于靜靜,鄧詠梅,*

(1.西安工程大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,陜西 西安710048;2.紹興市柯橋區(qū)西紡紡織產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究院,浙江 紹興312000)

隨著時(shí)代發(fā)展和生活質(zhì)量的提高,人們著裝觀念發(fā)生了很大變化,對(duì)服裝提出了新的要求,更加追求服裝的品質(zhì)化、個(gè)性化。另外,健康問(wèn)題也受到了人們極大重視。傳感技術(shù)、通信技術(shù)等發(fā)展推動(dòng)了可穿戴智能產(chǎn)品的發(fā)展。人體生理信號(hào)(體溫、心率、呼吸等)監(jiān)測(cè)對(duì)人體疾病的預(yù)防、分析、診斷和人們?nèi)粘５慕】禒顩r查看有重要意義和價(jià)值。

可穿戴生理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用生物傳感器獲取人體運(yùn)動(dòng)與生理參數(shù),對(duì)穿戴者或遠(yuǎn)程監(jiān)控者提供實(shí)時(shí)生理信息反饋。文中主要綜述了可穿戴人體生理監(jiān)測(cè)服裝在醫(yī)療監(jiān)護(hù)、運(yùn)動(dòng)健身、軍事及特殊環(huán)境作業(yè)等方面的應(yīng)用;另外,對(duì)穿戴式監(jiān)測(cè)服裝的設(shè)計(jì)要素做了歸納;最后,通過(guò)目前穿戴式智能服裝的研發(fā)和應(yīng)用情況,對(duì)其未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1 穿戴式生理監(jiān)測(cè)

1.1 穿戴式設(shè)備特點(diǎn)

可穿戴智能生理監(jiān)測(cè)服裝是微電子技術(shù)與服裝結(jié)合的產(chǎn)物[1]。穿戴式生理監(jiān)測(cè)設(shè)備主要涉及到傳感技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)等[2]。它具有低負(fù)荷、操作簡(jiǎn)便、可移動(dòng)、持續(xù)監(jiān)測(cè)、無(wú)線傳輸和異常生理狀況報(bào)警等特點(diǎn)[3]。目前,穿戴式生理監(jiān)測(cè)設(shè)備能夠監(jiān)測(cè)人體心電、心率、血壓、體溫、呼吸頻率、血糖等指標(biāo),提供全天實(shí)時(shí)的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)[4]。

1.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由生理信息采集模塊、無(wú)線通信模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成。生理信息采集模塊用于獲取用戶的心電、呼吸、體溫等生理信息;無(wú)線通信模塊將數(shù)據(jù)傳遞至遠(yuǎn)方終端;數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、顯示、存儲(chǔ)等,并在出現(xiàn)異常情況時(shí)給予警示。

2 可穿戴生理監(jiān)測(cè)服裝的應(yīng)用領(lǐng)域

根據(jù)不同群體以及作業(yè)需要,研發(fā)出了一系列可穿戴智能產(chǎn)品?？纱┐髟O(shè)備與服裝集成為人類提供了很大便捷。目前,可穿戴生理信息監(jiān)測(cè)服裝應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛,涉及到醫(yī)療保健、運(yùn)動(dòng)、軍事及特殊環(huán)境作業(yè)等方面。

2.1 醫(yī)療監(jiān)護(hù)

醫(yī)療監(jiān)護(hù)類服裝已成為當(dāng)前可穿戴智能服裝的主要產(chǎn)品。此類服裝主要為老年人、兒童、患者等人群提供監(jiān)測(cè)[5]。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要通過(guò)電子設(shè)備獲取到生理信息,然后向智能終端發(fā)送并顯示數(shù)據(jù),讓穿著者本人或其家人實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到生理健康狀況,預(yù)防或及早發(fā)現(xiàn)疾病,如遇到突發(fā)性疾病,系統(tǒng)可以向患者的家屬發(fā)出報(bào)警。因此,智能穿戴式監(jiān)護(hù)服的研發(fā)對(duì)于醫(yī)療診斷和健康狀況評(píng)估有重要作用[6]。例如,乳房健康實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[7],老年人心率、呼吸監(jiān)測(cè)[8],用于預(yù)防肌肉骨骼疾病的智能背心[9],監(jiān)測(cè)心率、體溫等指標(biāo)的智能T 恤,能夠追蹤孕婦生命特征的智能孕婦裝等。

