可穿戴智能服装的发展与粘接技术

龚 龑，齐 凯，许成韬，罗胜利，张宇群

（1.北京服装学院，北京 100029；2. 广州纤维产品检测研究院，广东 广州 511447；3. 烟台南山学院，山东 烟台 265713）

可穿戴智能服装的发展与粘接技术

龚 龑1，齐 凯1，许成韬1，罗胜利2，3，张宇群2

（1.北京服装学院，北京 100029；2. 广州纤维产品检测研究院，广东 广州 511447；3. 烟台南山学院，山东 烟台 265713）

从可穿戴技术简介出发，引出可穿戴智能服装的兴起，列举各种可穿戴服装，介绍可穿戴服装中的智能可穿戴设备以及制造这些零部件所需的材料；通过引出粘接技术，阐述可穿戴设备零部件之间、可穿戴设备之间、可穿戴设备与服装之间所用胶粘剂类型，为将来中国可穿戴服装产业提供技术借鉴。

可穿戴技术；智能服装；智能可穿戴设备；粘接技术；胶粘剂

进入21世纪以来，可穿戴技术发展迅速，随着生活水平的提高，人工智能开始进入寻常百姓家。预计未来智能可穿戴技术将会持续发展，可穿戴市场发展潜力巨大，将会涉及到各行各业。受到可穿戴技术发展的影响，其他辅助技术如粘接技术也将会快速发展来迎合新兴的市场。

1 可穿戴技术

可穿戴技术最早是由美国麻省理工学院媒体实验室提出来的创新技术，该技术可以将多媒体、传感器等无线设备整合进人们的服装中[1]，通过手势或眼动操作使用户获得想要的数据或达到某些目的，具有低负荷、可移动操作、使用简便、长时间连续工作和无线数据传输等特点。随着物联网和互联网的迅速发展，可穿戴技术也随之走进人们的生活中，逐渐应用于工业[2]、医疗健康[3]、军事[4]、教育[5]、娱乐[6]等各行各业。

可穿戴技术的发展可大体分为4个阶段：

一、20世纪60年代因赌博而产生了可穿戴概念，当时发明出的相关设备均应用于赌场；

二、20世纪70年代出现了可穿戴设备的原型，由于技术水平发展有限，大多停留在实验室阶段，只有少部分进入市场；

三、20世纪末，随着互联网技术、传感器技术的发展，出现了消费类的可穿戴式设备；

四、从2012年开始，在技术、产业及用户需求的共同作用下，可穿戴设备开始走入寻常百姓家，市场占有率迅速发展。

以2013年为例，可穿戴技术在健康领域的应用发展迅速，智能腕表和智能手环等市场需求在逐步扩大。在这一市场中，Nike、Fitbit、Jawbone、Thalmic Labs、InteraXon、ZetrOZ、小米、百度、索尼、三星、微软、苹果、卡西欧等众多机构都在加快创新和研发的步伐[7]。

如今市场上的可穿戴设备种类繁多，主要包括智能眼镜、智能手表、智能腕带、智能跑鞋、智能戒指、智能臂环、智能腰带、智能头盔和智能纽扣等。据统计，目前市场上应用于人身上的可穿戴设备大致可分为5类，分别是腕部占30%；上身占26%；头部占22%；全身占15%；脚部占7%。由此可见，诸如智能手环、智能手表、智能服装等可穿戴商品是当今可穿戴市场的主流，并且预计未来可穿戴技术的发展方向为运动健身、医疗保健、电子通讯等领域。

可穿戴设备的核心技术在于采用高性能低功耗器件和传输技术，而我国的此类技术在国际上并不占优势，一些高端设备大多是由国外企业生产的。中国可穿戴联盟于今年年初召开了《中国可穿戴联盟标准》工作会，联盟发起工信部共同探讨可穿戴标准体系的建立。相比之下，德国去年TUV莱茵已经出台了智能可穿戴设备认证标准，从安全性、智能性及可穿戴性3个方面考核产品的品质。据市场调查分析公司Tractica的最新报告显示，全球2015年可穿戴设备市场3大发展态势为：可穿戴设备的市场范围已经远超手表和运动记录装置；可穿戴设备市场更注重用户体验设计与数据分析能力；智能服装是未来智能穿戴的集大成发展方向，其中第3条正是中国可穿戴市场的发展机遇。

2 智能服装的研发

2.1 可穿戴智能服装列举

千百年来，服装的功能和价值无外乎实用性和美观性2大范畴。然而，科技的日新月异将赋予服装更多属性，如可以播放音乐的外套、可以测量脉搏和血压的运动衣、带有保暖功能的袜子，甚至有一双可以识别你情绪的手套。这并不是天方夜谭，智能服装已经开始走进我们的生活。

