新型电子智能纺织品的开发及应用_电子信息智能纺织品

　　电子智能纺织品是一种基于电子技术,将传感、通讯、人工智能等高科技手段应用于纺织技术而开发出的新型纺织品。虽然目前其在商业市场上的影响还有限,但鉴于其独特的性能和广泛的应用领域,以及微电子技术、纳米技术、信息技术、生物技术、新能源技术等的不断结合,该类产品发展前景巨大。
　　E-smart Textiles is a kind of novel textiles which is based on electronics, integrating some hi-tech solutions such as sensing, telecommunication and artificial intelligence into textiles. While E-smart textile applications have made a limited commercial impact so far, with relatively small volumes of commercial products launched primarily in the high performance apparel sector, predictions for growth of this market as a whole are huge. As deep integration of several cutting-edge technologies such as micro-electronics, nanotechnology and biotechnology,e-smart textiles is one of the most dynamic and fast growing sectors and offers huge potential.
　　
　　1电子智能纺织品前景巨大
　　
　　智能纺织品是指能够感知各种来自环境的变化或刺激如机械、热、光、温度、电磁、化学物质、生物气味等,并能作出响应的一类纺织品。从功能上划分,可包括智能保温、生理状态遥测、太阳能发电、可穿戴技术、形状记忆、智能透湿防水、感温变色、电子化服饰等。本文主要讨论结合应用了电子技术的智能纺织品。
　　电子智能纺织品是基于电子技术,将传感、通讯、人工智能等高科技手段应用于纺织技术上而开发出的新型纺织品。近年来,国外许多纺织研究机构已开始致力于这一领域的研发,其中美国、英国、日本和比利时等一些发达国家的研究已处于领先地位。由于智能纺织品的终端消费市场巨大,分布广泛,因而难以片面笼统地预测其市场前景。
　　到目前为止,电子智能纺织品的商业影响还较为有限,其产品主要集中于一些高性能服装领域。据美国Venture Development公司报道,2005年全球电子智能纺织品的产值超过 3.4 亿美元,2008年达到了 7.2 亿美元,年增长率超过28%。另据美国BCC研究公司预测,2012年美国导电织物的销售总额将达 3.92 亿美元,年增长率将达 38%。据调查,目前终端消费品(如时装、运动及休闲装等)在电子智能纺织品中已经占有绝对优势,而在信息、能源、航空航天、国防工业、生物医疗以及交通安全和舒适等高科技领域也将得到快速发展。
　　
　　2新型电子智能纺织品的开发与应用
　　
　　2.1体育休闲服饰
　　目前,电子智能纺织品最成功的应用主要在于提升了高端产品的性能(增加 1 ～ 2 项新的功能),同时加上智能设计从而达到吸引消费者的目的。可穿戴技术目前已成为这一领域的开发焦点,其产品包括滑雪服、滑雪手套以及带有各种电子显示面板或键盘的服装等,它们价格高昂,主要是为了平衡不菲的研发成本。据全球著名的咨询公司Frost & Sullivan公司介绍,在生产加工中,可穿戴技术可通过提供车间、装配线以及操作区中与生产相关的数据和信息的移动接入而提升工厂管理系统的效率。
