智能服装，有多智能？
发布时间：08-16 10:15 来源：来源 点击:
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一件衣服，能感受人体发出的“警报”，能提高运动员的比赛成绩，还能弹出气囊防止老人跌倒，让人不怕冷、热变化，维持人体恒温环境……这，可能吗？有机械摩擦、生物力学、材料学等高科技加持，智能服装让这些皆有可能。近日，记者采访了长期致力于智能服装研究的北京服装学院教授刘莉等专家，让他们一起揭秘融入高科技的新型服装，能为我们带来哪些惊喜。镀银纤维、记忆金属纤维、导电纤维，这些新兴的织物电子材料，如今已被融入到服装中，与生理测量、军事应用等相结合，产生了大量研究成果和成熟的智能服装。据刘莉介绍，对智能服装的研发最早起源于军事应用，最典型的是以智能纺织品为基础的机械外骨骼。然而，时至今日，对于智能服装的研究早就不局限于军事用途，可穿戴健康检测、提升竞技运动能力、智能生活和时尚科技等领域都有智能服装的“身影”。其中，在可穿戴健康检测领域的智能服装装置，由中央处理单元、生物传感器等构成。当病人出现血压或者血氧饱和度突发状况时，智能服装的检测系统会接收且放大这些异常的信号，并对无关信号进行过滤，再传导向中央处理单元，由中央处理单元做出呼叫救护车或者采取其他救治措施的处理。在可穿戴健康检测智能服装中，非常重要的一环是生物传感器，它应用了人机交互和智能传感等先进技术。生物传感器被植入服装之中，贴近人的皮肤发挥作用，它可以敏锐地捕捉你身体上的各种生物信号，再将这些生物信号转化成机器能识别的语言，并发现其中细微的变化。它就好像随身携带一个家庭医生，可以及时响应你身体发出的各种微乎其微的“警报”，做出相应的诊断。穿上一个便携的“家庭医生”，在人们愈加重视健康的大环境下，很受欢迎。已有多个国家的多家实验室都开展了可穿戴健康检测智能服装的研发。例如，早在2003年～2009年，欧盟就支持研发了MyHeart项目，旨在通过预防和早期诊断来对抗心血管疾病。这件设备设计成一件背心的样子，在“衣服”的一面有六个感应点，位于胸腔的周围，可以准确感知收集穿戴者心脏的相关数据。除了日常生活中的应用，可穿戴健康检测智能服装还可用于航空航天领域。2011年，加拿大一家公司应加拿大国家航天局的要求研发Bio-Monitor项目，专门检测航天员血压、血氧饱和度、呼吸、运动等数据，在2019年已应用于太空。这件“衣服”穿在航天员身上，可以直接从太空接收数据，更快进行分析，并且不干扰航天员的日常活动，省去了专门进行健康检测的时间。这些可穿戴的智能服装固然有很多优点，但是耗电量大的问题也不可忽视。为此，还出现了将充电器“穿”在身上的好方法，这就是摩擦纳米发电机。这种发电机利用接触起电和静电感应效应，将穿戴者的低频人体运动转换为高压电输出，实现机械运动到交变电流的能量转换，穿戴者在走路跑步的时候，装置会收集摩擦产生的静电，供应给身上的可穿戴健康检测设施。在衣服比较容易产生摩擦的胳膊内侧等位置，还放置独立电源，用于延长待机时间，不用担心设施电量耗尽，这一技术目前已可应用在可穿戴智能服装上。另一类智能服装的研制，则致力于提高人体的运动能力。“如果可以通过科技提高1秒，那么就绝不通过训练”。这是英国国家自行车队科研主管依格汉姆的名言。对于当前世界竞技体育强国而言，科技含量高的运动装备，已经成为提高比赛成绩的主要途径之一。最著名的有1998年长野冬季奥运会，荷兰选手穿着“断跟”的冰刀，在1000米比赛中夺得金牌和银牌。还有游泳健将菲尔普斯凭借“鲨鱼皮”泳衣打破了多项世界纪录。他的泳衣模仿了鲨鱼皮肤的结构，鲨鱼皮肤表面粗糙的V形皱褶可以大大减少水流的摩擦力，能引导周围的水流，减少水阻力并提高游进速度3%～7.5%。在竞技运动服装的“科技含量”上，我国曾经并不占优势。为了提升我国竞技体育运动服的品质，迎战北京冬奥会，刘莉团队从源头做起，从研发面料开始，到服装的结构，到整体服装、运动员测试，整体经历两年的时间。以“减阻类服装”为例。这类服装从材料端到成衣，是很长的链条。在制作减阻服装时，首先需要应用压差减阻的机理。这要从空气动力学的数字模拟分析入手，通过CFD算法来对空气阻力进行分析，为设计服装的结构提供基础。接下来，需要织造减阻面料。冰雪运动需要的是具有微结构的减阻面料。首先用计算机仿真成型，使用3D打印和胶印的方式，制造出凹坑型机理的面料，凹坑深度、密度都做了系列研究，甚至还尝试用激光雕刻在面料上刻出凹坑形状。最终在冬奥运动员们的“战服”上，多种制造方式都被采用，保证了其性能。有了高科技的面料，就开始进行面料与服装结构的进一步筛选，这需要开发大量以目标运动员为对象的1∶1人体模型测试工具，代替运动员在风洞里接受实验。刘莉介绍说，风洞以前是工程技术手段，专门适用于制造飞机、汽车以及建筑等工程领域，应用在运动服上是比较少的。这也是我国首次利用风洞来专门进行运动员的训练和装备研发。