心率、呼吸是人體健康監(jiān)測(cè)中的重要數(shù)據(jù)。張海軍基于老年人社會(huì)關(guān)懷及健康需求,將手持式心電監(jiān)測(cè)儀、導(dǎo)聯(lián)線等裝置相互串聯(lián),與老年服裝結(jié)合,實(shí)現(xiàn)老年人人體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[10]。Keri J.Heilman等[11]研發(fā)了“LifeShirt”穿戴式生理參數(shù)監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。在疾病監(jiān)護(hù)方面,於凌[12],田金枝[13]分別針對(duì)高血壓患者和糖尿病患者進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)服裝設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)對(duì)患者的實(shí)時(shí)監(jiān)控。文獻(xiàn)[14]設(shè)計(jì)了一款血壓、脈搏、體溫等生理指標(biāo)實(shí)時(shí)人體健康監(jiān)測(cè)服裝。針對(duì)癲癇病患者,法國(guó)醫(yī)療科技公司Bioserenity 公司推出了智能服裝Neuronaute。通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線傳輸可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和治療,降低死亡風(fēng)險(xiǎn)。英特爾發(fā)布了一款可以監(jiān)測(cè)用戶的心率、心電圖等指標(biāo)的T 恤。其可以通過(guò)向醫(yī)生提供數(shù)據(jù),獲取個(gè)人健康狀況。美國(guó)Vivo Metrics公司研發(fā)的智能化GPS“生命襯衫”,可以測(cè)量患者30多項(xiàng)的生理指標(biāo)。針對(duì)兒童這一特殊群體,實(shí)現(xiàn)兒童體溫監(jiān)測(cè)尤為重要。為此,研究人員進(jìn)行了嬰幼兒可穿戴體溫監(jiān)測(cè)智能服裝研發(fā)。一旦出現(xiàn)發(fā)熱癥狀,不僅能夠得到及時(shí)治療,而且還可以減輕監(jiān)護(hù)人的勞動(dòng)強(qiáng)度。另外,吳夢(mèng)針對(duì)3～6歲兒童制作一款智能兒童泳衣,實(shí)時(shí)獲取兒童在泳池中的呼吸狀態(tài)[15]。

2.2 運(yùn)動(dòng)健身

可穿戴運(yùn)動(dòng)類監(jiān)測(cè)服主要監(jiān)測(cè)心率、呼吸頻率、運(yùn)動(dòng)量等參數(shù),幫助運(yùn)動(dòng)者獲得更好的鍛煉。服裝內(nèi)嵌入多個(gè)傳感器,運(yùn)動(dòng)者在穿著后能夠?qū)崟r(shí)了解到自己的生理數(shù)據(jù),針對(duì)監(jiān)測(cè)到的信息適時(shí)地作出訓(xùn)練調(diào)整[16],改變運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度。穿戴式監(jiān)測(cè)服裝在運(yùn)動(dòng)健康方面應(yīng)用也較為廣泛。如可佩戴miCoach心率監(jiān)測(cè)器的運(yùn)動(dòng)文胸以及UA 的E39智能緊身衣均可以在運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行心率監(jiān)測(cè)。此外,由飛利浦公司生產(chǎn)的智能運(yùn)動(dòng)服,能夠監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)員的血壓、脈搏及運(yùn)動(dòng)量。運(yùn)動(dòng)員根據(jù)自身狀況調(diào)整以提高自己的成績(jī)[17]。圖1 為加拿大的Athos智能運(yùn)動(dòng)服。通過(guò)在關(guān)鍵肌肉部位集成大量EMG 肌電圖傳感器,實(shí)現(xiàn)心率、肌肉活動(dòng)以及呼吸頻率監(jiān)測(cè),并且及時(shí)向使用者的手機(jī)發(fā)送有關(guān)數(shù)據(jù)。

來(lái)自加拿大的新創(chuàng)公司OMsignal推出的智能塑身T 恤、智能運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣,如圖2、圖3所示。服裝內(nèi)置了多個(gè)傳感器,可用來(lái)測(cè)量穿戴者的心率、呼吸頻率、呼吸量、行走的步數(shù)和動(dòng)作強(qiáng)度等。這一產(chǎn)品的研發(fā)可為穿戴者提供合理的健身指導(dǎo)。Hexoskin公司推出的智能T 恤也能夠?qū)崿F(xiàn)類似的功能,如圖4 所示。它幫助穿戴者有效保持體內(nèi)水份和熱量平衡,到了晚上,它還能追蹤睡眠和環(huán)境,包括睡覺(jué)的姿勢(shì),以及心跳和呼吸活動(dòng)。

