劉冬梅

智能織物和可穿戴技術(shù)對研究人員、設(shè)計(jì)者和工程師來說，是一個(gè)獨(dú)特而必要的對象，他們要通過跨學(xué)科和交互領(lǐng)域來研發(fā)紡織品及成衣產(chǎn)品，要通過整合傳感、驅(qū)動(dòng)、電子、能量等方面對紡織結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新。由于智能織物具有功能多、穿著輕巧舒適的特點(diǎn)，被視為高生活品質(zhì)的促進(jìn)者和生物醫(yī)學(xué)發(fā)展的推進(jìn)者。它有利于促進(jìn)醫(yī)療保健產(chǎn)業(yè)發(fā)展，有助于紡織、時(shí)尚和服裝設(shè)計(jì)方面的學(xué)術(shù)研究。

隨著微化電子學(xué)和信息學(xué)（計(jì)算機(jī)、微型傳感器、信號處理、傳輸?shù)龋┭芯康男逻M(jìn)展，多元、高智能、多功能的紡織品逐漸走入人們生活，衣服不僅要舒適并且具有滿足不同需求的電子設(shè)備。

“電子交互紡織”技術(shù)已在數(shù)年前就從穿戴式計(jì)算機(jī)領(lǐng)域衍生出來。穿戴式計(jì)算裝置已不再是新鮮的話題，但那種笨重而尷尬地附在人們身上的形式已成過去，取而代之的是觸摸、聲音和體溫的相互作用。盡管如此，電子紡織業(yè)的研究仍方興未艾。我們可以清楚地看到幾個(gè)重要的研究方向，它暗示著那些應(yīng)用軟件在不久的未來將會(huì)引人注目。

現(xiàn)代E-服裝

E-服裝在過去就意味著電子產(chǎn)品附帶在身體上，但今天的E-服裝能為使用者提供很多方便應(yīng)用的程序，并且與普通服裝看上去沒有兩樣，它天衣無縫地嵌入穿者所熟悉的服裝，如襯衫，剩下所需要做的就是指導(dǎo)用戶如何使用，并達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。例如，合適的傳感位置，能讓穿者感覺不到它的存在。又如，把其中一個(gè)安置在腰帶上或安放在人體某個(gè)指定需保護(hù)的部位。比起零散的部件配置，E-服裝的優(yōu)勢在于，線路就是紡織纖維本身，線路不容易被打亂或糾纏懸掛在外，被周圍的物品鉤住。

當(dāng)然，要想消費(fèi)者接受，這些智能穿戴就必須時(shí)尚好看。他們還可把組件安置在連接紡織物的夾層，口袋和縫合處，同樣也可安裝在普通的部件上，例如紐扣、鉚釘和拉鏈上。

不同于過去的工藝

智能穿戴促使電子元件進(jìn)一步微型化，以便能分散地安裝在整個(gè)紡織品上。這也意味著紡織品設(shè)計(jì)專家不再是傳統(tǒng)意義上的設(shè)計(jì)師，而是既懂醫(yī)學(xué)，又懂電子，還懂材料學(xué)和纖維，包括紡織服裝和時(shí)尚的專家?，F(xiàn)代織機(jī)已高度自動(dòng)化，電腦控制，能高速運(yùn)轉(zhuǎn)?？棛C(jī)在織造時(shí)運(yùn)用交叉技術(shù)即可在纖維制品嵌入傳導(dǎo)性和傳感性的元件。

導(dǎo)電涂層：用鎳或銅作為紡織品涂層，利用其典型的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)電是一個(gè)不錯(cuò)的解決方案。用電鍍技術(shù)為一套制服鍍上導(dǎo)電涂層，這在過去十分昂貴，但今天可以利用新技術(shù)降低成本。

汽化涂層：紡織品基底是開放性元素，可由汽化金屬組成，典型的就是鋁，濃縮之后覆蓋在表層，形成涂層。汽化過程可產(chǎn)生各種不同厚度的涂層，導(dǎo)電程度也各不相同，同時(shí)相對薄一點(diǎn)的涂層正在研究中。

導(dǎo)電聚酯：若用常規(guī)方法，過程十分困難。紡織品基底的涂層都是具有傳導(dǎo)性的高分子聚合物，例如聚苯胺就是很好的導(dǎo)電材料。目前，這些種類的聚合物用于具有傳導(dǎo)性和抗靜電的紗線、纖維和薄膜。其涂層的導(dǎo)電性比金屬更強(qiáng)，持續(xù)性也好，無腐蝕。

炭化處理：這個(gè)過程用于制造一件服裝，使其適應(yīng)溫度的變化，讓體溫變化范圍在0.5攝氏度以內(nèi)。這就涉及到要?jiǎng)?chuàng)建紡織炭化爐，溫度保持在1000攝氏度，來制造導(dǎo)電的紡織品。