　　目前这一领域的佼佼者包括:美国体育用品公司 O’Neill,其代表产品为一款带有键盘(用于控制MP3播放器)的滑雪夹克;Nike公司,其与电子产品生产商Apple(苹果)共同开发了一款带有计步器的跑鞋,鞋中的计步器可与苹果公司的iPod nano音乐播放器进行互动,计步器可将数据无线传输至iPod,以更好地了解跑步距离和速度等数据。此外,德国体育用品生产商Adidas与Rosner、英国的Burton以及美国的The North Face公司在这一领域也非常活跃。他们推出的产品清楚地展示了未来智能服装的发展趋势,即设计感强,并具有简易的可操控性,因为这与处在特殊使用环境中的穿着者联系紧密。
　　在不远的未来,市场上其他一些值得期待的产品还包括不用肢体就能进行交流的职业装,以及能对极端环境进行感知并进行急救感应的夹克等。将由GPS(全球定位系统)驱动的新型传感装置结合在智能纺织品中后可精确定位用户所处的位置,即使在极端恶劣的环境下使用也没问题。
　　电子纺织产品与高性能之间及时整合技术的缺失,是阻碍目前电子智能纺织品获得突破的一个因素。将传统的电子元件如刚性印刷电路板(PCB)植入服装内并不是理想的集成方法,因为电路不能随织物一起变形。另外,在不移除电子元件的情况下也无法方便地对衣物进行清洁。如果能将电路织物化,使其能像织物一样产生形变(如可拉伸到一定程度),甚至是可清洗,这样就具备了很高的集成度,从而也将为大规模应用铺平道路。比利时Gent(根特)大学电子实验室开发了一种可伸展的电子技术,可通过普通的纺织加工过程将电子系统与织物相结合。这种可挠可伸展的电子系统与传统的刚性印刷电路板相比提升了用户的舒适感。通过模压技术,电路被完全嵌入到聚合物材料中,因此具备了可洗性。
　　尽管如此,在电子智能纺织品成为电子产品与服装领域的消费主流之前,还有很多问题要克服,如灵活性、使用寿命与稳定性等,而成本也是重要因素之一。
　　2.2监测与健康护理
　　随着人们健康意识的提高,智能纺织品越来越多地融入体育和医疗器材以及植入系统中,用于监测心率、体温以及其他生理功能。智能纺织品必须舒适且不过分夸张,可抵御恶劣及多变的环境,可靠性佳,这一点在医疗领域显得尤为重要。
　　目前,用于健康监测的产品很少有商业化的,投入使用的产品大多专为运动员设计使用。英国的BodyMedia可提供人体连续监测方面的解决方案;CuteCircuit开发的衬衫可根据蓝牙指令进行伸展或收缩。美国Textronics公司则开发了NuMetrex心率监测运动胸罩;加利福尼亚的VivoMetrics公司开发的用于医疗领域的Lifeshirt可监测一系列生命体征。
　　光纤将为新型智能纺织品的开发提供重要支撑,因为它们不仅灵活性高,而且还可将光用作信息的载体以及材料本身的传感器。医院里通常会通过将 1 个血管夹夹在患者的手指上以测量红光与红外光通过病人手指时的吸收率,从而判断血液的富氧或缺氧情况。Ofseth项目组希望能将这种测量方法应用于服装中,不用手指血管夹,而是将光纤围绕在智能服装的颈部。
　　Biotex项目正寻求一种融于纺织品中的化学监测技术,以用于急救领域。大多数智能纺织品都希望保持干爽,而该项目则希望开发一种特殊的传感器,用于测试人体体液如汗液等的传导性、电界液层、温度以及pH值等参数。目前为止,该项目的研究尚停留在体育应用领域,因为医疗领域的应用要难得多,且对可靠性的要求非常苛刻,需要得到多方的认证和肯定。如果成功的话,可通过将生物传感器与伤口渗出物接触以监测伤口的愈合情况。
　　近日,位于英国的SmartLife技术公司开发的针织“线状电子换能器”获得了一项国际专利。据悉,该装置呈针织结构,至少包括 1 个以导电纤维为原料的针织结构换能区,可编入服装中用于监测病人的健康状况。针织结构的变化将引起换能区电性质发生改变。通过监测这些变化,将有可能获得其变化规律,从而在应用于服装中特别是贴身服装时能更好地监测人体活动的情况。