圖1 Athos智能運(yùn)動(dòng)服

圖2 OMsignal智能T 恤

圖3 OMsignal智能運(yùn)動(dòng)內(nèi)衣

圖4 Hexoskin智能T 恤

2.3 軍事領(lǐng)域

可穿戴智能服裝在軍事方面的應(yīng)用研究較早。在軍事領(lǐng)域,穿戴式生理監(jiān)測(cè)服裝成為提升單兵作戰(zhàn)力的重要武器,有助于提高軍事能力[18]。該監(jiān)測(cè)服裝主要通過(guò)多種電子傳感器來(lái)獲取士兵生理信息,持續(xù)監(jiān)測(cè)單兵生命體征指標(biāo)。其相關(guān)的數(shù)據(jù)會(huì)依據(jù)傳輸技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸至后臺(tái)處理,對(duì)士兵生理狀況及時(shí)作出反饋。單兵生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖5所示,在救治傷員和士兵戰(zhàn)斗力評(píng)估中起到關(guān)鍵作用。例如,Georgia理工學(xué)院研制出一款可監(jiān)測(cè)士兵生命信息的T 恤,該智能T恤能監(jiān)測(cè)士兵的心電、心跳、呼吸、體溫等指標(biāo)。指揮者可以在戰(zhàn)場(chǎng)中實(shí)時(shí)掌握士兵的生理信息,實(shí)現(xiàn)數(shù)字化管理。為了便于部隊(duì)日常訓(xùn)練管理,研究人員實(shí)現(xiàn)了智能化士兵管理展示系統(tǒng),通過(guò)佩戴于士兵身上的系統(tǒng)采集裝置來(lái)獲取士兵平時(shí)的睡眠、運(yùn)動(dòng)和心率等活動(dòng)數(shù)據(jù)。平臺(tái)分析士兵的睡眠質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)等進(jìn)而提供相應(yīng)的評(píng)估建議,實(shí)現(xiàn)部隊(duì)管理人員實(shí)時(shí)聯(lián)網(wǎng)查看信息。

圖5 單兵生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.4 特殊作業(yè)環(huán)境

特殊環(huán)境作業(yè)者常常處于高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境中,需要及時(shí)掌握其健康安全并做好相關(guān)的防護(hù)。因此,能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和分析他們的生理健康狀況尤為重要。為此,研究人員針對(duì)特殊作業(yè)環(huán)境下作業(yè)者的需求,研發(fā)了智能穿戴服裝。利用服裝這一載體,嵌入一個(gè)或多個(gè)傳感器模塊,將溫度、濕度、心率等生理數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸方式發(fā)送到智能終端設(shè)備,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并分析作業(yè)者的生理健康狀況,出現(xiàn)異常狀況時(shí)給予提示功能。文獻(xiàn)[19-20]針對(duì)消防員的作業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)出智能可穿戴系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)消防員的體溫等生理數(shù)據(jù)評(píng)估。其中,卜宇提出了一種穿戴式智能消防服。該系統(tǒng)在獲取到心率、溫度等傳感器信息后,將評(píng)估消防員的生理狀態(tài)并在情況異常時(shí)進(jìn)行報(bào)警,系統(tǒng)又通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)指揮車。

季婷婷基于夏季建筑工人的工作環(huán)境,設(shè)計(jì)了一款智能勞保服[21]。它能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)人體溫濕度以及心率數(shù)據(jù),并在出現(xiàn)異常情況時(shí)發(fā)出警報(bào)。對(duì)掌握建筑工人的健康安全起到至關(guān)重要的作用。此外,還有針對(duì)電力施工作業(yè)的智能工作服,保障潛水人員安全的潛水智能服裝,可實(shí)現(xiàn)環(huán)境情況和個(gè)人生理情況綜合評(píng)估。由Carre Technologies公司研發(fā)的智能T 恤Astroskin[22],可以追蹤宇航員從陸地到太空的生命體征,進(jìn)行穿著者體溫、血壓、呼吸和心跳頻率等信息監(jiān)測(cè),增加宇航員太空飛行的安全性。

3 可穿戴智能監(jiān)測(cè)服裝的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

同普通服裝相比,可穿戴智能生理監(jiān)測(cè)服裝需將多個(gè)電子元件裝置附著或嵌入到服裝中。因此,在服裝設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)綜合考慮,使其具備某些功能的同時(shí)還應(yīng)該滿足服裝舒適性的基本要求。針對(duì)此類服裝的設(shè)計(jì),歸納出以下三點(diǎn)。