可随时接听电话的智能夹克；可自动系鞋带的智能运动鞋；可为手机等设备提供电力的“充电衣”；可以实时记录主人运动数据并给出反馈和指导的智能紧身衣；可根据用户意愿改变衣服明亮对比度的“变光装”；穿在身上就能知道自己身材尺码和胖瘦的“测体装”；能够实时监测婴儿呼吸、心跳、体温、姿势和活动状况的“智能婴儿连体衣”；以及可形成折射投影从而使人与周围景物完全融为一体的“量子隐形衣”……科学家们预测，未来的服装，至可以拥有与主人的喜怒哀乐以及周遭环境相互动的一些特殊功能。

下面简单介绍几种已研发出来的可穿戴智能服装。

2.1.1 太阳能夹克

太阳能夹克是将太阳能电池板嵌入普通夹克中，只需在阳光下便可以将太阳能转化为电能贮存起来，当手机等电子设备需要充电时便可以通过夹克内部的数据线对设备进行充电，真正实现了随身充电。

2.1.2 远红外电热羽绒背心

远红外电热羽绒背心是通过充电锂电池使衣服发热，夹层采用远红外线电热片作为发热体，不会产生对人体有害的电磁波，质地柔软、抗拉力强、发热体可取出，随时开关和调温，衣服可洗涤，是一种对肩周炎、胃炎、梗椎、颈椎病、腰病患者及户外工作人员适用的，有着极好保暖保健作用的新型环保电暖衣类。

2.1.3 健康监测类可穿戴服装

智能运动可穿戴服装可以通过内部的传感器测得使用者的位置、姿势、肌肉紧张度等，从而告知他们血压、心率、呼吸状态、体温等参数，达到监测身体健康状况的目的；可穿戴口罩也可以通过内部的微型传感器感应呼出的气体成分变化来帮助提示身体的变化。

2.1.4 安抚情绪的智能风衣

智能情绪感知衣物Wearable Absence Project（WAp），由蒙特利尔大学和伦敦大学2组研究人员设计开发，WAp风衣内装配了扩音器、传感器以及身体信号分析器，可以监测使用者的身体信号，从而判断使用者的情绪变化。在情绪低落时，风衣会播放一些轻音乐来舒缓心情，设计这样的服饰不仅可以保暖，还能安抚使用者的情绪，保持好心情。

2.1.5 可监测伤口的智能缝线

美国塔夫茨大学研发出一种新型缝线，它能够监测伤口的愈合情况，并将数据发送到医生端，而不仅是普通的皮外伤，器官甚至是骨植入物都可以用同样的原理进行监测。

可监测伤口的智能缝线是由棉花和合成纤维织物组成的，缝线为可以导电的材料组成，棉花上有导电油墨，而缝线因为接触皮肤组织，结合其他材料，科学家们便可以利用涂层的缝线检测到皮肤所受的压力、温度、pH值、血糖水平等。而通过这些数据，医生就可以远程判断伤口的恢复情况。可监测伤口的智能缝线具有价格低廉、轻薄灵活的特点，而且可以通过它能传导液体的特性连接组织。虽然这款缝线离量产还有一定距离，但至少从科技含量上看，它已经在普通纺线的基础上迈出了重要的一步。

2.2 可穿戴服装中的智能设备

2.2.1 能量收集电池

长时间尺度下计及光伏不确定性的配电网无功优化调度//黄伟,刘斯亮,王武,羿应棋,张勇军//(5):154

能量收集电池的原理是指通过获取外部能量，将其转化为电子能量贮存于内部电池中以供消费者在应急情况下使用，所谓的外部能量包括动能（运动，震动，旋转）、太阳能（光能）、热能、压电（利用来源于运动的多余能量）、无线电波等。能量收集电池的优点有很多：可使可穿戴设备变得更加独立，不需要过度依赖外接电源；外部能量中的太阳能可与智能服装完美契合，通过在阳光下吸收太阳能并转化为电能直接使用；该类电池中的热电能量收集电池由于可以提供很高的能量，因此可以用于与皮肤直接接触的可穿戴设备如智能暖宝、可穿戴变温服装等；压电能量收集电池可以在人运动时收集微量动能，使这些能量不会浪费。但通过运动所产生的能量相对较小，能被有效转化为电能的则更少，因此压电收集电池不宜用于大功率可穿戴设备。

