智能纺织品

电子智能纺织品的发展研究【摘要】作为电子技术与现代纺织技术结合的产品，电子智能纺织品已成为国内外纺织领域研究的热点。本文主要介绍电子智能纺织品的概念、发展以及应用，并探究其发展现状以及产品研究、推广等方面的局限性，最后评述其未来的发展方向，为今后电子智能纺织品的研究提供一定的基础【关键词】智能纺织品发展应用用智能布料缝制的裤子，只要按一下电钮，腰围就会随意加宽或缩小；或者任意变换身着衣服的颜色以搭配各式各样的衣服，这些都不在将是幻想，电子智能纺织品可以帮你实现这些愿望。所谓的智能纺织品，它是一类既有一般纺织品的特征同时通过特殊处理使其对外部变化能够感知并且做出反应的纺织品，因此它比一般的纺织品具有更多的功能。[1]1电子智能纺织品的概念电子智能纺织品是智能纺织品中比较特殊的一类纺织品，它不只是电子组件及电子电路与纺织品结合而是基于电子技术，将传感、通讯、人工智能等高科技手段应用与纺织技术上而开发出的新型纺织品，它是把电子组件及电子电路以纺织品形态呈现，导电性纱线可用来传输电流及讯号，而导电性职务可作为电容器、传感器、加热器等。它可以收集机密信息、监控重要的统计数据，并把这些信息通过无线远程传输手段作进一步处理。[2]2电子智能纺织品发展阶段电子器件和纺织品融合技术的迅速发展，特别是电子器件和新材料的发展，使得电子智能纺织品的研究有了翻天覆地的变化。电子智能纺织品研究起源于20世纪80年代开始，至今经历了两个阶段。2．1第一个阶段———传统面料与普通电子元件复合的纺织品最早的电子智能纺织品采用的是传统的面料和一些普通的电子元件，如传感器、电阻、二极管、芯片等通过对面料和服装结构的设计把电子元件附加在纺织品或服装上。1997年，飞利浦公司和Levi′s公司成功地创造出世界上第一套可穿戴电子智能服装［3]，此套智能服装包含了娱乐（诸如音乐）以及通信（诸如移动电话）的功能，但这套服装不可以折叠、也不可以洗涤。此外，在制作上基本只能以手工操作的方式进行，不便于大规模商业化生产，导致这类服装成本高昂。由于传统的电子元件如刚性印刷电路植入服装内会造成不舒适感，电路不能随着织物一起变形。另外，在不移除电子元件的情况下也无法方便地对衣物进行清洁。因此近年来科学家尝试将电路植入织物中，使其能像织物一样产生形变，甚至可清洗，这样也具备了很高的集成度。随之，电子智能纺织品的发展迈向了第二个阶段。2．2第二个阶段———智能电子元件与纤维复合的纺织品把传感器、处理器、存储器等电子元件微化，将其与纤维结合，制作成特种纤维，如导电纤维等，再用这些特种纤维编织成面料，制作成服装。通过这种方式做成的服装，根据使用目的的不同，可以在纤维中加入不同的电子元件，从而使服装具有了不同的功能。把具有传导性的光纤与一般纤维交织，变成了具有感应装置的布料，通过这种方法可制成轻柔型感应装置或开关，服装的可穿性就大大提高。2002年，德国半导体设备制造商InfineonTechnologies公司在日本发布了可穿戴的“MP3播放夹克”［4］。这种MP3播放夹克采用了可穿戴电子技术，将微电子芯片植入衣服纤维之中。2005年，德国半导体设备制造商InfineonTechnologies公司改进了“MP3外衣”设计［5］，MP3外套的左手前臂袖子多了一排“纺织键盘”，由电线连接的导电织品做成。2010年，英国Eleksen与Spyder公司一起开始销售带有ElekTex电子织物嵌入物的运动服［6］，ElekTex保持了传统织物的性能，例如材料可以揉软、扭折和擦洗。普通的导电材料与服装材料织成的电子智能织品磨损很快，易脆，穿在身上不舒服。因此ProeTEX项目以创新的方式把自然纤维和纳米技术生产的纤维结合在一起，制成的服装柔软且电流传导率大大提高。虽然目前传导性纤维、纳米技术的发展已经使电子智能纺织品在纺织品的质地、外观以及穿着舒适性有了大幅度的提高，但是在电子智能纺织品成为电子产品与服装领域的消费主流之前，仍需克服很多问题，如灵活性、使用寿命、可洗性与稳定性，而成本也是重要的因素之一。