許黛芳

(嘉興學院，浙江 嘉興 314001)

1 引言

隨著國內(nèi)外智能服裝的發(fā)展，智能女性運動內(nèi)衣受到廣泛關(guān)注。智能運動內(nèi)衣能夠模擬生命系統(tǒng)，具有感知和回饋雙重功能，一方面能感知外部環(huán)境或內(nèi)部狀態(tài)的變化，另一方面通過反饋機制能對這種變化做出反應[1]。近年來，國內(nèi)外許多專家和研究機構(gòu)基于柔性織物傳感器制成集通訊、監(jiān)測、診斷以及治療等多功能的智能女性運動內(nèi)衣，實時獲取、分析和傳輸溫度、心率、呼吸、血壓和血氧等生理信息[2-6]。目前國內(nèi)外對智能女性運動內(nèi)衣的研究還處于探索、模仿與試驗階段，智能女性運動內(nèi)衣存在美觀性、舒適性、耐水洗性和可重復使用性不足的問題。智能女性運動內(nèi)衣是多學科交叉的產(chǎn)品，涉及醫(yī)學、生理學、電子信息學、人體功效學和服裝設計等領(lǐng)域，具有較強的跨學科性，需要各領(lǐng)域的研究人員共同合作開發(fā)。本文主要綜述了智能女性運動內(nèi)衣的研究現(xiàn)狀及研究趨勢，并展望了智能女性運動內(nèi)衣的發(fā)展前景。

2 智能女性運動內(nèi)衣的研究現(xiàn)狀

2.1 功能性纖維

具有良好吸濕、排汗、透氣性能的纖維原料是智能運動內(nèi)衣面料的首選。目前運動內(nèi)衣常采用的纖維原料是吸濕排汗纖維(Coolmax、Coolplus、Cleancool、Cooldry等)與保暖纖維(ThermoLite、Outlast等)。國內(nèi)外對運動內(nèi)衣的面料進行了大量的研究。王美麗[7]選用十種常用運動內(nèi)衣面料，分別對這幾種面料的基本參數(shù)、彈力性能及熱濕舒適性能進行測試，初步建立了運動胸衣面料和性能之間的人工神經(jīng)網(wǎng)絡模型，預測分析了面料參數(shù)對運動內(nèi)衣熱濕舒適性和壓力舒適性的影響規(guī)律。魏林娜[8]選取Cleancool、Cooldry、Coolplus、Coolmax纖維用平針添紗組織織造了4種無縫運動內(nèi)衣面料，研究發(fā)現(xiàn)Cooldry吸濕快干性更好，并研究了織物結(jié)構(gòu)對無縫運動內(nèi)衣面料性能的影響。周歡慶[9]選用Cooldry、Thermolite、Tencell共混織造無縫運動內(nèi)衣，對內(nèi)衣面料的吸濕速干性進行綜合評價，結(jié)果表明：面紗與地紗都是非彈力紗1∶1間隔得到的織物吸濕速干性及保暖性較好。我國內(nèi)衣公司也將蘆薈纖維、蠶絲蛋白纖維、天絲棉、莫代爾等綠色環(huán)保纖維用于運動內(nèi)衣來改善其舒適性。Joanne Yip等人[10]研究了三維間隔纖維在運動文胸罩杯及泳衣襯墊材料的應用。目前，國內(nèi)外女性運動內(nèi)衣功能性纖維原料的研究主要集中在新原料的開發(fā)、內(nèi)衣的熱濕舒適性、人體壓力分布[11-15]、組織結(jié)構(gòu)的改變等方面。