2.2.2 锂离子电池

用于可穿戴设备的锂离子电池通常是规格较小的纽扣电池。还有一种比较受欢迎的锂离子袋装电池，是将一堆电池放在塑料袋或高分子聚合袋里面，锂离子袋装电池非常便于携带。锂离子电池的特点是体积小、质量轻、成本低、使用寿命长，用完即可丢弃，只需少量维护保养，因为它们对环境的破坏很小。但是锂离子电池的体积越小，贮存的电量也就越少，不宜用于大功率可穿戴设备；锂离子电池属于易损品，为了使用安全需要对电路进行有效保护；袋装锂离子电池有爆炸的风险，因为电池和包装袋之间可能会产生容易引起爆炸的气体。

2.2.3 薄膜电池

薄膜电池是一种非常薄的电池，适用于较薄的可穿戴设备，比如电子皮肤设备或某些测量可穿戴设备。与锂离子电池相比薄膜电池更安全。但薄膜电池的体积决定了它们的电力容量，因此，如果想要获得和纽扣电池一样的电量，就需要延展出更大的面积。由于它们非常薄，因此耗电速度比较快，需要频繁充电确保长时间使用，这也让薄膜电池的使用范围变得更加局限，只能在一些小型可穿戴设备上使用。

2.2.4 石墨烯电池

石墨烯电池是利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性，开发出的一种新能源电池。石墨烯电池被认为是目前所有类型电池中能量密度最高的，因此有较高的电量贮存能力。但相比于其他类型的电池，石墨烯电池的价格更贵且目前仍在开发阶段，技术尚待成熟。

在未来几年时间里，可穿戴设备数量预计会呈爆炸性增长，这意味着体积更小，续航能力更长的电池需求量将会大幅增加。

用于服装上的可穿戴设备除了电池，第二重要的是屏幕。由于服装需要满足人们的舒适度，因此面料需要足够柔软舒适，普通显示屏因为制作材料问题均是不可折叠挤压的刚性屏幕，柔性屏幕的研发极大地弥补了此类难题。在不久的将来，柔性屏幕将成为可穿戴设备的节点。柔性屏幕采用塑料基板，而非常见的玻璃基板，借助薄膜封装技术，并在面板背面粘贴保护膜，让面板变得可弯曲，不易折断。

2.3 可穿戴设备的材料选择

可穿戴设备用材料除需满足一般智能设备的性质外，还要能够与服装面料完美粘合，既能满足高科技实用性，又能保证美观及舒适度。常用的可穿戴智能设备材料一般有3种，分别是热塑性弹性体类（TPE）材料、热塑性硫化硅橡胶类（TPSIV）材料和石墨烯材料。

2.3.1 热塑性弹性体

热塑性弹性体（TPE）是一种既具有橡胶的高弹性、高强度、高回弹性，又具有可注塑加工特征的材料。由于TPE具有硫化橡胶的物理机械性能和热塑性塑料的工艺加工性能，因此TPE兼具橡胶和塑料的优点，常用作智能手环和手表的表带材料。但TPE的耐热性不如橡胶，随着温度上升物性下降幅度较大，因而适用范围不如橡胶广；同时，压缩变形、弹性回复、耐久性等同橡胶相比较差，价格上也往往高于同类橡胶。

2.3.2 热塑性硫化硅橡胶

热塑性硫化硅橡胶（TPSIV）是由热塑性聚氨酯(TPU)和交联硅橡胶制成的独特混合材料。TPSIV材料兼具TPU的耐久性、耐磨性和包覆成型的特点以及硅橡胶的柔软性、耐紫外光和耐化学品特点。TPSIV弹性体可精确地调配出符合使用者要求的颜色，即使在要求严格的可穿戴设备应用中都能维持其出色、持久的美观特征。目前TPSIV用于生产各种智能手环。

2.3.3 纳米材料及石墨烯

上述2类材料只能用作可穿戴设备的辅助材料，而真正核心部件需要满足智能设备的各种用途要求。智能纺织品是基于纳米技术，在织物纤维上负载特殊纳米材料，所以能展现出神奇的功能。比如，结合现代美学和艺术性，科学家可以调节光线与纳米颗粒表面的对触来制造变色衣物。另外，通过特殊材料让电磁波“转弯”，绕着物体走，这样物体就能“隐身”。传统纺织品的纳米整饰技术是基于蘸取纳米溶胶-挤出溶剂-干燥-后续处理的工艺，工艺复杂且不连续，无法满足智能纺织品的生产需求。而新工艺是结合纳米颗粒气相（气溶胶）制备技术和工业化纺织品卷对卷制程传送带的生产模式，将低于10 nm的高纯纳米气溶胶颗粒输送到织物纤维上，载气则穿过传送带上的纺织品。此项工艺类似于气体粉尘过滤技术，不同之处在于，这些超细纳米颗粒在气体中布朗运动剧烈，极容易沉积到织物纤维上。纳米气溶胶颗粒的过滤理论指出：低于10 nm的颗粒几乎100%被沉积到织物纤维上。然而载气便顺着纤维与纤维之间嫁接的通道流溢。该流溢的气体可采用闭循环的流程重复利用，大大降低了成本。

