智能服装的应用及发展趋势

刘清清，郭荣辉

(四川大学轻工科学与工程学院，四川成都 610065)

随着时代的发展，传统服装行业逐渐变得不再景气，不仅不能满足人们对越来越多的功能的需求，并且给环境带来不容小觑的污染。国家对纺织行业的发展给予很多支持与关注，相关政策层出不穷，传统纺织行业即将出现转型。

智能服装的发展是纺织服装行业的必然趋势。不同科技领域的技术发展，为智能服装行业奠定了深厚的基础。现如今智能服装不管是在智能材料的开发还是在服装智能元件的研究上都在不断发展与进步。随着人们对智能服装的认识与了解不断加深，需求也会上升。智能服装将成为下一代人们不可缺失的智能工具。

1 智能服装概述

1.1 智能服装的定义及主要特点

智能服装一般是指能模拟生态系统，感知外部及内部环境变化，通过反馈机制做出响应，且保留服装固有风格和服用性能的服装[1－3]。其主要特点在于融合了高新技术和对传统服装功能进行提升，使其可以通过服装本身的反馈机制，对环境及自身的条件的变化做出实时反应。

当下智能服装行业综合了多门学科的优势，如纺织与服装工程、材料科学、医学、电子信息等。以基本纺织与服装作为载体，采用先进的技术，赋予服装功能化、智能化、信息处理能力强等特点。使用者可以在使用智能服装过程中更好地适应环境变化，调节身体状态或保障自身安全等。

现阶段常见智能服装的作用方式有以下几种:(1)将智能纤维或智能纱线织入纺织品中，如光导纤维、导电纤维、形状记忆纤维以及相变纤维、变色纤维等；(2)外接微型智能电子元器件，主要有三种不同方式:一是电子器件与纺织品各自独立的模块化技术，电子器件仅作为服装的附件；二是将电子元器件嵌入服装纺织物中的嵌入式技术；三是直接由新型纤维纺织物构成所需的电子元器件的新型纤维技术[4－5]。

1.2 智能服装的研究历程

在人类发展历程上，服装从最初的遮体、御寒、保暖等基本防护要求发展到对多功能服装的追求。功能服装的原理更趋于纺织材料及纺织结构本身所具有的属性，而智能服装是功能服装的发展追求，更着重于服装的感应、反馈、响应机制，带动更多功能在服装上的应用。智能服装的衍生除了传统纺织服装行业，也有来自其他行业，如可穿戴设备行业。智能服装是智能可穿戴设备发展终端产品里前景最佳的产品之一。智能服装的研究和发展将会给传统服装领域带来巨大的冲击，但同时也带来前所未有的突破与希望，并且跨越到更多行业实现其价值。

在欧美等发达国家，他们的经济发展较快，提出对集合了高新科技的智能服装的需求也较早。其相关的电子信息、通信、材料等行业的发展为智能服装的发展奠定了深厚的基础。如20世纪60年代，美国MIT就提出了将传感器、多媒体技术和无线通信等技术应用到日常服装上的想法，通过人自身内部及外部环境的变化来调控服装的功能，提升使用者的生活质量。意大利CorpoNove公司研制出的“懒汉衬衫”可以感知温度变化，并随温度变化来调节袖子长短[6]。日本钟纺公司所开发的随温度变化而变色的泳衣，可根据游泳者在水上和水下的温度不同为在三种不同颜色直接变化[7]。美国谷歌公司通过与一些企业合作，实现了采用嵌入式技术将电子元件嵌入导电纤维面料之中，使面料实现了触控、遥控功能。发达国家在智能服装领域上的研究与开发起步早，有丰富的经验与丰硕的成果，有相当一部分产品已经十分成熟，但距离人们的实际需求和广大空缺的市场而言，还有很多深究的空间。

我国智能化服装的研究起步晚、起点低，最初的智能服装主要靠国外引进，运用在医疗、航天、军事等特殊领域。例如在航空航天以及军事医学领域，通过在服装中嵌入电子传感器来监测使用者的生理信号，这是将生命信息检测技术与可穿戴技术结合。如今，我国的经济水平也在不断上升，科学技术水平也在不断进步，人们对智能服装的需求也在不断增多。如运动防护类等国民日常服饰已经成为宣传力度强、产业化的产品。我国的智能可穿戴设备研究水平已经逐渐赶上国际前沿水平。在过去的许多年里，全国许多著名高校及优秀企业在国家政策的鼓励下，积极参与在智能服装材料、电子柔性器件的设计与封装、智能系统组织及智能材料加工等技术领域的研究，并取得一定成效。