3电子智能纺织品的应用随着人们对电子智能纺织品研究的深入，各种功能的产品已经被研发出来并且应用到生活中的各个领域，极大地提高了人们的生活质量。3．１医用保健电子智能纺织品Ｔａｃｃｉｎｉ．Ｎ等人研究出了一种用于心肺疾病监测的智能内衣，这种内衣包含三个压阻织物传感器，通过无线蓝牙技术把电信号传给相应监测的家人或医生，就可以得出病人的健康状况；美国太空总署艾姆斯研究中心研发出利用铜与氧化铜导线紧密交织织物，并且在这种面料的每个交织结合点上放置了纳米的铂金薄膜，从而形成抗阻存储电路。将纺织品与纳米电子技术结合从而形成电子纺织品，可以监测老年人或在恶劣环境中工作人员的生命信号，如呼吸、血压、脉搏、体温等数据，然后通过传感器技术将这些数据传送给医务工作者［7］；Ｃｏｙｌｅ等人利用聚吡咯开发出了一种织物弯曲传感器的手套，通过利用手指弯曲到手指伸直这一过程显示器图像的变化，我们可以用来评估人们身体各关节的运动，并且可以利用这种技术评估中风后身体肌肉的恢复情况，通过这种监测关节的弯曲的方式有望用于自动评定病人身体恢复情况。瑞士一家公司研制的防止老年人摔倒的防撞服装及美国南加利福尼亚州ＶｉｖｏＭｅｔｒｉｃｓ健康信息与监测公司研制的几乎可以监测３０多种生理变化的救生衬衫以及预防婴儿猝死综合症生命衣的开发以及其它一些医用保健电子智能纺织品的开发，极大地提高了人们对疾病的监测。3．２娱乐用电子智能纺织品Ｓｕｎｗｏｏ，Ｊ等人利用ＦＳＢ技术成功研究出了一种智能连帽外套，这种外套通过导电纱线把帽子和外套连接，内部由导电纱线缝上两个芯片，它们分别是光／温度传感器和ＭＰ３播放器软件，当穿着者穿上连帽外套时，ＭＰ３播放器就会播放音乐，当脱下时，音乐就会停止，并且音乐音量会随着周围环境的亮变化而变化。当穿着者在比较暗的环境中时，音乐音量会自动减小，当穿着者从黑暗环境中走出来时，音乐音量又会恢复正常；香港理工大学利用聚吡咯涂层织物传感器开发出了一种跳舞衣，可以监测人肘部和膝部的传感器放在跳舞衣的肘部和膝部，当跳舞者动作变化时，传出的变化信号就会使相应连接电脑.的音响传出相应的音乐。3．３体育用电子智能纺织品随着竞技比赛的增多以及人们对自身的重视，对体育用电子智能纺织品的研究也逐渐增多。ＳｈｉｒｌｅｙＣｏｙｌｅ等人研究出了一种测试人运动时呼吸速率的传感器、它是把导电的聚吡咯涂在改性的海绵上，或用碳处理后制成传感器通过导电纱线与处理器连接，并通过无线传输系统传到电脑上，进行分析判断。这种传感器可以很好地反馈运动员的的训练耐力及训练效果，建议继续用同种方式训练还是改变训练方式以及是否适合继续训练。通过利用这种传感器改善呼吸方式身体健康特别是压力过大者都是很有帮助的。澳大利亚一个大学的研究人员利用可导电的聚合物传感器研究出了一种智能胸衣，这种智能胸衣可以监测人胸部的运动，根据胸部运动情况来自行调节背带的松紧以及罩杯的软硬情况，从而把胸衣调节到运动时的最舒适状态，这对喜爱运动的女性尤其是女性运动员都是相当有利的［8］。拉普兰大学与一些机构合作，开发了一种包括罗盘、加速度计和全球定位系统（ＧＰＳ）等传感器的滑雪运动服装。它可提供穿着者的运动情况、健康信息及位置。如果穿着者不幸出现意外状况，它们会即时向监测穿着者情况的办公室发送其所在位置坐标和生理数据的信息，以便及时救援［9］。3．４军事用电子智能纺织品电子智能纺织品应用最广泛的领域除了医疗领域就是军事领域。美国佐治亚州工学院将塑料光纤植入衬衣，制成了一种智能衬衫，它可以协助医务工作者监测士兵的各项生理指标以便了解他们的身体情况，在战争中，如果穿着者被子弹击中以致Ｔ恤出现破洞，Ｔ恤中的光信号便不能传至另一端，于是监测士兵状况的医务人员就会监测到已经受伤的士兵，并会通过了解周围情况及时安排救援［10］；弗吉尼亚理工大学的研究人员设计出了一种声阵织物带，它可被装配在降落伞、帐篷或伪装网上并通过内置的麦克风接收处理数据，并可将结果传输到外界或相应系统，这种织物带用于对军用车辆及坦克移动的侦查［11］。