光明日報記者 詹 媛 光明日報通訊員 楊順璽

　　一件衣服，能感受人體發(fā)出的“警報”，能提高運動(dòng)員的比賽成績(jì)，還能彈出氣囊防止老人跌倒，讓人不怕冷、熱變化，維持人體恒溫環(huán)境……這，可能嗎？有機械摩擦、生物力學(xué)、材料學(xué)等高科技加持，智能服裝讓這些皆有可能。近日，記者采訪(fǎng)了長(cháng)期致力于智能服裝研究的北京服裝學(xué)院教授劉莉等專(zhuān)家，讓他們一起揭秘融入高科技的新型服裝，能為我們帶來(lái)哪些驚喜。

　　能感受人體微乎其微的“警報”

　　鍍銀纖維、記憶金屬纖維、導電纖維，這些新興的織物電子材料，如今已被融入到服裝中，與生理測量、軍事應用等相結合，產(chǎn)生了大量研究成果和成熟的智能服裝。據劉莉介紹，對智能服裝的研發(fā)最早起源于軍事應用， 最典型的是以智能紡織品為基礎的機械外骨骼。然而，時(shí)至今日，對于智能服裝的研究早就不局限于軍事用途，可穿戴健康檢測、提升競技運動(dòng)能力、智能生活和時(shí)尚科技等領(lǐng)域都有智能服裝的“身影”。

　　其中，在可穿戴健康檢測領(lǐng)域的智能服裝裝置，由中央處理單元、生物傳感器等構成。當病人出現血壓或者血氧飽和度突發(fā)狀況時(shí)，智能服裝的檢測系統會(huì )接收且放大這些異常的信號，并對無(wú)關(guān)信號進(jìn)行過(guò)濾，再傳導向中央處理單元，由中央處理單元做出呼叫救護車(chē)或者采取其他救治措施的處理。

　　在可穿戴健康檢測智能服裝中，非常重要的一環(huán)是生物傳感器，它應用了人機交互和智能傳感等先進(jìn)技術(shù)。生物傳感器被植入服裝之中，貼近人的皮膚發(fā)揮作用，它可以敏銳地捕捉你身體上的各種生物信號，再將這些生物信號轉化成機器能識別的語(yǔ)言，并發(fā)現其中細微的變化。它就好像隨身攜帶一個(gè)家庭醫生，可以及時(shí)響應你身體發(fā)出的各種微乎其微的“警報”，做出相應的診斷。

　　穿上一個(gè)便攜的“家庭醫生”，在人們愈加重視健康的大環(huán)境下，很受歡迎。已有多個(gè)國家的多家實(shí)驗室都開(kāi)展了可穿戴健康檢測智能服裝的研發(fā)。例如，早在2003年～2009年，歐盟就支持研發(fā)了MyHeart項目，旨在通過(guò)預防和早期診斷來(lái)對抗心血管疾病。這件設備設計成一件背心的樣子，在“衣服”的一面有六個(gè)感應點(diǎn)，位于胸腔的周?chē)梢詼蚀_感知收集穿戴者心臟的相關(guān)數據。

　　除了日常生活中的應用，可穿戴健康檢測智能服裝還可用于航空航天領(lǐng)域。2011年，加拿大一家公司應加拿大國家航天局的要求研發(fā)Bio-Monitor項目，專(zhuān)門(mén)檢測航天員血壓、血氧飽和度、呼吸、運動(dòng)等數據，在2019年已應用于太空。這件“衣服”穿在航天員身上，可以直接從太空接收數據，更快進(jìn)行分析，并且不干擾航天員的日常活動(dòng)，省去了專(zhuān)門(mén)進(jìn)行健康檢測的時(shí)間。