2 智能服装的应用

智能服装的应用范围从一开始的军用、特殊环境使用到现在已经逐渐走向更广泛的民用市场。智能服装的研发与应用在不同的技术领域都有大量的经验与成果。而近几年电子信息技术、人机交互技术、生物化学技术、仿生技术[8]、外骨骼机器人技术、纳米技术等在智能服装上的应用与创新成为传统行业与新型科技行业交汇的热点[9]。不同领域的技术在服装上的应用给服装带来了更多的突破与创新价值。

2.1 医疗监护

智能服装在医疗监护领域的应用是服装发展的重大突破，也是医疗监护行业的福音。从智能服装的作用原理可分为电子信息传感类与智能材料类，但电子信息类智能服装较多。从智能服装的作用效果可分为信息监控、健康管理类、特殊人群监护等[10]。

2.1.1 电子智能服装

电子信息类智能服装是将柔性纺织结构、柔性高分子膜器件[11]、嵌入式传感器和GPRS通信模块等系统集成与传感技术应用在服装设计上面，通过人机交互技术的支持，对使用者进行健康体征监测，并且通过无线通信、无线体域网技术将数据远程发送到相关平台，如医生监视处，或通过相关小程序、APP等进行显示[12]。人体生理状况可以得到实时监控，疾病的发生可以得到有效预防。同时，智能服装可以有效进行医学治疗辅助，及时根据病人的身体状况检测来调整医学辅助措施。

(1)信息监控

电子智能服装应用最广泛的功能即为信息监控，信息监控是反馈机制做出响应的基础要求。实现了信息监控才能发挥健康管理、疾病预防等功能。国内外对此研究已经非常普遍。

美国南加利福尼亚州VivoMetrics健康信息与监测公司所研制的救生衬衫，使用嵌入其中的传感器和掌上电脑监测与记录人体的30多种生理数据，从而分析人体身体状况[13]。2016年研制出一种防感染智能服，不仅在医院保证病人不受感染，还在人们大量聚集的其他环境中发挥着防止疾病传播的重要作用[14]。徐琳琳[15]设计了一款可穿戴网络构架，该构架专用于医疗监护，实现了基于智能服装上的数据输出且可进行心电信号的数据分析，初步实现了对心脏病的检测与预警应用。余晓刚等[16]研发了一款基于光纤布拉格光栅的智能服装。该服装不仅可以检测出人体体温变化的真实情况，并且能将其与其他生理参数进行相关性分析，以供医护人员参考预防或发现疾病。田新宇[17]将光纤光栅传感器结合在服装袖口，研制出能检测人体脉搏的智能服装。钟毓贤等所研制的结合了MOTOmed智能训练系统的Athos智能运动服，能够明显改善脑卒中患者上肢运动功能[18]。

(2)特殊人群监护

特殊人群监护服装包括老年人智能服装[19]、婴儿健康监测[20]、智能孕妇装、盲人避障智能服等。智能孕妇装主要是通过对孕妇生命体征的检测从而实现对孕妇的保护与产前预防。如美国康奈尔大学时装设计专业的学生Blake Uretsky所设计的一款追踪孕妇生命特征的服装，是在衣服胸前部位的衣料中加入了可导电的银纤维，能将传感器记录的孕妇的体温、心率、血压和呼吸等监测数据通过腰带部位的传输仪器传至移动智能设备，出现紊乱时发出提醒[21]。

常用的老年人智能服装，如太阳能智能服装，为老年人解决保暖问题和为电子设备蓄电；防摔智能服，通过对膝关节的数据测量，及时提醒穿着者；智能鞋，鞋底内置芯片等可方便监护人实时掌握老年痴呆症患者的位置信息[22]。

2.1.2 其他智能服装

智能材料类智能服装如热敏变色纤维可监测环境体温，在不同温度时衣服发出不同的颜色。对受温度影响的病人而言，根据服装的变色可方便及时调整温度。此外还有光敏变色材料、湿敏变色材料等。

医疗监护这一类智能服装应用十分广泛，尤其给家庭医疗带来了更多的方便。而对于整个医疗行业来说，智能服装所带来的这种无边界的可访问性尤其重要，因为患者的健康状况，可以通过配备有健康相关功能的可穿戴设备进行远程、持续的监控、存储和分析，更多人的健康得到保障，生活健康质量得到提高。

