智能服装的应用现状及发展前景

黎淑婷,张海煊,滕万红

(深圳市计量质量检测研究院,广东 深圳518131)

智能服装是将赋予人工智能的微型电子元件整合到服装中,以满足人们对智能电子产品微型化、隐形化的需求。近几年,随着智能可穿戴电子产品产量爆发式增长,服装作为载体之一,也是人们的刚性需求品,智能服装成为科技企业和学术研究争相开发的热点领域,是服装的未来发展趋势。在人工智能、大数据、移动通信技术等新兴产业发展背景下,智能服装将给人类社会的许多方面带来革命性的影响。

本文以智能服装在生活娱乐、运动健身、医疗健康和军事装备等领域的应用为切入点,梳理了智能服装的发展现状,讨论其产品设计上存在的问题,并对其未来发展趋势和前景进行展望。

1 智能服装概述

智能服装是一个复杂的信息载体,它是将纺织与服装工程、材料科学、电子信息、计算机工程等多门学科交叉融合形成的一个整体,以人们日常穿戴的服装为物理载体,将智能系统以不同形式嵌入其中,使其具有区别于传统服装一般功能的特殊功能。其技术构成主要有处理元件、传感器、人机交互设备、电源系统、连接技术等元素,具有信息识别、存储、传递和处理功能[1]。常见的结合形式有3种:一是服装直接外接微型智能电子元器件;二是利用物理或化学整理技术赋予普通纤维材料特殊功能;三是通过梭织、针织等织造方法将智能纤维或智能纱线织入纺织服装产品中[2]。

2 智能电子服装的应用

目前,智能服装具有各式各样的功能,以满足消费者多样化的需求,根据其应用领域可以将其划分为生活娱乐、运动健身、医疗健康和军事装备四大类。

2.1 生活娱乐

应用于生活娱乐领域的智能服装主要为了解放双手、方便日常生活,将生活中各环节逐步智能化,增强人们对服装和生活的体验感。如三星研发的一款内置NFC芯片的智能西装,能与手机配合使用,用户无需用手滑动手机屏幕即可实现近距离切换不同应用场景模式。Lyle&Scott推出的一款用于支付的夹克外套,其袖子隐藏NFC芯片,通过手机应用设定支付信息,可在英国30多万个商家处进行支付。Levi's和谷歌共同开发的智能外套,通过不同手势实现手机功能操控,如改变播放曲目、更改地图导航位置等功能。

近年来,人机交互技术的成熟发展加快了智能服装和虚拟现实技术(VR)的结合,由Tesla Studios发布的Tesla Suit是一款将多种功能整合的智能体感服装,具有触觉反馈、动作捕捉、气候控制和生物反馈系统等功能,为VR游戏玩家带来更深层的沉浸式体验[3]。

2.2 运动健身

运动健身类的智能服装是将智能手机、手环中附带的运动健身类功能转移至服装上,它将从人体中采集的生理(心率、呼吸)、各部位运动(速度、方向等)等信号转换成电信号,再经放大、滤波、干扰抑制等预处理后,通过A/D转换后,供处理器进一步分析和处理,最终输出结果。根据应用场景可分为健身和体育运动两类。

2.2.1健身

健身类智能服装是面向关注自身健康的人群,能实时记录每天的运动量、消耗热量以及生理参数等,并提供个性化的运动计划。如小米科技推出一款与小米手机搭配使用的智能帆布鞋,可测算用户跑步距离、路线以及跑步时的心率;OMsignal设计一款名为OM-bra智能运动胸罩,能记录步数、呼吸频率、心率、热量消耗等数据;Athos智能紧身衣通过内置的EMG肌电传感器监测人体的肌肉纤维内部活动,让穿戴者了解自身运动强度、心率和运动步数;Nflux智能健身衣能实时追踪运动次数、动作范围和力量,将所有的数据传输至虚拟教练查看,并提供实时反馈以指导用户矫正姿势。