2.2 柔性傳感器

隨著智能可穿戴技術(shù)的高速發(fā)展，智能可穿戴設備被應用到醫(yī)療、工業(yè)、娛樂等多個領(lǐng)域，越來越多的企業(yè)致力于開發(fā)智能紡織品。柔性傳感器具有輕薄便攜、電學性能突出、集成度較高等特點，智能可穿戴設備中的柔性傳感器受到廣泛關(guān)注。柔性傳感器可分為柔性壓力傳感器、柔性應變傳感器、柔性氣敏傳感器、柔性光纖傳感器等幾大類。Liu Yang等人[5]將多個電子傳感器植入運動內(nèi)衣，構(gòu)建智能可穿戴運動內(nèi)衣系統(tǒng)，可獲取、分析和傳輸心電、血壓、呼吸、體溫等生物醫(yī)學信號，傳感器收集到的數(shù)據(jù)通過藍牙發(fā)送到中央監(jiān)控系統(tǒng)。美國研究人員發(fā)明了乳腺癌智能胸罩，將傳感器內(nèi)置胸罩，通過測量乳房溫度的變化來確定是否有乳房腫塊。國內(nèi)高校也對將柔性傳感器應用于智能可穿戴設備進行了研究。大連理工大學將棉布經(jīng)過高溫碳化后利用柔性襯底制成柔性可穿戴應力傳感基本單元。天津工業(yè)大學將內(nèi)層織物、中間層織物、外層織物、柔性填充物和光纖壓力敏感單元組成光纖脈搏傳感織物用于監(jiān)測人體生理體征。東華大學將導電燈芯絨作為傳感器用于足底壓力的檢測。柔性傳感器在發(fā)展的過程中也存在一些問題，如材料合成與器件整合的相關(guān)技術(shù)還不夠完善，柔性傳感器靈敏度、精準度、穩(wěn)定性和柔軟度有待提升，柔性傳感器的功能性需要拓寬。隨著智能紡織品的發(fā)展，柔性織物傳感器是主要發(fā)展方向。柔性織物傳感器主要將導電紗線織入織物，或通過對織物進行導電涂層整理實現(xiàn)。采用電活性聚合物材料的紡織纖維可制作壓阻和壓電傳感器等裝置，可編織的金屬電極可制作生物電極傳感器，光纖可制作光纖傳感器，用來監(jiān)測人體多個生理信號或變量。表1列出了電子織物可監(jiān)測的主要生理信號或變量，監(jiān)測所需的傳感裝置和電子織物中的執(zhí)行元件。

表1 電子織物可監(jiān)測執(zhí)行元件

2.3 紡織生物電池

所有可穿戴式設備都受到電池技術(shù)的限制，功耗控制水平將直接影響用戶體驗?？纱┐髦悄芘赃\動內(nèi)衣的電池只有具備體積小和長時間待機的能力才能滿足連續(xù)實時監(jiān)測的需要，因此開發(fā)紡織生物電池成為研究熱點。賓漢姆頓大學的研究人員開發(fā)出了一種紡織生物電池，或可為可穿戴電子產(chǎn)品供能[16]?？椢锘姵丶词菇?jīng)過反復的扭轉(zhuǎn)和拉伸，仍具有穩(wěn)定的發(fā)電能力，與紙基微生物燃料電池相比，其功率更大。例如，Levi′s Commuter Trucker智能夾克利用可拆卸的“卡扣”來驅(qū)動夾克的高級功能。如果將電源直接編織到服裝中，那么可穿戴設備可實現(xiàn)更持久的工作。利用人體自身的化學反應給可穿戴式智能設備供電的技術(shù)也在研究中。

2.4 無線通信

隨著智能手機和平板電腦等移動終端的推廣與普及，可穿戴智能設備大多依托移動終端來進行數(shù)據(jù)的接收和分析。傳感器檢測節(jié)點與移動終端一般是通過短距離無線傳輸?shù)姆绞竭M行數(shù)據(jù)通信，如低功耗藍牙技術(shù)、Zig Bee、WiFi derect等。Continua健康聯(lián)盟制定了無線醫(yī)療數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉藴史绞?。?2 是幾種無線傳輸方式的性能對比。

