璽

　　一件衣服，能感受人體發(fā)出的“警報(bào)”，能提高運(yùn)動(dòng)員的比賽成績(jī)，還能彈出氣囊防止老人跌倒，讓人不怕冷、熱變化，維持人體恒溫環(huán)境……這，可能嗎？有機(jī)械摩擦、生物力學(xué)、材料學(xué)等高科技加持，智能服裝讓這些皆有可能。近日，記者采訪了長(zhǎng)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，讓他們一起揭秘融入高科技的新型服裝，能為我們帶來(lái)哪些驚喜。

　　能感受人體微乎其微的“警報(bào)”

　　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，如今已被融入到服裝中，與生理測(cè)量、軍事應(yīng)用等相結(jié)合，產(chǎn)生了大量研究成果和成熟的智能服裝。據(jù)劉莉介紹，對(duì)智能服裝的研發(fā)最早起源于軍事應(yīng)用， 最典型的是以智能紡織品為基礎(chǔ)的機(jī)械外骨骼。然而，時(shí)至今日，對(duì)于智能服裝的研究早就不局限于軍事用途，可穿戴健康檢測(cè)、提升競(jìng)技運(yùn)動(dòng)能力、智能生活和時(shí)尚科技等領(lǐng)域都有智能服裝的“身影”。

　　其中，在可穿戴健康檢測(cè)領(lǐng)域的智能服裝裝置，由中央處理單元、生物傳感器等構(gòu)成。當(dāng)病人出現(xiàn)血壓或者血氧飽和度突發(fā)狀況時(shí)，智能服裝的檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)接收且放大這些異常的信號(hào)，并對(duì)無(wú)關(guān)信號(hào)進(jìn)行過濾，再傳導(dǎo)向中央處理單元，由中央處理單元做出呼叫救護(hù)車或者采取其他救治措施的處理。

　　在可穿戴健康檢測(cè)智能服裝中，非常重要的一環(huán)是生物傳感器，它應(yīng)用了人機(jī)交互和智能傳感等先進(jìn)技術(shù)。生物傳感器被植入服裝之中，貼近人的皮膚發(fā)揮作用，它可以敏銳地捕捉你身體上的各種生物信號(hào)，再將這些生物信號(hào)轉(zhuǎn)化成機(jī)器能識(shí)別的語(yǔ)言，并發(fā)現(xiàn)其中細(xì)微的變化。它就好像隨身攜帶一個(gè)家庭醫(yī)生，可以及時(shí)響應(yīng)你身體發(fā)出的各種微乎其微的“警報(bào)”，做出相應(yīng)的診斷。

　　穿上一個(gè)便攜的“家庭醫(yī)生”，在人們愈加重視健康的大環(huán)境下，很受歡迎。已有多個(gè)國(guó)家的多家實(shí)驗(yàn)室都開展了可穿戴健康檢測(cè)智能服裝的研發(fā)。例如，早在2003年～2009年，歐盟就支持研發(fā)了MyHeart項(xiàng)目，旨在通過預(yù)防和早期診斷來(lái)對(duì)抗心血管疾病。這件設(shè)備設(shè)計(jì)成一件背心的樣子，在“衣服”的一面有六個(gè)感應(yīng)點(diǎn)，位于胸腔的周圍，可以準(zhǔn)確感知收集穿戴者心臟的相關(guān)數(shù)據(jù)。

　　除了日常生活中的應(yīng)用，可穿戴健康檢測(cè)智能服裝還可用于航空航天領(lǐng)域。2011年，加拿大一家公司應(yīng)加拿大國(guó)家航天局的要求研發(fā)Bio-Monitor項(xiàng)目，專門檢測(cè)航天員血壓、血氧飽和度、呼吸、運(yùn)動(dòng)等數(shù)據(jù)，在2019年已應(yīng)用于太空。這件“衣服”穿在航天員身上，可以直接從太空接收數(shù)據(jù)，更快進(jìn)行分析，并且不干擾航天員的日�；顒�(dòng)，省去了專門進(jìn)行健康檢測(cè)的時(shí)間。