　　這些可穿戴的智能服裝固然有很多優(yōu)點(diǎn)，但是耗電量大的問(wèn)題也不可忽視。為此，還出現了將充電器“穿”在身上的好方法，這就是摩擦納米發(fā)電機。這種發(fā)電機利用接觸起電和靜電感應效應，將穿戴者的低頻人體運動(dòng)轉換為高壓電輸出，實(shí)現機械運動(dòng)到交變電流的能量轉換，穿戴者在走路跑步的時(shí)候，裝置會(huì )收集摩擦產(chǎn)生的靜電，供應給身上的可穿戴健康檢測設施。在衣服比較容易產(chǎn)生摩擦的胳膊內側等位置，還放置獨立電源，用于延長(cháng)待機時(shí)間，不用擔心設施電量耗盡，這一技術(shù)目前已可應用在可穿戴智能服裝上。

　　能提高競技運動(dòng)能力

　　另一類(lèi)智能服裝的研制，則致力于提高人體的運動(dòng)能力。“如果可以通過(guò)科技提高1秒，那么就絕不通過(guò)訓練”。這是英國國家自行車(chē)隊科研主管依格漢姆的名言。對于當前世界競技體育強國而言，科技含量高的運動(dòng)裝備，已經(jīng)成為提高比賽成績(jì)的主要途徑之一。最著(zhù)名的有1998年長(cháng)野冬季奧運會(huì )，荷蘭選手穿著(zhù)“斷跟”的冰刀，在1000米比賽中奪得金牌和銀牌。還有游泳健將菲爾普斯憑借“鯊魚(yú)皮”泳衣打破了多項世界紀錄。他的泳衣模仿了鯊魚(yú)皮膚的結構，鯊魚(yú)皮膚表面粗糙的V形皺褶可以大大減少水流的摩擦力，能引導周?chē)乃鳎瑴p少水阻力并提高游進(jìn)速度3%～7.5%。

　　在競技運動(dòng)服裝的“科技含量”上，我國曾經(jīng)并不占優(yōu)勢。為了提升我國競技體育運動(dòng)服的品質(zhì)，迎戰北京冬奧會(huì )，劉莉團隊從源頭做起，從研發(fā)面料開(kāi)始，到服裝的結構，到整體服裝、運動(dòng)員測試，整體經(jīng)歷兩年的時(shí)間。

　　以“減阻類(lèi)服裝”為例。這類(lèi)服裝從材料端到成衣，是很長(cháng)的鏈條。在制作減阻服裝時(shí)，首先需要應用壓差減阻的機理。這要從空氣動(dòng)力學(xué)的數字模擬分析入手，通過(guò)CFD算法來(lái)對空氣阻力進(jìn)行分析，為設計服裝的結構提供基礎。

　　接下來(lái)，需要織造減阻面料。冰雪運動(dòng)需要的是具有微結構的減阻面料。首先用計算機仿真成型，使用3D打印和膠印的方式，制造出凹坑型機理的面料，凹坑深度、密度都做了系列研究，甚至還嘗試用激光雕刻在面料上刻出凹坑形狀。最終在冬奧運動(dòng)員們的“戰服”上，多種制造方式都被采用，保證了其性能。

　　有了高科技的面料，就開(kāi)始進(jìn)行面料與服裝結構的進(jìn)一步篩選，這需要開(kāi)發(fā)大量以目標運動(dòng)員為對象的1∶1人體模型測試工具，代替運動(dòng)員在風(fēng)洞里接受實(shí)驗。

　　劉莉介紹說(shuō)，風(fēng)洞以前是工程技術(shù)手段，專(zhuān)門(mén)適用于制造飛機、汽車(chē)以及建筑等工程領(lǐng)域，應用在運動(dòng)服上是比較少的。這也是我國首次利用風(fēng)洞來(lái)專(zhuān)門(mén)進(jìn)行運動(dòng)員的訓練和裝備研發(fā)。