　　近日,由加拿大Concordia大学Barbara Layne教授与英国伦敦大学Janis Jefferies教授分别带领的两个研究小组联合发表了一项声明,声称他们已经开发了一种高度智能的交互式服装。该服装结合了独特的工程连接器、软电缆系统以及时尚的外观设计,样机将无线技术与生物传感装置进行结合以充实声音和影像信息数据库。服装中的无线传感器和生物传感装置用于记录穿着者的体温、心率、皮电反应以及呼吸频率,这些数据通过互联网上传至数据库中,然后数据库会在必要的时候将这些信息反馈给服装。当穿着者感到压力大、悲伤或失望时,服装中的生物传感器会促使服装接收一些让人愉悦的信息如照片、视频、音乐等,织物中的LED上则对此进行显示,用于振奋精神,改善心情。
　　在高级竞技中,心率监测是一项重要内容。Vital Jacket HWM(Heart Wave Monitor)是一种能持续监测(最长连续监测时间为 72 h)穿着者ECG(心电图)和心率的智能T恤,目前由英国的Optima�life公司独家供应。将纺织品与微电子相结合,Vital Jacket将生命体征监测技术与T恤相融合,从而实现了ECG监测仪的植入。与T恤相连的是 1 件轻巧的带有SD存储卡(容量为 1 G)的测量元件,可方便地握于手中或置于T恤的口袋中。实时数据存储在SD卡中然后通过蓝牙发送给 1 台笔记本电脑。据称,该移动装置使用便利,无需与固定ECG测试仪相连,避免了繁多的连接线,可跟随穿着者灵活移动,监测能力提升,是体育、医疗与健身领域生命体征监测的一项重要成果。
　　在用于监测生命体征的电子智能纺织品中,由于在开发有效的用于保持电子联系且无需使用传导性聚合物的传感器方面存在困难,这一领域的突破受到一些限制。此外,在医疗领域中,当电子智能服装被用于监测人体健康时,技术和功能的可靠性极其重要,不能对穿着者的皮肤造成不适等症状。随着老龄化人群的日益增多,这一领域具有极大的发展前景。
　　2.3军事及航空航天领域
　　虽然电子智能纺织品行业仍处于起步阶段,但它在军事、医疗和体育器材等方面具有巨大的应用前景。医疗健康领域固然是一个巨大的市场,但军事领域更不容忽视,目前这一领域正在开发将液态装甲、电流源、光能以及无线多媒体设备置于服装中。Soldier Warrior Systems(勇士系统)是一项研究和开发如何将电导与光导网、微型传感器以及电子装置与服装进行结合的项目。该系统配备了多种电子通信和显示装置,可为位于地面的士兵提供一些必要的信息和预警。通过将轻质电线和传导光纤织入士兵的服装或备选装置中,不仅可以节约成本,而且大大减轻了装备的重量,为光电纺织品应用于其他工业领域打下了基础。
　　我国对智能作战服也进行了深入研究,如在作战服中嵌入生化传感器用以监测士兵的心率、血压和体表温度等生命体征,甚至可通过嵌入超微感应器辨别伤者体表的出血部位,并在作战服中植入微电脑,结合远程控制技术使该部位周围的军服收缩,起到止血的功能;智能降落伞在跳伞士兵失去控制能力时能够自动打开,并根据所检测到的空中和地面具体情况改变飞行方向和速度等等。
　　近日,欧洲航天局(ESA)与丹麦智能纺织品专业开发商Ohmatex公司签署了一份协议,将共同开发和测试一种智能袜子装置,以描绘大腿肌肉的代谢活动。该项目旨在开发一种特殊的袜子,即将近红外传感器和基于纺织品的EMG(肌电)电极进行集成,EMG传感器可通过织袜机或针织横机与袜子进行结合,而近红外传感器则很可能被塑于袜子上。Ohmatex公司将利用其丰富的纺织传感器开发经验评估找出最佳的开发方案。如果开发成功,将有助于监测和维护执行探月等航天任务的航天飞行员的健康,减少其肌肉受损的可能。
　　2.4其他领域
　　在EU(欧盟)启动的第 7 个框架计划(Framework programme)中,PLACE � it是获得资助额最大的ICT项目,其目的是研究将电子元件与日用品进行集成,从而使物品可发光,同时还拥有弹性、舒适性以及可洗性等技术性能。整个PLACE � it计划将持续 3.5 年。据介绍,该技术研制成功后可用于新式的照明设计甚至是窗帘中,用于模拟自然光照,此外,用于学生的服装后可起到警示作用,从而使其在繁忙的交通中得到更安全的保护。