2.2 运动健身

运动健身类服装是与人体贴合度高、对皮肤覆盖范围最广的产品。运动服装领域的智能服装按作用原理可分为新型纤维材料类和智能设备结合类[23]。新型纤维类的运动健身服装更多是为了让运动者有更好的运动感受，将运动者的身体状态保持在最合适的状态，如及时透湿透热，保持干爽。智能设备较多采用传感与人机交互技术，主要用于记录并分析使用者的运动数据，帮助获得更好的锻炼效果，或监测用户的健康数据，为其提供有价值的参考信息[24]。

2.2.1 电子智能运动服

运用在运动健身领域的电子智能服装原理与运用在医疗监护领域的相似，反馈机制所采集的信息要求不同。设计上对肌肉及关节等处的传感灵敏度及准确度要求更高。

实现对运动员的心率、肌肉状态等信息的监控可以给训练带来很大的帮助。智能运动服装品牌Sensoria研发了心率检测T恤和运动文胸，它应用了一套由专家创造的名为“心疼哨兵”的算法，不仅能帮助使用者的刻苦训练，而且还能用于检测心率的变化。Sensoria还采用了Emana纱线材料可以改善皮肤弹性并帮助预防肌肉疲劳。三星开发的智能训练服Smart Suit，采用嵌入式技术将微量级传感器嵌入训练服的关键部位。智能系统收集运动员训练数据，并精确计算运动员冰道速滑时的身体位置，将运动员姿态信息反馈到教练手机上，教练通过相应程序向运动员的服装发出指令，衣服接受信息后发出信号如震动提醒运动员注意调整动作。另外，如篮球、足球等位移频繁的体育项目，智能服装能记录运动员们位移点，以便教练调整方案和策略。虽然体育运动类产品已得到广泛应用，但监测数据的准确性和传输速度的有效性是其将要攻克的难点[25]。

对于游泳运动者、滑雪运动者而言，保持良好的体温状态十分重要。国内品牌“361°御寒一号”智能服装，将感测器置入面料中，内置碳纳米管发热技术，最初是一款运用于帮助游泳运动员在比赛前后保持良好体温、肌肉活跃状态的发热棉服，现已经逐渐进入更多运动领域以及普通民用领域。

2.2.2 智能纤维运动服

运动服装的基本面料采用智能纤维材料，将直接贴合人体肌肤，覆盖面积大，给人体舒适度带来极大影响。运动过程对舒适度的要求很高，智能材料的应用可以解决传统服装在排汗透湿等方面的缺陷。仇春燕等研发出能感知、反馈的户外骑行服装，通过传感器实现人与服装和环境的交互。该户外骑行服装在运动体验感方面注重自如的伸缩感、高效的排汗、透湿、保暖防风等。因此，所选用的面料有Activent面料、GORE－TEX面料、Outlast面料等。在传感监测数据方面采用Arduino作为电子原型平台，其功能完备，便捷灵活且价格低廉，是实现户外运动中人与服装和环境交互的最佳选择[26]。来自美国马萨诸塞大学的材料化学家Trisha Andrew研制出一种可以采集人体热量为活动追踪器等小型可穿戴微电子设备提供动力的新型服装面料，实现用身体热能驱动智能服装[27]。运动环境下身体产热量高，该面料不仅可以及时采集热量使用户感到舒适且可将热能作为能源，符合绿色环保的要求。

2.3 军事领域及特殊环境

军事领域一切装备的重要性都非常高，往往可以从军事装备看出一个国家的科技水平。该领域智能服装的发展研究历史已经很久，旨在不同环境提升人员自我生命保护能力与医疗辅助、信息检测等。欧美等发达国家从可穿戴技术的发展伊始就将该技术应用于军事领域，主要面向智能可穿戴式单兵系统装备。邓威等把军用智能设备分为作战指挥类、武器装备类、日常监督类[28]。而智能服装的运用在日常监督类与作战指挥类居多。

2.3.1 电子智能服装

在军事医学领域中，智能服装主要以可穿戴智能设备的形式应用[29]。智能可穿戴设备的人体监测及急救辅助可有效提高单兵战场紧急救治时效，通过无创生理传感器，可实时监测战士的生理参数，评估身体状况，反馈或发送救护信息，在后方指挥系统支持下，及时指导受伤展示利用穿戴急救辅助装备展开自救互救。美国陆军环境医学研究所研制了内嵌于作战服的武士生理状态监测系统，通过可配置的微型无线传感器群，该系统可监测心率、行走、代谢能量损失、体温、动静态及位置信息等，采集的同步化数据通过无线个人局域网传输到战士腰带上的信息存储单元，并传输到单兵数字化作战系统或指挥通信网络[30]。