3.1 功能性

針對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)而言,從用戶的角度和使用功能出發(fā),達(dá)到滿足用戶的實(shí)際需要的目的。可穿戴服裝的設(shè)計(jì)亦是如此。然而,目前穿戴式智能服裝發(fā)展尚處在初級(jí)階段,產(chǎn)品還不夠成熟。在實(shí)際的穿戴式智能服裝研發(fā)中,存在著過(guò)于追求功能技術(shù)的創(chuàng)新,使得用戶穿著體驗(yàn)效果較差的情況,不符合實(shí)際需求[23]。因此,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合消費(fèi)者的使用實(shí)際,充分考慮個(gè)人需求、社會(huì)活動(dòng)以及應(yīng)用場(chǎng)景。例如,Rantanen等[24]從用戶需求出發(fā),設(shè)計(jì)了一款極地生存智能服裝,如圖6所示。在滿足極地嚴(yán)寒條件下,實(shí)現(xiàn)用戶健康狀況等信息監(jiān)測(cè),為用戶提供通訊、定位和導(dǎo)航功能,在異常情況下發(fā)出緊急消息,以防止事故發(fā)生并幫助他們?cè)谑鹿拾l(fā)生時(shí)幸存下來(lái)。

圖6 極地生存智能服裝

3.2 舒適性

服裝上集成了多個(gè)電子元件,如何將元件與服裝之間牢固結(jié)合是強(qiáng)調(diào)服裝穿著舒適性的基礎(chǔ)。在服裝上,根據(jù)獲取生理數(shù)據(jù)的不同,傳感器選擇放置的部位不同,或背部或胸部等。應(yīng)考慮服裝基本的穿著舒適性,保證在穿著后對(duì)使用者基本活動(dòng)不造成影響,對(duì)自身或他人身心不造成傷害[25]。

3.3 美觀性

以服裝為載體的穿戴式監(jiān)測(cè)服裝設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮服裝整體美觀性和藝術(shù)性,給予著裝者美的體驗(yàn)與享受,將可穿戴設(shè)備與服裝完美結(jié)合。考慮到用戶的使用心理和服裝美觀性,一般將無(wú)線電子或監(jiān)測(cè)器件隱藏或融入服裝,保證元件的隱匿性[26]。研究人員將電子模塊置于服裝的口袋、領(lǐng)口等部位。這樣不僅起到很好的隱蔽效果,而且便于安裝或拆卸。

4 發(fā)展趨勢(shì)

隨著國(guó)內(nèi)外智能可穿戴產(chǎn)品市場(chǎng)成為熱點(diǎn),可穿戴智能服裝的研發(fā)也得到了廣泛關(guān)注。然而,目前其發(fā)展還不夠成熟與完善。隨著各學(xué)科技術(shù)發(fā)展,未來(lái)穿戴式智能服裝將更加人性化、功能化和智能化。

4.1 系統(tǒng)高度集成化

電子元件的微型化與性能優(yōu)化將使得可穿戴智能服裝質(zhì)量得到很大提升,進(jìn)而更好地發(fā)揮其功能。就整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的能量供應(yīng)來(lái)看,現(xiàn)有鋰離子電池質(zhì)量重且體積大,其置于可穿戴服裝中對(duì)使用者著裝舒適性及日常運(yùn)動(dòng)有影響。未來(lái)將會(huì)有能量密度更高,使用壽命更長(zhǎng)的電池代替鋰離子電池,電池質(zhì)量和體積都會(huì)大大減小。

4.2 高精度

目前主要采用傳感器進(jìn)行人體生理數(shù)據(jù)獲取。通過(guò)傳感技術(shù)的發(fā)展,優(yōu)化電子元件與服裝結(jié)合方式,將提高用戶生理信息監(jiān)測(cè)精確度,從而更好地掌握個(gè)人健康狀況。

4.3 綠色理念

綠色設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)對(duì)自然資源的合理利用,注重節(jié)能環(huán)保。在服裝設(shè)計(jì)方面,可從材料、工藝等方面加以處理,達(dá)到服裝產(chǎn)品的可持續(xù)使用,避免對(duì)環(huán)境造成不利的影響?？纱┐髦悄芊b設(shè)計(jì)也應(yīng)本著綠色環(huán)保原則,注重材料的環(huán)保性,減少環(huán)境污染以及資源浪費(fèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

服裝正在向功能化、智能化發(fā)展?；诳纱┐骷夹g(shù)的智能服裝應(yīng)用尚處在初級(jí)階段,還有很多需要改進(jìn)的地方。未來(lái),可穿戴智能服裝將會(huì)有巨大的消費(fèi)市場(chǎng)。服裝與電子元件結(jié)合方式的優(yōu)化將會(huì)增強(qiáng)用戶的體驗(yàn)度。隨著技術(shù)、工藝、設(shè)計(jì)等問(wèn)題的改進(jìn),智能服裝將在提高人們的生活質(zhì)量方面發(fā)揮重要作用,對(duì)紡織服裝業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。