　　劉莉團隊開(kāi)展了1000個(gè)小時(shí)以上的風(fēng)洞測試。冰雪競技運動(dòng)最主要的阻力是空氣阻力，通過(guò)減少空氣阻力，讓運動(dòng)員在相同的驅動(dòng)力下，能夠達到更高的速度。從技術(shù)上說(shuō)，服裝減阻分為運動(dòng)員的姿態(tài)減阻和裝備減阻兩個(gè)大方向，姿態(tài)減阻是通過(guò)運動(dòng)員不參與發(fā)力的一些肢體和一些姿態(tài)來(lái)減小整個(gè)人的形狀阻力，或者叫作壓差阻力。而服裝減阻又分為壓差阻力和摩擦阻力兩大部分。一些臥姿的運動(dòng)，例如鋼架雪車(chē)和雪橇，可能會(huì )包含一部分的摩擦阻力。

　　設計人員主要通過(guò)調整服裝的表面形貌，對服裝表面的微結構進(jìn)行設計來(lái)對局部阻力進(jìn)行干擾，把它局部的雷諾數提升到臨界雷諾數之上。雷諾數是描述湍流狀態(tài)的一個(gè)常數。它的特點(diǎn)，是當雷諾數增大到臨界雷諾數之后，其阻力系數會(huì )有一個(gè)顯著(zhù)的變化。目前，通過(guò)提升雷諾數，可以達到5%～10%的減阻效果。

　　最終，這些服裝在多個(gè)指標上超越從海外訂購的服裝，也就是說(shuō)，自主研發(fā)的運動(dòng)服，與國外最新生產(chǎn)的運動(dòng)服相比，明顯優(yōu)于海外的服裝。有了“科技”的助力，運動(dòng)員的服裝有了很大的提升。這融合了機械摩擦、生物力學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科，是集體攻關(guān)的成果。

　　能防止老人跌倒、保持恒溫恒濕

　　對于日常生活而言，智能服裝有哪些用途呢？能否制作彈出氣囊防老人跌倒的服裝，或者能保證一天穿一件衣服冷、熱不出汗的恒溫服裝？

　　劉莉介紹說(shuō)，防跌倒的服裝和恒溫的服裝都是他們團隊開(kāi)發(fā)的智能服裝。跌倒對老年人健康甚至生命影響非常大，在面向老年人的防跌倒服裝方面，劉莉的團隊協(xié)同航天領(lǐng)域的專(zhuān)家開(kāi)展了相關(guān)的研發(fā)。航天專(zhuān)家開(kāi)展氣囊彈出算法，劉莉團隊負責做整體的服裝功能性設計，讓它更便利，設計更成熟。

　　對于恒溫服裝，與劉莉合作的天津工業(yè)大學(xué)教授劉皓介紹說(shuō)，溫度和濕度是相關(guān)的參數，如果溫度高，濕度也高的話(huà)，人們體驗感就會(huì )很差，因此要做一個(gè)恒溫恒濕的服裝，可以用吸濕快干纖維來(lái)使服裝內部的濕度降低，改善穿著(zhù)的舒適性。

　　另一個(gè)方面就是平衡溫度。針對保暖問(wèn)題，環(huán)境溫度低就需要加溫，如果溫度高的話(huà)就要降溫。加溫有很多方法，如通過(guò)電能加熱元件來(lái)釋放出熱量，保持人體的溫度穩定。此外，還有降溫服裝，可以在溫度較高的環(huán)境中，吸收太陽(yáng)光，從而降低人體的體感溫度，反過(guò)來(lái)穿的話(huà)，又可以升高人體的溫度。在降溫方面，還有一種方法是水冷，通過(guò)水管來(lái)降溫，但這會(huì )導致服裝的體積或重量增加，影響穿戴的舒適性。另一種是通過(guò)半導體制冷片來(lái)降低溫度，但問(wèn)題是在降溫的同時(shí)，制冷片另一面是升溫的，消耗的能量會(huì )比較大。此外也有風(fēng)冷，即裝一個(gè)風(fēng)扇給服裝內部降溫。但總體來(lái)說(shuō)目前尚未找到特別好的方案，能使服裝降溫又舒適又輕便，效率又高。