军用可穿戴外骨骼根据人体结构的特点设计的外穿机器骨架系统，通过与人体肌肉骨骼系统并联，扩充人体的生理机能，分担人体肌肉骨骼的支撑压力、保护能力、运动以及环境感知机能等。当前军用可穿戴外骨骼的研究主要集中在刚性外骨骼与柔性外骨骼两方面。如SuitX公司所推出的Phoenix医用可穿戴外骨骼。这种依据机体康复和辅助行走需求而开发的医用可穿戴外骨骼对于军队战后伤病员的肢体恢复治疗、伤残军人恢复行走具有显著的应用价值，既可以提高创伤康复效率，又充分体现了人文关怀。

2.3.2 其他智能服装

(1)自我防护

在作战情况下，变色智能服装可帮助作战人员更好地隐藏，如Basel所研究的可涂在合成织物上的光敏变色染料[31－32]，可使织物在环境不同光照刺激下发生颜色变化，并且这种变化是可逆的。在军用自我防护中，可作为士兵保护色使之不被敌人发现。

(2)特殊环境保护

特殊环境包括极热、极冷、荒野等极端环境，该环境下所使用的智能防护类服装不仅适合军事领域使用，也可适用于普通民用。不同场合所运用的安全防护机理不同，如消防官员所着服饰，具有防燃阻燃、调节温度等功能。针对防走失的智能服装，装有GPS智能定位系统以及自动传输系统。

形状记忆材料是集感知与驱动一体的智能材料，可被加工成纤维、颗粒、薄膜等多种形式运用于服装上，在发生威胁时提供必要的保护[33]。在正常情况下保持基础形态，不会影响穿戴者的运动能力和外观形象。如Alenka等研究了一款基于金属形状记忆织物，应用在消防服里主动隔热。该研究所用的镍钛金属织物在高温时可从二维形态转变为三维形态，留出足够大的空间间隙作为热保护空间[34]。但此类智能服装的应用现在仍然存在较大的问题，一是该服装智能效果的监测水平不足，如热防护服的监测无法模拟真实的应用场景；二是与服装结合的方式有待提升，形状记忆材料与服装的结合部位局限[35]。

Rantanen研制出极地救援智能服装。该救援服装安装了连接气候监测系统的传感器，可在气候对人体有威胁时发出预警，危险时保证救援的及时进行，并且安装了全球定位系统和指南系统，预防走失[36]。随后研究人员研发野外救援智能服装，如采用气凝胶做防寒隔热防护服[37]。

安全防护类智能服装的应用非常重要，给人的生命安全及生理健康带来保证。

3 智能服装的发展趋势

3.1 功能多样化与产品细样化

智能服装的出现使人们的生活多了更多的便捷与享受，也带来了更多的健康与安全。现已有的智能化服装的功能有信息传感、传输、定位、温度调节等，随着人们物质生活水平的提升，人们对智能服装的功能要求也会越来越多，智能服装的潜在市场十分巨大。国内外的智能化可穿戴设备研究人员越来越清晰地认识到了智能服装领域的潜在价值，都在积极研发新的产品或优化已有的功能[38]。

3.1.1 功能多样化

不管是电子智能服装、材料类智能服装，还是其他领域将诞生的新型智能服装，功能多样化与多功能集成都是智能服装不变的主题。

在电子智能服装领域，多样化、多形化的柔性电子传感器是研究应用的大趋势，是未来智能服装应用实现颠覆性改变的核心要素。虽然近年来柔性电子技术的研究颇有成效，但仍然有很多核心技术壁垒，仍需不断突破传感器的效率问题、多功能的集成问题、环境分析等科学问题，以及制备工艺、材料合成、柔性器件整合等问题。

在智能材料服装领域，更多的智能材料将会得到开发。此类产品的技术壁垒很高，但一旦实现，智能服装与人体皮肤的贴合度、舒适度将会得到很大的提高。智能材料的研发途径可根据学科交叉的特色在不同领域寻求突破，也可根据仿生原理从自然与环境中寻求灵感。

3.1.2 功能性优化

已有的智能服装产品可在性能上不断突破限度，设计上突破结构弊端，实现更新换代。在电子智能服装领域，电子信息技术将持续着重在传感技术的提高和柔性电子技术的应用。传感技术将会提高传感的准确度以及传感器件的微量化设计，柔性电子器件将会突破更好的延展性和灵活性，使之能够在一定程度上实现与人体无缝贴合，充分满足舒适穿戴的形变要求。电子仿生皮肤[39]是探测人体功能信号的理想形式，是柔性电子技术与生物医学传感技术的重要研究方向。柔性外骨骼在军用医疗以及民用中将得到更完善的开发，给用户带来更高的应用价值。集成电子元件的导电线对智能服装的舒适性影响也很大，Maris等对采用刺绣技术合成的导电线进行了循环洗涤的研究，以此探寻不同导电性的最佳使用方式[40]。