導(dǎo)電油墨：導(dǎo)電油墨技術(shù)為電子交互紡織的發(fā)展提供了另一選擇。用該技術(shù)讓產(chǎn)品互動(dòng)，如T恤、語音圖書、包裝和墻紙都已申請專利。導(dǎo)電油墨技術(shù)即使彎折和洗滌也不會(huì)失去導(dǎo)電性。導(dǎo)電油墨目前應(yīng)用于各類科技，如凹版、柔性版和旋轉(zhuǎn)絲網(wǎng)印刷，可用輥把油墨涂在印刷基板上。

結(jié)合技術(shù)：早些時(shí)候，討論監(jiān)控健康的技術(shù)是為了創(chuàng)建智能紡織品，讓它具有導(dǎo)電性能。包括輸入和輸出設(shè)備、傳感器、電能是創(chuàng)建電子交互紡織所必需。輸入設(shè)備，包括鍵盤、語音和手寫識別系統(tǒng)，可開發(fā)出來錄入電子交互紡織數(shù)據(jù)錄入。輸出技術(shù)，則包括陰極射線管（CRT）、液晶顯示器（LCD）、鏡面顯示器和靈活的發(fā)光顯示器。傳感器就是個(gè)小型的電子設(shè)備，可接收和響應(yīng)刺激，發(fā)送給和電子紡織功能相關(guān)的用戶?？砂阉鼈?nèi)诤系郊徔椈桌铩?/p>

能源供給技術(shù)：通常由電池提供電量，激活電子紡織品中各類組件。近年來，電池變得更小，但電力卻更充足，防水性（可洗的）更強(qiáng)，成本更低。一種由絲網(wǎng)印刷制作的氧化銀膏，涂在基底上，生產(chǎn)出的電池只有120微米厚。太陽能和人體產(chǎn)生的能量，也被視為電子交互紡織技術(shù)的電源。

纖維材料：（A）自然導(dǎo)電纖維。自然導(dǎo)電纖維或?qū)щ娊饘倮w維，可由導(dǎo)電的金屬如鐵合金、鎳、鈦、鋁、銅和碳開發(fā)而來。金屬纖維細(xì)薄，每根直徑只有1～80微米或0.001到0.080毫米。在加工過程中，纖維從金屬板的邊緣掉落。但高導(dǎo)電金屬纖維昂貴，且隨著時(shí)間的推移，它們易碎的特性會(huì)損害設(shè)備。此外，它們比大多數(shù)紡織纖維重，且同質(zhì)混合生產(chǎn)也十分困難。（B）人造導(dǎo)電纖維。導(dǎo)電纖維也可通過鍍上金屬，帶電物質(zhì)金屬鹽涂層，如銅硫化物、碘化銅等來導(dǎo)電。電涂料還可提供相對較高的導(dǎo)電率，但只適用于導(dǎo)電基體，如石墨和碳纖維等。考慮到制造業(yè)的復(fù)雜性和費(fèi)用消耗，電鍍涂層通常不用于紡織品。各種纖維鍍上金屬鹽涂層，可用于傳統(tǒng)的紡織工業(yè)。這些涂料只具有低導(dǎo)電率。這大大降低了織物的導(dǎo)電率。

組合方法

粘合，裝訂與連接：使用導(dǎo)電膠粘劑將組件插入到紡織基底。無毒、高導(dǎo)電、高彈性且非常靈活的導(dǎo)電膠，可以用于粘合剛性組件和靈活的紡織基板。當(dāng)基片彎曲或曲折時(shí)，電路則可自由移動(dòng)。組件也可貼在導(dǎo)電縫合處，形成紡織電力回路。然而，這樣的彎曲，使連接基底組件的針，在紡織中加速磨損。加入電子組件的纖維紡織網(wǎng)框架可直接縫合在織物電路上。線程引導(dǎo)的電子元件可縫合、穿孔或編織，基底限制了組件的特定位置，讓導(dǎo)電線程最終均衡。

傳感器的位置：在某些應(yīng)用程序中，例如，運(yùn)動(dòng)檢測傳感器或麥克風(fēng)中，放置的傳感器可讓數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生巨大的差異。應(yīng)用程序的質(zhì)量，往往取決于傳感器數(shù)據(jù)的質(zhì)量。例如，對耐磨面料中，扭轉(zhuǎn)和彎曲布料，可改變傳感器的相對位置。有的應(yīng)用程序加入聲音信號，其頻率范圍受制于兩傳感器之間的距離。

傳感器的種類：（A）血壓測量傳感器。壓力傳感器用于感受血壓變化，傳感器和所有元件產(chǎn)生電信號的變化和壓力的變化成正比。之后總檢處會(huì)逐漸釋放壓力，跟隨電流，直到檢測到脈沖。壓力傳感器設(shè)備可讀取血壓變化，并把這些數(shù)據(jù)記錄下來或進(jìn)行轉(zhuǎn)換。（B）體溫測量傳感器。熱敏電阻對溫度非常敏感，電阻值會(huì)隨著溫度變化。不像熱電偶，熱敏電阻的電阻值沒有標(biāo)準(zhǔn)，與它的溫度或扭曲程度相關(guān)。有兩種主要類型的熱敏電阻：正溫度系數(shù)（PTC）電阻和負(fù)溫度系數(shù)（NTC）電阻。正溫度系數(shù)PTC熱敏電阻，電阻會(huì)隨溫度的升高而增大。負(fù)溫度系數(shù)NTC熱敏電阻，電阻會(huì)隨溫度的升高而以非線性的方式下降。為了降低這種非線性因素，會(huì)將多個(gè)熱敏電阻元素結(jié)合在一起。雖然熱敏電阻比一些其他類型的溫度傳感器更準(zhǔn)確，但它們有限定的溫度范圍。