此外，石墨烯作为“能彻底改变21世纪的新型材料之王”，是可穿戴设备核心部件的不二之选。石墨烯是从石墨中分离出来的，由碳原子构成的只有一层原子厚度的二维晶体，属于一种新型纳米材料。石墨烯既是最薄的材料，也是最强韧的材料，断裂强度比最好的钢材还要高200倍，同时它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。石墨烯可用于制作各种半导体、光电元件、导热材料等，是适用于可穿戴设备的最佳材料。

3 可穿戴服装用胶粘剂

可穿戴服装用胶粘剂，不仅用于电子元件之间的粘接，还用于整个设备与服装之间的粘接。常用的胶粘剂包括3种：丙烯酸泡绵胶、光学透明胶和热熔压敏胶。

3.1 丙烯酸泡绵胶

丙烯酸泡绵胶是由高密度的丙烯酸泡绵基材制成，由于丙烯酸聚合物中不含碳碳双键，化学性能非常稳定；同时，丙烯酸泡棉胶带是单层结构，老化条件下不存在多层材料的剥离问题，具有更好的耐候性，此外，丙烯酸泡棉胶的机械强度高，使用丙烯酸泡棉材料进行粘接，其剥离强度、动态剪切和静态剪切等机械性均明显强于其它材料。因此丙烯酸泡棉胶具有优异的粘接强度，良好的密封性能，抗紫外线，抗溶剂，抗震动；可用于户外，代替铆、焊等传统机械连接方式起结构固定作用，适用于金属、塑料、玻璃、陶瓷等多种材料的结构粘接。超高强度丙烯酸转移胶膜适用于可穿戴设备内部零件的粘接。

3.2 光学透明胶

光学透明胶是用于粘接可穿戴电子设备中透明光学元件的特种胶粘剂。其特点是：外观无色（或浅色）透明，在指定的光波波段内透光率在90%以上，且固化后胶层的折射率与被粘接光学元件的折射率相近；在使用温度范围内粘接强度高，胶层的弹性模量低，固化后断裂伸长率大，收缩变形小；耐光老化和耐湿热老化；可室温或中温固化，并且可减少热固化后产生的收缩应力、胶层和光学零件热膨胀系数不同所产生的应力；无毒或低毒，对使用者健康无不良影响；便于拆胶返修。有机硅、丙烯酸树脂及不饱和聚酯、聚氨酯、环氧树脂等胶粘剂都可用作光学胶粘剂。光学透明胶是一种与可穿戴设备中光学零件的光学性能相近，并具有优良粘接性能的高分子物质。光学透明胶的质量决定了光学元件性能的好坏。

3.3 热熔压敏胶

热熔压敏胶是压敏胶的一种，一般由合成橡胶和树脂及橡胶油等混合加热成熔融状态再涂布于棉纸、布或塑料薄膜等基材上制成一种压敏性胶粘带。热熔压敏胶是以热塑性聚合物为主的胶粘剂，兼有热熔和压敏双重特性，在熔融状态下进行涂布，冷却固化后施加轻度指压既能快速粘接，同时又比较容易被剥离，不污染被粘物表面。热熔型压敏胶与传统的溶剂型压敏胶和乳液型压敏胶相比，固含量为100%，不含有机溶剂，利于环保；涂布速度快，自动化程度高；生产成本低。主要用于无纺布和电子产品的粘接。

4 胶粘剂在可穿戴服装上的应用

将可穿戴设备完美植入纺织服装中需要应用到粘接技术，除了缝纫技术之外，最常用的普通热粘接技术可以解决大部分的服装粘合问题，针对某些有特殊性质的人工智能服装，还可以采用适用于粘接电热毯、衬垫服装、防护服等边缘曲折不平纺织物的高频熔接、适用于粘接垫子、绷带、绒类产品的超声波熔接，另外还有热楔熔接、热气流熔接等粘接工艺。