表2 幾種無線傳輸方式性能對比

Zig Bee具有效率高、低功耗、可自組網(wǎng)等特點[17]，但目前市場上幾乎沒有支持該協(xié)議的智能手機和平板電腦。易紅霞等人[18]采用鍍銀導電紗線編織針織柔性傳感器集成在智能服裝上，構(gòu)建基于ZigBee的無線網(wǎng)絡以及終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點之間的無線信號傳輸系統(tǒng)采集人體生理參數(shù)，并通過拉伸試驗驗證了該針織物柔性傳感器及其接入ZigBee無線網(wǎng)絡的可行性。MICS 是一種超低功耗的移動通信服務，主要用于植入式心血管疾病的治療，目前還沒有得到廣泛的使用。IrDA 具有傳輸速率快、超低功耗的特點，但是只能點對點傳輸。傳統(tǒng)藍牙廣泛用于手機、平板電腦和 PC 等之間短距離傳輸，連接方便。而低功耗藍牙4.0 集合了傳統(tǒng)藍牙、高速技術(shù)、低功耗技術(shù)，并且符合對等網(wǎng)絡技術(shù)(peer-to-peer)通信，這一特點使得藍牙成為可穿戴智能運動內(nèi)衣設備無線傳輸?shù)闹髁鞣绞健Ｆ顔讨甗19]設計了一款基于移動平臺的智能文胸，對智能文胸硬件進行概要設計及元器件選型，然后分別對電源模塊、低功耗藍牙控制模塊、驅(qū)動電路模塊進行設計開發(fā)，最后完成PCB板的繪制和制作。

3 智能女性運動內(nèi)衣的研究趨勢

從女性運動內(nèi)衣的發(fā)展來看，女性運動內(nèi)衣可從款式、功能性材料、柔性傳感器、可穿戴智能女性運動內(nèi)衣系統(tǒng)和縫制工藝五方面進行深入研究。

3.1 款式

隨著社會經(jīng)濟和人文的發(fā)展，人們開始回歸對自然生活的向往和追求，穿著內(nèi)衣不再一味追求塑身、豐胸等效果，而更關(guān)注健康、舒適的體驗。為了滿足人們對舒適內(nèi)衣的追求，許多企業(yè)在面料、工藝、設計等方面不斷創(chuàng)新。20世紀90年代初，意大利圣東尼公司推出了無縫三圍立體織造技術(shù)，這是對傳統(tǒng)針織技術(shù)的革新。圣東尼公司研制出一系列全電腦無縫針織機，只要輸入預先編好的程序、接上紗線，只需幾分鐘就能得到設計的無縫產(chǎn)品。將女性無縫運動內(nèi)衣工藝用于智能女性運動內(nèi)衣的制造是一個研究熱點。

3.2 功能性材料

目前，國內(nèi)外對運動內(nèi)衣面料的研究大多是通過改變纖維的結(jié)構(gòu)形態(tài)以實現(xiàn)吸濕控濕的目的，而將智能高分子水凝膠材料應用于運動內(nèi)衣的研究比較少。贠秀琴[20]將PNIPAM/PVA互穿網(wǎng)絡凝膠與運動內(nèi)衣面料結(jié)合制成凝膠芯材，并嵌入到運動內(nèi)衣中，改善了運動內(nèi)衣的舒適性。因此，研究開發(fā)智能型調(diào)濕調(diào)溫材料成為當今的研究趨勢和熱點。智能儲熱調(diào)溫纖維織物可以自動感知外界環(huán)境溫度的變化進而智能吸收、儲存、重新分配和放出熱量，自動調(diào)節(jié)服裝內(nèi)溫度，使其處于較舒適的范圍。