　　這些可穿戴的智能服裝固然有很多優(yōu)點(diǎn)，但是耗電量大的問題也不可忽視。為此，還出現(xiàn)了將充電器“穿”在身上的好方法，這就是摩擦納米發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)利用接觸起電和靜電感應(yīng)效應(yīng)，將穿戴者的低頻人體運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為高壓電輸出，實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)到交變電流的能量轉(zhuǎn)換，穿戴者在走路跑步的時(shí)候，裝置會(huì)收集摩擦產(chǎn)生的靜電，供應(yīng)給身上的可穿戴健康檢測(cè)設(shè)施。在衣服比較容易產(chǎn)生摩擦的胳膊內(nèi)側(cè)等位置，還放置獨(dú)立電源，用于延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間，不用擔(dān)心設(shè)施電量耗盡，這一技術(shù)目前已可應(yīng)用在可穿戴智能服裝上。

　　能提高競(jìng)技運(yùn)動(dòng)能力

　　另一類智能服裝的研制，則致力于提高人體的運(yùn)動(dòng)能力。“如果可以通過科技提高1秒，那么就絕不通過訓(xùn)練”。這是英國(guó)國(guó)家自行車隊(duì)科研主管依格漢姆的名言。對(duì)于當(dāng)前世界競(jìng)技體育強(qiáng)國(guó)而言，科技含量高的運(yùn)動(dòng)裝備，已經(jīng)成為提高比賽成績(jī)的主要途徑之一。最著名的有1998年長(zhǎng)野冬季奧運(yùn)會(huì)，荷蘭選手穿著“斷跟”的冰刀，在1000米比賽中奪得金牌和銀牌。還有游泳健將菲爾普斯憑借“鯊魚皮”泳衣打破了多項(xiàng)世界紀(jì)錄。他的泳衣模仿了鯊魚皮膚的結(jié)構(gòu)，鯊魚皮膚表面粗糙的V形皺褶可以大大減少水流的摩擦力，能引導(dǎo)周圍的水流，減少水阻力并提高游進(jìn)速度3%～7.5%。

　　在競(jìng)技運(yùn)動(dòng)服裝的“科技含量”上，我國(guó)曾經(jīng)并不占優(yōu)勢(shì)。為了提升我國(guó)競(jìng)技體育運(yùn)動(dòng)服的品質(zhì)，迎戰(zhàn)北京冬奧會(huì)，劉莉團(tuán)隊(duì)從源頭做起，從研發(fā)面料開始，到服裝的結(jié)構(gòu)，到整體服裝、運(yùn)動(dòng)員測(cè)試，整體經(jīng)歷兩年的時(shí)間。

　　以“減阻類服裝”為例。這類服裝從材料端到成衣，是很長(zhǎng)的鏈條。在制作減阻服裝時(shí)，首先需要應(yīng)用壓差減阻的機(jī)理。這要從空氣動(dòng)力學(xué)的數(shù)字模擬分析入手，通過CFD算法來(lái)對(duì)空氣阻力進(jìn)行分析，為設(shè)計(jì)服裝的結(jié)構(gòu)提供基礎(chǔ)。

　　接下來(lái)，需要織造減阻面料。冰雪運(yùn)動(dòng)需要的是具有微結(jié)構(gòu)的減阻面料。首先用計(jì)算機(jī)仿真成型，使用3D打印和膠印的方式，制造出凹坑型機(jī)理的面料，凹坑深度、密度都做了系列研究，甚至還嘗試用激光雕刻在面料上刻出凹坑形狀。最終在冬奧運(yùn)動(dòng)員們的“戰(zhàn)服”上，多種制造方式都被采用，保證了其性能。

　　有了高科技的面料，就開始進(jìn)行面料與服裝結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步篩選，這需要開發(fā)大量以目標(biāo)運(yùn)動(dòng)員為對(duì)象的1∶1人體模型測(cè)試工具，代替運(yùn)動(dòng)員在風(fēng)洞里接受實(shí)驗(yàn)。

　　劉莉介紹說(shuō)，風(fēng)洞以前是工程技術(shù)手段，專門適用于制造飛機(jī)、汽車以及建筑等工程領(lǐng)域，應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)服上是比較少的。這也是我國(guó)首次利用風(fēng)洞來(lái)專門進(jìn)行運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練和裝備研發(fā)。