可穿戴智能服装首先要确保智能设备不易从服装表面脱落，因此采用热粘合技术可以增加粘接处的牢度，目前常采用聚氨酯树脂（PU）来粘合服装的衬布。

可穿戴智能服装因内部含有电子设备，不便拆卸，因此水洗次数尽量少，防止衣服溅上污渍显得尤为重要。采用浸渍、浸轧或涂覆的方式，在织物上施加一种具有特殊分子结构的整理剂（胶粘剂），改变纤维表面层组成，使织物的临界表面张力降低至不能被水或常用油类润湿。目前常采用氟碳聚合物和三聚氰胺类树脂作胶粘剂。

在可穿戴技术满足人们生活需求的基础上，可将此技术应用于某些特种作业行业中，如消防救援和钢铁冶炼等高温环境作业行业。如将生命探测仪植入消防服可大大提高火场中被困人员被救出的概率。这需要对织物进行阻燃整理，使阻燃剂（胶粘剂）固着在纤维或织物上，从而获得阻燃性能。

5 结语

目前可穿戴技术主要发展方向是研发高能量电池，柔性电路和屏幕，并将这些零部件整合进可穿戴服装中。粘接技术进入21世纪以来发展迅速，作为多种行业的辅助技术，各种胶粘剂占据多种市场，粘接技术的地位不可或缺。未来我国需抓住发展可穿戴服装这一机遇，结合粘接技术，努力研发新型胶粘剂，克服两种技术间的难点，实现智能设备零部件间、智能设备之间、智能设备和服装之间的完美粘合。

[1]Amft O,Lukowicz P.From backpacks to smartphones: past,present,and future of wearable computers[J]. Pervasive Computing IEEE,2009,8(3):8-13．

[2]Zheng X S,Foucault C,Silva P M D,et al. Eye-wearable technology for machine maintenance: effects of display position and hands-free operation[A]//Bo Begole Proceedings of the 33rd Annual ACM Conference on Human Factors in Computing Systems[C].New York:ACM,2015: 2125-2134．

[3]Gao Y,Li H,Luo Y.An empirical study of wearable technology acceptance in healthcare [J].Industrial Management ＆Data Systems, 2015,115(9):1261-1267．

[4]Shore J H,Aldag M,McVeigh F L,et al.Review of mobile health technology for military mental health[J].Military Medicine,2014,179(8): 865-878．

[5]Vallurupalli S D,Paydak H,Agarwal S H,et al.Wearable technology to improve education and patient outcomes in a cardiology fellowship program-a feasibility study[J].Health and Technology,2013,3(4):26-270．

[6]Jackson M M,Valentin G,Freil L,et al.Facilitating interactions for dogs with occupations: wearable communication interfaces for working dogs[J]. Personal and Ubiquitous Computing,2015,19(1): 155-173．

[7]颜延.可穿戴技术的发展[J].中国生物医学工程学报,2015,34(6):644-653.

[8]敖建芳,张玉凤,龚䶮.胶黏剂在纺织服装工业中的应用[A]//北京粘接学会学术年会暨粘接技术创新与发展论坛[C].2012.

公 示

根据《新闻记者证管理办法》和国家新闻出版广电总局《关于开展新闻记者证2016年度核验工作的通知》（新广出办发〔2016〕109号》等相关文件要求，现将我社参加2016年度核验的人员名单进行公示，公示时间从即日起至3月31日止。欢迎社会监督，举报电话：027-68892510。

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《粘接》杂志社

2017年3月1日

Development of wearable smart clothings and bonding technology for them

GONG Yan1, QI Kai1, XU Cheng-tao1, LUO Sheng-li2,3, ZHANG Yu-qun2
(1.Beijing Institute of Fashion Technology, Beijing 100029, China; 2.Guangzhou Fiber Product Testing and Research Institute, Guangzhou, Guangdong 511447, China; 3.Yantai Nanshan University, Yantai, Shandong 265713, China)

From introducing the wearable technology and then bring the rise of wearable smart clothings. the wearable garments were enumerated, and the smart wearable devices and the materials used in manufacture of their parts were introduced. Through leading bonding technology, the adhesive types used in bonding between parts of wearable device, wearable devices, wearable devices and clothings were explained, offering reference for the future of Chinese wearable smart clothing industry.

wearable technology; smart clothing; smart wearable device; bonding technology; adhesive

TQ437

A

1001-5922（2017）03-0029-05

2016-10-31

龚（1980-），男，博士，副教授，院长助理，目前从事功能性纺织品智能材料的开发与应用。E-mail：2205206742@qq.com。

国家质检总局科研项目资助（编号2016QK036）。