　　最近,芬兰TAMK应用科学大学开发了一种独特的带有照明系统的经编帘,并准备应用于蔬菜培植温室中。通过这种经编帘,农作物生长所需的光线将通过置于作物列与列之间的节能LED照明系统产生。经编幕帘宽约 1 m,当农作物及温室需进行维护时,帘子可轻易被卷起。比如,1 块 2 公顷的温室种植地需要安放 12 km的LED幕帘。根据研究,农作物在不同的生长阶段(除结果阶段)对色温的要求不尽相同,而经编帘中LED照明的功率及色温正好可以进行调节和优化。据估计,使用这种方法后,温室的能耗最多可降低一半,且LED照明的使用寿命可比目前广泛应用的高压钠光灯长 2 倍。目前,该技术已在多个国家取得了专利,其中在芬兰还注册了应用模型,并率先应用于黄瓜种植。Netled公司目前拥有这项专利的使用权,并希望将其商业化。该公司称,这种经编照明帘在北欧、中欧以及加拿大将有一定的市场前景,因为这些国家和地区常年光照不足,农作物生长受到很大影响。据称,这种技术除了可应用于农作物种植外,还将被用于花卉种植和室内装饰。
　　
　　3发展趋势
　　
　　目前国内外开发的电子智能纺织品中,大多是将柔性电子元件植入纺织品内部,使传感器、柔性纺织品开关、柔性电子线路板、导电纱线等与纺织品融为一体。这种智能纺织品只不过是将先进的插拔技术或电子器件融入传统纺织品中,因此它们在人体穿着或工程应用等方面与传统的纺织品相比还有一定的差距,包括舒适性、外观、质地等。随着国内外许多采用融合技术的电子智能纺织品的研制成功,将来智能纺织品的研究将会逐渐脱离融合技术或是安置技术,而是会在 2 种产品的原材料制造或服装面料的织造过程中就已经有机地结合在一起,这样就使电子智能纺织品不仅在功能上满足人们的要求,同时在纺织品的质地、外观以及穿着舒适性上也能满足人们的要求。如纺织计算机的开发设计与研制,是指一种根据织造学理论、参照织物结构,利用模拟传统纺织品中纱线以及纤维的物理形态设计制造的元器件而组装的智能化装备。
　　随着科技的不断发展,微电子和纳米技术为电子智能纺织品领域带来了更多的机会。其应用包括:传导性纤维及功能性纺织品的应用(包括长丝和纱线);胶囊植入、织入及缝入;传感器和电池技术;RFID(收音机频率识别)等。而纳米技术与信息技术、生物技术、新能源技术等的结合,则进一步提升了纤维和服装面料向智能化转变的可能性和质量。
　　
　　专家视点
　　
　　施楣梧,男,1957年生,教授级高工,少将,现任总后军需装备研究所材料与工效研究室主任、士兵系统研究中心副主任,在军用纺织材料和军需装备、战场防护救生装备和个体防护装备等领域成果颇丰。
　　
　　纺织导报:在近几年出现的智能纺织品中,您比较关注的有哪些?您认为这一领域将来的发展趋势如何?
　　施楣梧:目前,国际上我所关注的智能纺织品主要有以下几种。
　　(1)电子信息智能纺织品。如可实时在线监测人体生命体征如心跳、脉搏等的纺织品及织物,采用手机通讯网络可以实时检测病人、老人、战士、儿童的生理状态及位置;在此基础上采用实时在线超声定位和计算机分析甚至可以遥测老人、战士、运动员的姿态。
　　(2)光电纺织品。如带有柔性太阳能电池的服装,可供手机、电脑的野外用电;军人使用的可控变色迷彩服,可根据所处地貌呈现所处环境的典型颜色;基于光纤的可控发光装饰织物,可营造舞台气氛,形成简单的发光矩阵显示特殊图案。
　　(3)压电纺织品。如压电地毯,将压电元件安装在地毯上后,在门厅、迪斯科舞厅等地受众多人群踩踏时能产生电能。
　　(4)织物传感器。如化学品传感器,可感知生化战剂、煤气等。
　　关于智能纺织品的发展趋势,我个人认为上述几种典型的智能纺织品将在近几年内得到比较迅速的发展,逐步成熟并应用于军队、运动员、病人等特殊群体,以及其他场合与人群。
　　
　　纺织导报:智能纺织品属高、精、尖领域,目前还处于起步阶段,您认为目前除了技术上的障碍之外,还有哪些其他问题需要解决?
　　施楣梧:技术上的障碍是难以一步跨越的。另外,我觉得还需要关注以下几点:(1)缺乏原创思路,特别是国内研究者多模仿国外思路及产品,缺少创新;(2)需要多学科知识的交叉应用;(3)目前我国的智能纺织品领域在人力结构上还未形成强有力的研究团队;(4)在尚未形成智能化模型前,这一领域的项目不易得到较大量的经费支持。