　　劉莉團(tuán)隊(duì)開展了1000個(gè)小時(shí)以上的風(fēng)洞測(cè)試。冰雪競(jìng)技運(yùn)動(dòng)最主要的阻力是空氣阻力，通過減少空氣阻力，讓運(yùn)動(dòng)員在相同的驅(qū)動(dòng)力下，能夠達(dá)到更高的速度。從技術(shù)上說(shuō)，服裝減阻分為運(yùn)動(dòng)員的姿態(tài)減阻和裝備減阻兩個(gè)大方向，姿態(tài)減阻是通過運(yùn)動(dòng)員不參與發(fā)力的一些肢體和一些姿態(tài)來(lái)減小整個(gè)人的形狀阻力，或者叫作壓差阻力。而服裝減阻又分為壓差阻力和摩擦阻力兩大部分。一些臥姿的運(yùn)動(dòng)，例如鋼架雪車和雪橇，可能會(huì)包含一部分的摩擦阻力。

　　設(shè)計(jì)人員主要通過調(diào)整服裝的表面形貌，對(duì)服裝表面的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)來(lái)對(duì)局部阻力進(jìn)行干擾，把它局部的雷諾數(shù)提升到臨界雷諾數(shù)之上。雷諾數(shù)是描述湍流狀態(tài)的一個(gè)常數(shù)。它的特點(diǎn)，是當(dāng)雷諾數(shù)增大到臨界雷諾數(shù)之后，其阻力系數(shù)會(huì)有一個(gè)顯著的變化。目前，通過提升雷諾數(shù)，可以達(dá)到5%～10%的減阻效果。

　　最終，這些服裝在多個(gè)指標(biāo)上超越從海外訂購(gòu)的服裝，也就是說(shuō)，自主研發(fā)的運(yùn)動(dòng)服，與國(guó)外最新生產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)服相比，明顯優(yōu)于海外的服裝。有了“科技”的助力，運(yùn)動(dòng)員的服裝有了很大的提升。這融合了機(jī)械摩擦、生物力學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科，是集體攻關(guān)的成果。

　　能防止老人跌倒、保持恒溫恒濕

　　對(duì)于日常生活而言，智能服裝有哪些用途呢？能否制作彈出氣囊防老人跌倒的服裝，或者能保證一天穿一件衣服冷、熱不出汗的恒溫服裝？

　　劉莉介紹說(shuō)，防跌倒的服裝和恒溫的服裝都是他們團(tuán)隊(duì)開發(fā)的智能服裝。跌倒對(duì)老年人健康甚至生命影響非常大，在面向老年人的防跌倒服裝方面，劉莉的團(tuán)隊(duì)協(xié)同航天領(lǐng)域的專家開展了相關(guān)的研發(fā)。航天專家開展氣囊彈出算法，劉莉團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)做整體的服裝功能性設(shè)計(jì)，讓它更便利，設(shè)計(jì)更成熟。

　　對(duì)于恒溫服裝，與劉莉合作的天津工業(yè)大學(xué)教授劉皓介紹說(shuō)，溫度和濕度是相關(guān)的參數(shù)，如果溫度高，濕度也高的話，人們體驗(yàn)感就會(huì)很差，因此要做一個(gè)恒溫恒濕的服裝，可以用吸濕快干纖維來(lái)使服裝內(nèi)部的濕度降低，改善穿著的舒適性。

　　另一個(gè)方面就是平衡溫度。針對(duì)保暖問題，環(huán)境溫度低就需要加溫，如果溫度高的話就要降溫。加溫有很多方法，如通過電能加熱元件來(lái)釋放出熱量，保持人體的溫度穩(wěn)定。此外，還有降溫服裝，可以在溫度較高的環(huán)境中，吸收太陽(yáng)光，從而降低人體的體感溫度，反過來(lái)穿的話，又可以升高人體的溫度。在降溫方面，還有一種方法是水冷，通過水管來(lái)降溫，但這會(huì)導(dǎo)致服裝的體積或重量增加，影響穿戴的舒適性。另一種是通過半導(dǎo)體制冷片來(lái)降低溫度，但問題是在降溫的同時(shí)，制冷片另一面是升溫的，消耗的能量會(huì)比較大。此外也有風(fēng)冷，即裝一個(gè)風(fēng)扇給服裝內(nèi)部降溫。但總體來(lái)說(shuō)目前尚未找到特別好的方案，能使服裝降溫又舒適又輕便，效率又高。