測量心率的最簡單方法是使用心率傳感器。它通過指尖的維管組織和相應(yīng)的光強(qiáng)度的變化來測量，光強(qiáng)度的變化則要通過組織中血容量的變化來體現(xiàn)。儀器簡單實(shí)用，可以用來測量人的心跳，甚至測量更多其他頻率。

不同于心電圖儀（ECG）可監(jiān)測心臟的電信號，心率傳感器通過測量血管中紅外透射率的變化來測心跳。心跳促使血液通過全身血管，血液隨著時(shí)間和相應(yīng)光強(qiáng)度的變化而變化。通過這種方法可以測定心率。

網(wǎng)絡(luò)和通信

數(shù)據(jù)都是從許多傳感器獲取，許多問題，如個(gè)體傳感器，在織物中數(shù)據(jù)路徑的布局，單元位置的處理以及路徑策略，在設(shè)計(jì)織物圖案時(shí)都發(fā)揮著重要作用，特別是對功率的消耗。其中互聯(lián)可能是一個(gè)最難處理的環(huán)節(jié)。在電子工業(yè)中，互聯(lián)不僅包括連接兩條線路，或把電子元件和導(dǎo)線相連。相互連接的常用方法是焊接。組件也可連接到導(dǎo)線上，用連接器絕緣位移和點(diǎn)焊的方法。另一方面，可縫合連接兩塊面料。當(dāng)兩塊E-紡織品必須相互關(guān)聯(lián)時(shí)，也就必須同時(shí)考慮這兩個(gè)問題。因此，在電子組件和紡織品之間，有必要開發(fā)新類型連接方式。若這個(gè)E-紡織品使用的是耐磨面料，那么必須注意，要確保讓穿戴它的人感到舒適。大多數(shù)E-紡織品應(yīng)用程序都是獨(dú)立的應(yīng)用程序，里面包含有嵌入式傳感器和計(jì)算實(shí)體。

面料特性

能量功耗還依賴于軟件執(zhí)行時(shí)間和數(shù)據(jù)檢索的方式。此外，事實(shí)上有限的計(jì)算邏輯，可能增加嵌入式織物的執(zhí)行時(shí)間。

舒適度：耐磨織物所用的紡織物材料有可塑性，要有足夠的舒適系數(shù)。當(dāng)織物中的線被導(dǎo)線取代，導(dǎo)線的硬度可能會(huì)改變其品質(zhì)，讓穿戴者感到不舒服。這是在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮到的一個(gè)重要的因素。

耐久性：在大多數(shù)的電子應(yīng)用程序中，傳感器的位置是準(zhǔn)確固定的。但當(dāng)把這些傳感器融合到織物中，織物的靈活性會(huì)改變這些傳感器之間的相對位置。這種靈活性可能受阻，也可能是有利因素，在這些應(yīng)用程序中，傳感器的位置扮演著重要角色。為了讓電子交互紡織品成功進(jìn)入消費(fèi)市場，它們必須容易護(hù)理，能夠周期性地維護(hù)其電導(dǎo)率?？纱┐麟娮咏换ゼ徔椘凡荒芤蛏眢w的運(yùn)動(dòng)、壓力、織物的靜電、汗水和身體熱量而遭到破壞。日新月異的技術(shù)可為我們帶來不同的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

人類已存在諸多把紗線轉(zhuǎn)變?yōu)榧徔椘返募夹g(shù)。這些技術(shù)代表著以各種可能的電氣連接方式。當(dāng)其用于E-紡織品時(shí)，E-紗線就將面臨彎曲、拉伸和剪切。在穿戴的過程中紗線有可能被拉伸。晶體管材料承受拉伸應(yīng)變值相對較小。那么，需要重新配置新的本地互聯(lián)組件電路，這將取決于E-紡織品的中樞網(wǎng)絡(luò)功能。此外面料磨損與剪切摩擦，這是E-紡織品另一需要了解和預(yù)防的問題。

E-監(jiān)控服裝已逐漸成為人類的第二皮膚。它提供了新的手段，讓用戶周圍的環(huán)境和其身體相互作用。可應(yīng)用于娛樂、運(yùn)動(dòng)、健康和專業(yè)安全保障方面。紡織傳感器提供的是耐磨損的傳感器;其加工過程更長。從不同傳感器中組合信息，運(yùn)用先進(jìn)的信號處理方法，從原始信號中提取和選擇可靠的信息。E-監(jiān)控健康的紡織品還需要進(jìn)行大量的研究來解決相關(guān)問題。