嵌有生化、超微感应器的智能化作战服具有很多特殊功能，士兵的多项身体机能如血压、心率、体温等都可以通过它监测到，并可辨别止血位置然后自行止血，同时还能抵御火焰、化学试剂及其它战场灾难的侵害［12］。3．５其它方面的应用ＪａｎＭｅｙｅｒ等人在美国麻省理工学院的研究人员开发的织物键盘的基础上研究了一种监测人们坐姿的传感器，把这种传感器分别安装在椅子的座位处和后部背椅处，当人们坐姿变化时，人对椅子各部位的压力也随之变化，于是这种传感器根据压力的变化监测出人的坐姿，利用这种传感器，我们可以纠正人们的坐姿，预防痔疮，非常有利于人体健康，把这种传感器应用到汽车上，还可以监测司机的坐姿，通过坐姿推测司机的开车方式，这对车祸分析也是很有帮助的［１3］。把一些特殊的光导纤维织入织物中制成探测有毒物质的织物，当感应装置探测到生物化学药剂、有毒物质时会发出报警信号提醒工作者，这对会接触到有毒物质的人员或消防员的自身保护都很有作用［１4］。同时当把导电纤维织入消防服中，当消防人员执行消防任务时，如果面临火焰危险自己却未能注意时，这种能够传输信号的纤维就能通过传感器系统提醒消防人员躲避危险。4存在的问题相比于最初的电子纺织品，目前研究的电子智能纺织品具有更多的优势。它摒除了以前笨重的特点，正在向轻薄、柔软、可机洗方向发展，同时它没有了电线的牵制，并且传感器可以隐藏在纺织面料中进行远距离监测，但在它的实际应用过程中，仍然存在一些问题，需要进一步研究改进。4．１灵敏性作为能有效传输信号的纺织品，对于身体的变化都要能感知出来，由于有些变化很细微，需要有足够高的精度才能感应出来，这就需要电子智能纺织品有足够的灵敏性，但目前的电子智能纺织品灵敏度都不是很高。4．２信号的延迟从目前的研究来看，许多传感器都存在信号延迟的问题，即传感器从开始变化到信号传入电脑软件显示结果的过程中都需要一定的反应时间，这段时间因所应用的技术不同而不同，这也许与传感器的灵敏程度及信号的接收有关，现在许多研究者正致力于减小这种信号延迟的研究，以便使信号延迟的时间减到最小，因为信号的延迟可能会危及到人的生命。4．３安全性目前研究的电子智能纺织品里都会存在电子元件，如果电子元件长期穿在人身上，它势必会对人体的健康产生不良影响，同时信号的传递已经使用无线技术，传递过程中出现的电磁波也会对人体健康有一定影响，如何使这些影响减小到最小，也成为我们噬待解决的难题。5展望随着人们对纳米技术、无线传输技术以及微电子技术研究的加大，使电子智能纺织品的开发有了更广阔的空间。同时利用这种多学科交叉开发的高附加值的的纺织品也促进了纺织业的发展。未来电子智能纺织将会逐渐脱离融合技术或安置技术，而是会在两种产品的原材料制造或服装布料的织造过程中就已经有机地结合在一起［１5］。但目前的研究仍然处于探索阶段，随着科技的进步和人们对电子智能纺织品研究的深入，这种智能化的电子智能纺织品一定会成为社会的主流，发展势头将势不可挡。参考文献：［1］ＰａｕｌａＧｏｕｌｄ．Ｔｅｘｔｉｌｅｓｇａｉｎｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ［Ｊ］．ＭａｔｅｒｉａｌｓＴｏ－ｄａｙ，２００３，６（１０）：３８—４３．［2］Ｍａｒｃｕｌｅｓｃｕ，Ｄ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｔｅｘｔｉｌｅｓ：Ａｐｌａｔｆｏｒｍｆｏｒｐｅｒｖａ－ｓｉｖｅｃｏｍｐｕｔｉｇ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＩＥＥＥ，２００３，９１（１２）：１９９１—２０１８．［3］程彦钧．英国飞利浦公司的智慧衣发展［J］．电子技术，2005，（8）：73－77．［4］德国Infineon公司发布可穿戴MP3播放器［EB/OL］．http：//．yesky．com/busnews/216481744881188864/20020722/1621327．Shtml.［5］德国英飞凌推出MP3外衣［EB/OL］．http：//．qfc．cn/info/detail－1