　　劉皓說(shuō)，未來(lái)可以從兩個(gè)方面著手，第一是改善服裝面料的導(dǎo)熱系數(shù)。第二是設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)讓服裝能夠快速導(dǎo)出熱量。但是溫度升高和降低都只能在一個(gè)有限的區(qū)間范圍內(nèi)。目前這方面研究的阻力，是在一些極低溫度的環(huán)境下，通過面料吸收紅外光或者是反射紅外光可能達(dá)不到恒溫的要求，尤其在零下20℃甚至到零下40℃~50℃的環(huán)境。在極寒情況下，目前能想到的處理方法是提高服裝材料的熱阻，還有可以通過外界能量的輸入，來(lái)保持人體與服裝之間溫度的恒定。在保溫方面，目前主要是通過加熱片來(lái)加熱，但現(xiàn)在的技術(shù)水平還無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能化調(diào)節(jié)，必須手動(dòng)調(diào)節(jié)溫度。

　　期待能更輕巧、可折疊、隨意洗滌

　　在劉莉看來(lái)，智能服裝在未來(lái)的發(fā)展中還存在科技與設(shè)計(jì)如何協(xié)調(diào)融合的問題。作為科研人員，專注技術(shù)突破的同時(shí)，可能無(wú)法做到更多從消費(fèi)者需求出發(fā)，而服裝設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)多以利潤(rùn)為先，缺乏創(chuàng)新性和前瞻性。

　　具體來(lái)說(shuō)，在科學(xué)研究方面，應(yīng)用于智能服裝的智能材料，應(yīng)該結(jié)合紡織品的可洗滌性和耐穿性以及電子產(chǎn)品的智能等特性，這就需要研發(fā)更加微型化和柔性化的電子元件，當(dāng)這樣的電子元件更好地集成于紡織品中，就能避免因多次使用或者洗滌造成的電子設(shè)備磨損和老化。與此同時(shí)，研發(fā)人員應(yīng)注重開發(fā)減少使用者穿戴負(fù)擔(dān)的產(chǎn)品，將“智能”化沉重為輕巧，化有形為無(wú)形，化有感為無(wú)感，真正實(shí)現(xiàn)與服裝本身融為一體，可以隨意折疊、洗滌，并像普通衣物一樣易于護(hù)理。

　　另一個(gè)突出問題，是智能服裝的穩(wěn)定性和耐久性。此前所說(shuō)的附著在衣服上的納米發(fā)電機(jī)就存在這樣的問題——當(dāng)外界環(huán)境變得潮濕時(shí)，氧化鋅的導(dǎo)電能力就會(huì)退化，衣服摩擦發(fā)電的效率會(huì)大大降低。據(jù)悉，負(fù)責(zé)納米發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)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(zhǎng)王中林的研究小組正在研究一種方法，以便使這種“發(fā)電纖維”即使在潮濕的洗衣房中也可以正常工作。

　　此外，如何在智能服裝的生產(chǎn)和使用階段做到綠色無(wú)污染，是一個(gè)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(huì)相矛盾的是，智能服裝中所使用的各種元件以及智能服裝的加工生產(chǎn)，存在著污染環(huán)境的危害因素。同時(shí),紡織品的回收也是一個(gè)比較棘手的問題。在智能服裝未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)中，設(shè)施的供電方式由傳統(tǒng)的蓄電池轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)保的光伏供電和壓電供電是大勢(shì)所趨。同時(shí),智能服裝的各個(gè)元件以及面料在后期都要保證高效率的回收。

　　劉莉表示，智能服裝目前具有廣闊的市場(chǎng)前景，但是這項(xiàng)新興技術(shù)在發(fā)展過程中的各種問題仍然不容忽視。不過，她相信隨著電子電機(jī)、計(jì)算機(jī)軟件等技術(shù)的發(fā)展，智能服裝會(huì)在不久的將來(lái)得到普及。