渐成主流的E—服装一瞥

刘冬梅

智能织物和可穿戴技术对研究人员、设计者和工程师来说，是一个独特而必要的对象，他们要通过跨学科和交互领域来研发纺织品及成衣产品，要通过整合传感、驱动、电子、能量等方面对纺织结构进行创新。由于智能织物具有功能多、穿着轻巧舒适的特点，被视为高生活品质的促进者和生物医学发展的推进者。它有利于促进医疗保健产业发展，有助于纺织、时尚和服装设计方面的学术研究。

随着微化电子学和信息学（计算机、微型传感器、信号处理、传输等）研究的新进展，多元、高智能、多功能的纺织品逐渐走入人们生活，衣服不仅要舒适并且具有满足不同需求的电子设备。

“电子交互纺织”技术已在数年前就从穿戴式计算机领域衍生出来。穿戴式计算装置已不再是新鲜的话题，但那种笨重而尴尬地附在人们身上的形式已成过去，取而代之的是触摸、声音和体温的相互作用。尽管如此，电子纺织业的研究仍方兴未艾。我们可以清楚地看到几个重要的研究方向，它暗示着那些应用软件在不久的未来将会引人注目。

现代E-服装

E-服装在过去就意味着电子产品附带在身体上，但今天的E-服装能为使用者提供很多方便应用的程序，并且与普通服装看上去没有两样，它天衣无缝地嵌入穿者所熟悉的服装，如衬衫，剩下所需要做的就是指导用户如何使用，并达到预期的目标。例如，合适的传感位置，能让穿者感觉不到它的存在。又如，把其中一个安置在腰带上或安放在人体某个指定需保护的部位。比起零散的部件配置，E-服装的优势在于，线路就是纺织纤维本身，线路不容易被打乱或纠缠悬挂在外，被周围的物品钩住。

当然，要想消费者接受，这些智能穿戴就必须时尚好看。他们还可把组件安置在连接纺织物的夹层，口袋和缝合处，同样也可安装在普通的部件上，例如纽扣、铆钉和拉链上。

不同于过去的工艺

智能穿戴促使电子元件进一步微型化，以便能分散地安装在整个纺织品上。这也意味着纺织品设计专家不再是传统意义上的设计师，而是既懂医学，又懂电子，还懂材料学和纤维，包括纺织服装和时尚的专家。现代织机已高度自动化，电脑控制，能高速运转。织机在织造时运用交叉技术即可在纤维制品嵌入传导性和传感性的元件。

导电涂层：用镍或铜作为纺织品涂层，利用其典型的化学反应导电是一个不错的解决方案。用电镀技术为一套制服镀上导电涂层，这在过去十分昂贵，但今天可以利用新技术降低成本。

汽化涂层：纺织品基底是开放性元素，可由汽化金属组成，典型的就是铝，浓缩之后覆盖在表层，形成涂层。汽化过程可产生各种不同厚度的涂层，导电程度也各不相同，同时相对薄一点的涂层正在研究中。

导电聚酯：若用常规方法，过程十分困难。纺织品基底的涂层都是具有传导性的高分子聚合物，例如聚苯胺就是很好的导电材料。目前，这些种类的聚合物用于具有传导性和抗静电的纱线、纤维和薄膜。其涂层的导电性比金属更强，持续性也好，无腐蚀。

炭化处理：这个过程用于制造一件服装，使其适应温度的变化，让体温变化范围在0.5摄氏度以内。这就涉及到要创建纺织炭化炉，温度保持在1000摄氏度，来制造导电的纺织品。

导电油墨：导电油墨技术为电子交互纺织的发展提供了另一选择。用该技术让产品互动，如T恤、语音图书、包装和墙纸都已申请专利。导电油墨技术即使弯折和洗涤也不会失去导电性。导电油墨目前应用于各类科技，如凹版、柔性版和旋转丝网印刷，可用辊把油墨涂在印刷基板上。

结合技术：早些时候，讨论监控健康的技术是为了创建智能纺织品，让它具有导电性能。包括输入和输出设备、传感器、电能是创建电子交互纺织所必需。输入设备，包括键盘、语音和手写识别系统，可开发出来录入电子交互纺织数据录入。输出技术，则包括阴极射线管（CRT）、液晶显示器（LCD）、镜面显示器和灵活的发光显示器。传感器就是个小型的电子设备，可接收和响应刺激，发送给和电子纺织功能相关的用户。可把它们融合到纺织基底里。

能源供给技术：通常由电池提供电量，激活电子纺织品中各类组件。近年来，电池变得更小，但电力却更充足，防水性（可洗的）更强，成本更低。一种由丝网印刷制作的氧化银膏，涂在基底上，生产出的电池只有120微米厚。太阳能和人体产生的能量，也被视为电子交互纺织技术的电源。

纤维材料：（A）自然导电纤维。自然导电纤维或导电金属纤维，可由导电的金属如铁合金、镍、钛、铝、铜和碳开发而来。金属纤维细薄，每根直径只有1～80微米或0.001到0.080毫米。在加工过程中，纤维从金属板的边缘掉落。但高导电金属纤维昂贵，且随着时间的推移，它们易碎的特性会损害设备。此外，它们比大多数纺织纤维重，且同质混合生产也十分困难。（B）人造导电纤维。导电纤维也可通过镀上金属，带电物质金属盐涂层，如铜硫化物、碘化铜等来导电。电涂料还可提供相对较高的导电率，但只适用于导电基体，如石墨和碳纤维等。考虑到制造业的复杂性和费用消耗，电镀涂层通常不用于纺织品。各种纤维镀上金属盐涂层，可用于传统的纺织工业。这些涂料只具有低导电率。这大大降低了织物的导电率。