2.2.2 体育运动

体育运动类智能服装主要应用在田径、游泳、网球、滑雪等项目中,如2014年美国网球公开赛中亮相的Ralph Lauren的智能T恤衫,采用3个电极,能实时监测用户的心率、呼吸和热量消耗量等参数,除了监测生理参数之外,这款服装还帮助运动员确认自己位置、方位、速度以及纠正肢体姿势。三星开发的智能训练服Smart Suit,嵌入5个精度为毫米级的传感器,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,将运动员姿体信息反馈到教练手机上,教练可用该程序向运动员的Smart Suit发出振动信号,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。

2.3 医疗健康

医疗健康类的智能服装有广泛的需求基础,主要体现在人口老龄化与医疗资源供给不匹配,心脑血管、糖尿病等慢性疾病死亡率增高,疾病预防和健康管理需要智能医疗协助多个方面。另外,移动互联网和大数据的高速发展为医疗健康类智能服装提供了必要条件[4]。

医疗健康类的智能服装能实现对人体非介入式、无创的生理体征监测,如心电、血压、血氧饱和度、血糖、体温、呼吸等多个参数,在预防和康复两个阶段起到重要作用。如联想集团发布的一款无线智能心电衣,可通过12导联方式对用户心脏进行长期连续的监测和监护,并实时上传数据,实现健康监测和医院后台预警服务;杰克逊州立大学推出的智能鞋垫Smart mat,它能够监测用户的足底温度,有效地预防糖尿病足和降低截肢风险;Owlet智能袜能够记录婴儿的心率、血氧、体表温度及睡眠姿势,以便父母远程实时监控婴儿健康状态;丹麦Ohmatex设计的一种智能袜子能够检测腿脚水肿,提前预测心脏衰竭和先兆癫痫风险。

医疗健康类智能服装具有广阔的应用前景,改变了传统医疗服务的地域性限制和解决了笨重而固定的治疗监护设备带来的不便,是智能服装未来发展的重要应用方向[5]。

2.4 军事装备

军事装备属于尖端科技领域,电子信息技术与军事装备结合并应用于军事领域的想法由来已久,但随着纳米技术的成熟发展才使其现实化,应用在军事领域的智能服装根据应用场景分为作战状态和日常监护两种[6]。

2.4.1 基于作战状态的智能服装的应用

为适应战场多变复杂的环境,降低被发现攻击概率,采用电致变色织物制成的智能服装在不同电压作用下,可控制军服的局部或整体颜色,在军事伪装中具有重要应用价值。俄罗斯Rostec研发了能根据军人所处的环境来改变军服颜色与图样的新型隐形伪装技术,这项技术能模拟复杂的图像,适用于士兵作训服、坦克、装甲战车等军事装备。为减少士兵在作战中受到的伤害,美国推出多款“勇士织衣”智能作战服,具有质量轻、柔韧性好等优点,能自动调整软硬度以避免士兵受伤,可大幅增强士兵的机动携行和综合防护能力,进而提高士兵的战斗力和生存能力。为降低因踩地雷而伤亡的风险,哥伦比亚Lemur Design Studio公司专门为军事领域设计了一款名为Save One Life的智能鞋垫,其原理是将印刷电路组成的金属探测器安装在鞋底,若巡经范围内有大块金属的磁场反应,与其配套的手表会出现红点提示附近的可疑物品位置,告知使用者小心或改变行进方向,降低伤亡[7]。

另外,智能服装可嵌入定位、信息分析系统,帮助士兵在信息化战争中更准确、快速地感知、获取、利用和分发信息,最终实现信息制胜。

2.4.2 基于日常监护的智能服装服饰的应用

智能加热服装在军事领域具有很大的发展前景。由于长期生活在极端低温、高湿、低压、紫外线辐射强度大、高风速等环境中,士兵的皮肤、关节、器官等部位容易发生不同程度的冻伤损坏。智能加热服能保护驻守在恶劣极端气候中士兵的身体,减少环境因素对其造成的不必要伤害。