　　劉皓說(shuō)，未來(lái)可以從兩個(gè)方面著(zhù)手，第一是改善服裝面料的導熱系數。第二是設計一種結構讓服裝能夠快速導出熱量。但是溫度升高和降低都只能在一個(gè)有限的區間范圍內。目前這方面研究的阻力，是在一些極低溫度的環(huán)境下，通過(guò)面料吸收紅外光或者是反射紅外光可能達不到恒溫的要求，尤其在零下20℃甚至到零下40℃~50℃的環(huán)境。在極寒情況下，目前能想到的處理方法是提高服裝材料的熱阻，還有可以通過(guò)外界能量的輸入，來(lái)保持人體與服裝之間溫度的恒定。在保溫方面，目前主要是通過(guò)加熱片來(lái)加熱，但現在的技術(shù)水平還無(wú)法實(shí)現智能化調節，必須手動(dòng)調節溫度。

　　期待能更輕巧、可折疊、隨意洗滌

　　在劉莉看來(lái)，智能服裝在未來(lái)的發(fā)展中還存在科技與設計如何協(xié)調融合的問(wèn)題。作為科研人員，專(zhuān)注技術(shù)突破的同時(shí)，可能無(wú)法做到更多從消費者需求出發(fā)，而服裝設計師在設計產(chǎn)品時(shí)多以利潤為先，缺乏創(chuàng )新性和前瞻性。

　　具體來(lái)說(shuō)，在科學(xué)研究方面，應用于智能服裝的智能材料，應該結合紡織品的可洗滌性和耐穿性以及電子產(chǎn)品的智能等特性，這就需要研發(fā)更加微型化和柔性化的電子元件，當這樣的電子元件更好地集成于紡織品中，就能避免因多次使用或者洗滌造成的電子設備磨損和老化。與此同時(shí)，研發(fā)人員應注重開(kāi)發(fā)減少使用者穿戴負擔的產(chǎn)品，將“智能”化沉重為輕巧，化有形為無(wú)形，化有感為無(wú)感，真正實(shí)現與服裝本身融為一體，可以隨意折疊、洗滌，并像普通衣物一樣易于護理。

　　另一個(gè)突出問(wèn)題，是智能服裝的穩定性和耐久性。此前所說(shuō)的附著(zhù)在衣服上的納米發(fā)電機就存在這樣的問(wèn)題——當外界環(huán)境變得潮濕時(shí)，氧化鋅的導電能力就會(huì )退化，衣服摩擦發(fā)電的效率會(huì )大大降低。據悉，負責納米發(fā)電機設計的中科院外籍院士、中科院北京納米能源與系統研究所所長(cháng)王中林的研究小組正在研究一種方法，以便使這種“發(fā)電纖維”即使在潮濕的洗衣房中也可以正常工作。

　　此外，如何在智能服裝的生產(chǎn)和使用階段做到綠色無(wú)污染，是一個(gè)需要考慮的問(wèn)題。與現階段大力倡導綠色經(jīng)濟和可持續發(fā)展，建設環(huán)境友好型社會(huì )相矛盾的是，智能服裝中所使用的各種元件以及智能服裝的加工生產(chǎn)，存在著(zhù)污染環(huán)境的危害因素。同時(shí),紡織品的回收也是一個(gè)比較棘手的問(wèn)題。在智能服裝未來(lái)的發(fā)展趨勢中，設施的供電方式由傳統的蓄電池轉變?yōu)榄h(huán)保的光伏供電和壓電供電是大勢所趨。同時(shí),智能服裝的各個(gè)元件以及面料在后期都要保證高效率的回收。

　　劉莉表示，智能服裝目前具有廣闊的市場(chǎng)前景，但是這項新興技術(shù)在發(fā)展過(guò)程中的各種問(wèn)題仍然不容忽視。不過(guò)，她相信隨著(zhù)電子電機、計算機軟件等技術(shù)的發(fā)展，智能服裝會(huì )在不久的將來(lái)得到普及。