在智能材料服装领域，已有的智能材料对性能及纺织结构的要求提高将会带动智能服装的换代。如以形状记忆材料为原料开发的消防服和防寒服，虽已经实现应用，但此类材料在服装上的应用壁垒现已经非常明显，它与服装结构的结合方式不完善给材料本身性能的体现带来了极大阻碍。以变色材料为原理的智能变色服装应用范围涉及医疗、运动、军用、休闲娱乐等多方面，变色的原理也各不相同，将会给生活的方方面面带来色彩与便利。但不同性能的作用限度仍有限，如热敏变色材料的温度作用范围较窄等。

3.1.3 产品细样化

智能服装的产品还将会根据使用者的不同需求更细样化。智能服装区别于传统服装的地方主要在于对外部或内部环境的响应，针对每一种不同的功能，不同的使用者的情况都有所差别，因此，智能服装的研发阶段可以从不同的机理上做出调整，在技术关键与织物整理工艺上面都做出改进与创新，使得相同智能服装产品在运用到不同用户身上时，可以根据情况不同，做出最适合用户需求的反应。

3.2 智能系统更完善

随着智能服装的发展，智能服装的作用原理、方式、系统，已经逐渐不只局限在服装本身上。完整的智能服装体验与外界的相关设施有紧密关联。在智能可穿戴范围里，智能服装系统的运行有四大关键因素:作用于服装本身上的硬件、做出信息反馈的软件、支撑运行的网络及平台。

智能服装的应用由于售卖价格、舒适性、安全性等多方面的问题尚未在国民中普及。因此，完整的智能服装系统并不能有成熟稳定的应用。如博迪加所制的心电衣，它所采用的人机交互模式终端的医疗机构是否能有效迅速地接受信息并给出反馈没有经过大范围的测试，所以对该智能服装完整系统中的网络及平台支撑保障是不稳定的。

除了网络与平台的保障难以稳定，硬件软件的问题也待完善。硬件的应用虽然已经较为成熟，但是更完善的智能系统要求硬件的应用更符合服装的特点。目前微机电系统作为微/纳米技术研究的重要方向，是继微电子技术之后在微尺度研究领域中的又一次革命，在服装领域也逐渐得到重视[41]。电子元件的不断微型化与续航能力是智能服装质量提升的重要要求，优化的电子元件与服装的优化结合方式，可高效提高元件附着皮肤的舒适感，也给智能服装更好的发挥其功能造就了空间。

3.3 智能服装国民化

如今专为日常生活所设计的智能服装还比较少，更多的智能服装都是为具体的环境或特定的对象去设计的。且智能服装本身存在生产成本较高、价格昂贵、安全性等问题，智能服装在日常生活中普及率非常低，大家所能接受的更多是一些功能服装而非智能服装。现阶段智能服装市场的从业者已经在不断做出改变。

在工艺方面，现常用的方法包括缝制、热粘合、嵌入结合等方式。在结合部位，耐久性与舒适性方面都存在较大的问题，无法形成稳定的用户使用粘性。但新的工艺手法正在被研究者们探索，如高分子膜结构、纺织结构等柔性器件正朝着贴合人体肌肤的方向发展。在设计方面，服装是功能性与时尚性结合的最佳产品之一。在服装风格的艺术设计与结构设计上，将会结合智能服装的科技感，打造出全新的时尚潮流服饰，更趋国民化。在价格方面，随着技术、工艺、设计水平的不断提高，简化生产过程的成本，智能服装的市场占有率会逐渐上升，价格也会越来越符合大众消费水平。随着技术、工艺、设计等问题都能提高后，智能服装的国民化也指日可待。

4 展望

从智能服装已有的应用和未来的发展趋势中可以看出该领域的两大重点，一是智能材料的不断开发，多学科领域的创新应用；二是产品质量的不断提升与品类的细化。未来智能服装行业不仅会给传统纺织品行业带来冲击，更会给国民经济支柱产业带来强大的经济效益。智能服装的持续研发是科学发展观的要求，更是中国制造2025的实施战略，也是服装产业转型的重要途径。如今对服装的需求不仅要舒适美观，更要功能与智能的全方位应用，为美好生活提供物质保障。而智能服装产业不仅能满足国民需求，更能为国民生产总值做出贡献，摆脱传统纺织行业所带来的行业危机。