组合方法

粘合，装订与连接：使用导电胶粘剂将组件插入到纺织基底。无毒、高导电、高弹性且非常灵活的导电胶，可以用于粘合刚性组件和灵活的纺织基板。当基片弯曲或曲折时，电路则可自由移动。组件也可贴在导电缝合处，形成纺织电力回路。然而，这样的弯曲，使连接基底组件的针，在纺织中加速磨损。加入电子组件的纤维纺织网框架可直接缝合在织物电路上。线程引导的电子元件可缝合、穿孔或编织，基底限制了组件的特定位置，让导电线程最终均衡。

传感器的位置：在某些应用程序中，例如，运动检测传感器或麦克风中，放置的传感器可让数据质量产生巨大的差异。应用程序的质量，往往取决于传感器数据的质量。例如，对耐磨面料中，扭转和弯曲布料，可改变传感器的相对位置。有的应用程序加入声音信号，其频率范围受制于两传感器之间的距离。

传感器的种类：（A）血压测量传感器。压力传感器用于感受血压变化，传感器和所有元件产生电信号的变化和压力的变化成正比。之后总检处会逐渐释放压力，跟随电流，直到检测到脉冲。压力传感器设备可读取血压变化，并把这些数据记录下来或进行转换。（B）体温测量传感器。热敏电阻对温度非常敏感，电阻值会随着温度变化。不像热电偶，热敏电阻的电阻值没有标准，与它的温度或扭曲程度相关。有两种主要类型的热敏电阻：正温度系数（PTC）电阻和负温度系数（NTC）电阻。正温度系数PTC热敏电阻，电阻会随温度的升高而增大。负温度系数NTC热敏电阻，电阻会随温度的升高而以非线性的方式下降。为了降低这种非线性因素，会将多个热敏电阻元素结合在一起。虽然热敏电阻比一些其他类型的温度传感器更准确，但它们有限定的温度范围。

测量心率的最简单方法是使用心率传感器。它通过指尖的维管组织和相应的光强度的变化来测量，光强度的变化则要通过组织中血容量的变化来体现。仪器简单实用，可以用来测量人的心跳，甚至测量更多其他频率。

不同于心电图仪（ECG）可监测心脏的电信号，心率传感器通过测量血管中红外透射率的变化来测心跳。心跳促使血液通过全身血管，血液随着时间和相应光强度的变化而变化。通过这种方法可以测定心率。

网络和通信

数据都是从许多传感器获取，许多问题，如个体传感器，在织物中数据路径的布局，单元位置的处理以及路径策略，在设计织物图案时都发挥着重要作用，特别是对功率的消耗。其中互联可能是一个最难处理的环节。在电子工业中，互联不仅包括连接两条线路，或把电子元件和导线相连。相互连接的常用方法是焊接。组件也可连接到导线上，用连接器绝缘位移和点焊的方法。另一方面，可缝合连接两块面料。当两块E-纺织品必须相互关联时，也就必须同时考虑这两个问题。因此，在电子组件和纺织品之间，有必要开发新类型连接方式。若这个E-纺织品使用的是耐磨面料，那么必须注意，要确保让穿戴它的人感到舒适。大多数E-纺织品应用程序都是独立的应用程序，里面包含有嵌入式传感器和计算实体。

面料特性

能量功耗还依赖于软件执行时间和数据检索的方式。此外，事实上有限的计算逻辑，可能增加嵌入式织物的执行时间。

舒适度：耐磨织物所用的纺织物材料有可塑性，要有足够的舒适系数。当织物中的线被导线取代，导线的硬度可能会改变其品质，让穿戴者感到不舒服。这是在设计时应当考虑到的一个重要的因素。

耐久性：在大多数的电子应用程序中，传感器的位置是准确固定的。但当把这些传感器融合到织物中，织物的灵活性会改变这些传感器之间的相对位置。这种灵活性可能受阻，也可能是有利因素，在这些应用程序中，传感器的位置扮演着重要角色。为了让电子交互纺织品成功进入消费市场，它们必须容易护理，能够周期性地维护其电导率。可穿戴电子交互纺织品不能因身体的运动、压力、织物的静电、汗水和身体热量而遭到破坏。日新月异的技术可为我们带来不同的关键挑战。

人类已存在诸多把纱线转变为纺织品的技术。这些技术代表着以各种可能的电气连接方式。当其用于E-纺织品时，E-纱线就将面临弯曲、拉伸和剪切。在穿戴的过程中纱线有可能被拉伸。晶体管材料承受拉伸应变值相对较小。那么，需要重新配置新的本地互联组件电路，这将取决于E-纺织品的中枢网络功能。此外面料磨损与剪切摩擦，这是E-纺织品另一需要了解和预防的问题。

E-监控服装已逐渐成为人类的第二皮肤。它提供了新的手段，让用户周围的环境和其身体相互作用。可应用于娱乐、运动、健康和专业安全保障方面。纺织传感器提供的是耐磨损的传感器;其加工过程更长。从不同传感器中组合信息，运用先进的信号处理方法，从原始信号中提取和选择可靠的信息。E-监控健康的纺织品还需要进行大量的研究来解决相关问题。