刘莉团队开展了1000个小时以上的风洞测试。冰雪竞技运动最主要的阻力是空气阻力，通过减少空气阻力，让运动员在相同的驱动力下，能够达到更高的速度。从技术上说，服装减阻分为运动员的姿态减阻和装备减阻两个大方向，姿态减阻是通过运动员不参与发力的一些肢体和一些姿态来减小整个人的形状阻力，或者叫作压差阻力。而服装减阻又分为压差阻力和摩擦阻力两大部分。一些卧姿的运动，例如钢架雪车和雪橇，可能会包含一部分的摩擦阻力。设计人员主要通过调整服装的表面形貌，对服装表面的微结构进行设计来对局部阻力进行干扰，把它局部的雷诺数提升到临界雷诺数之上。雷诺数是描述湍流状态的一个常数。它的特点，是当雷诺数增大到临界雷诺数之后，其阻力系数会有一个显著的变化。目前，通过提升雷诺数，可以达到5%～10%的减阻效果。最终，这些服装在多个指标上超越从海外订购的服装，也就是说，自主研发的运动服，与国外最新生产的运动服相比，明显优于海外的服装。有了“科技”的助力，运动员的服装有了很大的提升。这融合了机械摩擦、生物力学、材料学等多学科，是集体攻关的成果。对于日常生活而言，智能服装有哪些用途呢？能否制作弹出气囊防老人跌倒的服装，或者能保证一天穿一件衣服冷、热不出汗的恒温服装？刘莉介绍说，都是他们团队开发的智能服装。跌倒对老年人健康甚至生命影响非常大，在面向老年人的防跌倒服装方面，刘莉的团队协同航天领域的专家开展了相关的研发。航天专家开展气囊弹出算法，刘莉团队负责做整体的服装功能性设计，让它更便利，设计更成熟。对于恒温服装，与刘莉合作的天津工业大学教授刘皓介绍说，温度和湿度是相关的参数，如果温度高，湿度也高的话，人们体验感就会很差，因此要做一个恒温恒湿的服装，可以用吸湿快干纤维来使服装内部的湿度降低，改善穿着的舒适性。另一个方面就是平衡温度。针对保暖问题，环境温度低就需要加温，如果温度高的话就要降温。加温有很多方法，如通过电能加热元件来释放出热量，保持人体的温度稳定。此外，还有降温服装，可以在温度较高的环境中，吸收太阳光，从而降低人体的体感温度，反过来穿的话，又可以升高人体的温度。在降温方面，还有一种方法是水冷，通过水管来降温，但这会导致服装的体积或重量增加，影响穿戴的舒适性。另一种是通过半导体制冷片来降低温度，但问题是在降温的同时，制冷片另一面是升温的，消耗的能量会比较大。此外也有风冷，即装一个风扇给服装内部降温。但总体来说目前尚未找到特别好的方案，能使服装降温又舒适又轻便，效率又高。刘皓说，未来可以从两个方面着手，第一是改善服装面料的导热系数。第二是设计一种结构让服装能够快速导出热量。但是温度升高和降低都只能在一个有限的区间范围内。目前这方面研究的阻力，是在一些极低温度的环境下，通过面料吸收红外光或者是反射红外光可能达不到恒温的要求，尤其在零下20℃甚至到零下40℃~50℃的环境。在极寒情况下，目前能想到的处理方法是提高服装材料的热阻，还有可以通过外界能量的输入，来保持人体与服装之间温度的恒定。在保温方面，目前主要是通过加热片来加热，但现在的技术水平还无法实现智能化调节，必须手动调节温度。在刘莉看来，智能服装在未来的发展中还存在科技与设计如何协调融合的问题。作为科研人员，专注技术突破的同时，可能无法做到更多从消费者需求出发，而服装设计师在设计产品时多以利润为先，缺乏创新性和前瞻性。具体来说，在科学研究方面，应用于智能服装的智能材料，应该结合纺织品的可洗涤性和耐穿性以及电子产品的智能等特性，这就需要研发更加微型化和柔性化的电子元件，当这样的电子元件更好地集成于纺织品中，就能避免因多次使用或者洗涤造成的电子设备磨损和老化。与此同时，研发人员应注重开发减少使用者穿戴负担的产品，将“智能”化沉重为轻巧，化有形为无形，化有感为无感，真正实现与服装本身融为一体，可以随意折叠、洗涤，并像普通衣物一样易于护理。另一个突出问题，是智能服装的稳定性和耐久性。此前所说的附着在衣服上的纳米发电机就存在这样的问题——当外界环境变得潮湿时，氧化锌的导电能力就会退化，衣服摩擦发电的效率会大大降低。据悉，负责纳米发电机设计的中科院外籍院士、中科院北京纳米能源与系统研究所所长王中林的研究小组正在研究一种方法，以便使这种“发电纤维”即使在潮湿的洗衣房中也可以正常工作。此外，如何在智能服装的生产和使用阶段做到绿色无污染，是一个需要考虑的问题。与现阶段大力倡导绿色经济和可持续发展，建设环境友好型社会相矛盾的是，智能服装中所使用的各种元件以及智能服装的加工生产，存在着污染环境的危害因素。同时,纺织品的回收也是一个比较棘手的问题。在智能服装未来的发展趋势中，设施的供电方式由传统的蓄电池转变为环保的光伏供电和压电供电是大势所趋。同时,智能服装的各个元件以及面料在后期都要保证高效率的回收。刘莉表示，智能服装目前具有广阔的市场前景，但是这项新兴技术在发展过程中的各种问题仍然不容忽视。不过，她相信随着电子电机、计算机软件等技术的发展，智能服装会在不久的将来得到普及。