3.3 柔性傳感器

石墨烯作為單原子層二維碳晶體，具有優(yōu)異的導電性、導熱性和機械柔韌性，在柔性可穿戴技術(shù)方面有著巨大的應用前景。然而石墨烯宏觀組裝體卻有搭接電阻高的問題，使得石墨烯宏觀體所表現(xiàn)出的性能遠低于石墨烯的理論值。通過引入導電聚合物作為碳納米管/石墨烯的有機界面粘合劑和導電連接劑，構(gòu)建三維互通導電網(wǎng)絡的方法，并將導電網(wǎng)絡嵌入到由天然蟹殼與馬鈴薯衍生物得到的柔性基底中，制備出的高性能石墨烯基導電薄膜，有望用于可穿戴智能女性運動內(nèi)衣[21]。但石墨烯基導電薄膜的耐水洗性是一個亟需解決的問題，也是未來研究的重點。

3.4 可穿戴智能女性運動內(nèi)衣系統(tǒng)

可穿戴智能女性運動內(nèi)衣系統(tǒng)由針織物柔性傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、無線傳輸模塊、供電模塊、上位機軟件及顯示模塊等組成，如圖1 所示。將導線紗線編織的針織柔性傳感器集成在女性運動內(nèi)衣，并構(gòu)建基于低功耗藍牙4.0的無線網(wǎng)絡以及無線信號傳輸系統(tǒng)，將采集到的人體生理信號通過串口通信傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點，然后利用Visual Basic 6.0的MSComm控件進行協(xié)調(diào)器節(jié)點與上位機之間的通信，通過調(diào)用相關(guān)函數(shù)實時顯示采集到的傳感器電壓變化曲線，反映出人體生理信號的變化。

圖1 可穿戴智能女性運動內(nèi)衣系統(tǒng)組成

3.5 縫制工藝

韓瀟[6]將鍍銀導電紗線引出到服裝下端身側(cè)處固定，與外層裹覆聚氯乙烯的導線連接，利用衣服下擺的扎口隱藏導線。但是這種工藝處理略顯粗糙，而且穿著不舒適。目前，電子器件與運動內(nèi)衣之間主要采用焊接、訂合、黏合、縫合、可拆卸等方式連接。拆卸式是剛性電子器件模塊和運動內(nèi)衣之間較為理想的連接方式，一般常采用附加袋、拉鏈、紐扣、掛鉤、搭扣等來實現(xiàn)可拆卸，保證了運動內(nèi)衣的穿著舒適性、連接可靠性及可洗滌等性能[22]。另外也要減少電子器件與服裝的連接線，避免給穿著者造成負擔。心電、呼吸頻率、溫度等傳感器應根據(jù)生理信號的檢測原理放置于人體相應的位置。信息處理模塊在設計和放置時應選擇人體運動時相對固定及承載表面積較大的區(qū)域。對可穿戴智能女性運動內(nèi)衣設計、制作工藝的完善是其商業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵。

4 結(jié)語

智能女性運動內(nèi)衣設計應面向女性消費者的日常需求，在考慮人體工學、服裝舒適性、安全性、美觀性等因素的基礎上完善和改進其設計。其今后的研究重點主要有：①服裝款式及結(jié)構(gòu)設計研究。人體運動過程會產(chǎn)生肢體移動，造成柔性傳感器與服裝相對位置移動和接觸壓力的變化，影響生理信號的檢測、判斷以及穿著時的舒適性。因此，應加快對智能女性運動內(nèi)衣與皮膚之間的動態(tài)作用研究，提高智能女性運動內(nèi)衣的可靠性及舒適性；②服裝工藝設計研究。服裝工藝設計既要考慮柔性傳感器與女性運動內(nèi)衣結(jié)合的一般要求，也要為女性運動內(nèi)衣提供一個好的集成環(huán)境，且不破壞面料的基本性能；③利用三維人體掃描技術(shù)對智能女性運動內(nèi)衣進行量身定制，并建立人體三維形態(tài)數(shù)據(jù)庫；④柔性傳感器、集成電路、電池的紡織化。目前智能女性運動內(nèi)衣電子元器件與面料的結(jié)合方式亟需改進，將電子元件、電路和電池紡織化編織進運動內(nèi)衣是其發(fā)展的重要方向。