士兵日常需要经受严苛的训练任务,体力几乎达到极限,持续高强度训练可能会对个别士兵的身体状况有害,因此,智能监测衣能够长期连续监测士兵生理体征变化状况,及时发现异常,防止士兵在日常训练中发生意外,同时根据反馈数据调整训练方案,更好地发挥每个士兵的战斗能力。

无论在日常护理还是单兵作战中,智能服装在军事领域的应用具有重要意义,它体现了各国在军事上的科技实力。从长远看,伴随着信息技术和新材料、新能源技术的进一步发展,智能服装很有可能成为未来军事系统不可缺少的硬件,像普通军装及枪械一样成为士兵的标配。

3 智能服装存在的问题

如今,智能服装仍处于发展的初级阶段,产品款式单一,功能设计以及用户群体认知程度都不够成熟,主要存在几个方面的问题:

3.1 舒适性

由于学科融合度不足,在注重实现功能的同时,无法满足服装穿着舒适性,如嵌入智能服装内部的电子元件相对体积大、柔软度低,让用户觉得有明显的异物感。除此之外,为提高采集数据的准确性,往往选择紧身衣为载体,降低服装穿着舒适性,也妨碍用户日常活动。

3.2 黏性

大部分智能服装在设计时偏重于趣味性和互动性,使用一段时间后便逐渐显露出功能短板,功能上的不完善导致无法有效地解决实际问题,难以满足用户真正需要,使得产品的用户黏性降低。

3.3 数据监测精确度

数据检测的精确度偏低是智能服装普遍存在的难题,尤其在实时采集人体信号过程中,由于智能服装具有随时随地性、便携性和移动性等特点,不可避免地面临采集信号微弱、运动噪声和运动伪迹等干扰因素,会不同程度地造成信号特征点提取的误判和漏判[8]。

3.4 安全性

智能服装是跨领域产物,既是服装,又是电子产品,其安全性能涉及服用性能、材料使用安全性、电学安全性、电磁安全性及环境可靠性等多个方面。然而,智能服装未形成规范、完整的测试方法和标准系统,无法确保智能服装的质量安全,在一定程度上降低了消费者热度。

3.5 耐用性

在使用和洗涤过程中,嵌入了传感器、芯片及其他电子元件组成的电路系统要经受水洗、拉伸、弯曲、摩擦等耐用性能考验,电路中任意一处的损坏均能导致服装整体功能失效,影响服装的穿着耐用性能。

4 发展前景

未来智能服装将更契合人性化需求,将科技与服装进一步地深度融合。

从材料方面,纤维基智能材料、柔性电子技术在智能服装中的应用前景广阔,将低维结构材料通过纺织织造或柔性3D打印等手段实现服装轻薄化、柔性化,满足消费者对服装贴合性、轻便、易于弯曲形变的需求,改善当前智能服装穿着舒适性问题,实现从“戴”向“穿”的过渡。

从能量供应方面,采用石墨烯、碳纳米管、碳布/碳纤维、导电聚合物为电极材料的柔性电池,具有可拉伸弯曲、体积小、质量轻等优点,是智能服装能量主要来源。另外,Li-S电池、太阳能电池、生物燃料电池等环境友好型电池的研发,有利于智能服装能源供应的可持续发展[9]。

从功能方面,智能服装功能多样化才能够满足消费者各种需求,除了提供专业、精确、可靠的实时信息反馈外,还需相应地提升社会配套资源,构建软件生态系统,不断整合各种数据、应用与服务,为消费者打造一体化、个性化的智能服装体验。

从人机交互方面,智能服装需要新颖的交互模式,以满足穿着舒适性、移动性、隐蔽性、不干扰人的其他活动等性质。可以通过语音识别、手势、生物反馈、情感感知等特殊的输入方式操纵产品,主动获取信息,从而提高用户体验感和生活质量。