智能服装有哪些(智能服装工厂)
光明日报记者詹元光明日报通讯员杨顺喜
一件衣服可以感知人体发出的“警报”，提高运动员成绩，弹出气囊防止老人摔倒，使人不怕冷热变化，保持恒温环境。人体……这可能吗？凭借机械摩擦、生物力学和材料科学等高科技的加持，智能服装使这些成为可能。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，请他们揭秘新型高科技服装能给我们带来哪些惊喜。
能够感知人体微妙的“警报”
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现已融入到服装中，与生理测量、军事应用等相结合，产生了大量的研究成果和成熟的智能服装。刘莉介绍，智能服装的研发最早源于军事应用，最典型的是基于智能纺织品的机械外骨骼。然而，如今，智能服装的研究已不仅仅局限于军事应用。智能服装还应用于可穿戴健康检测、竞技运动能力提升、智能生活、时尚科技等领域。
其中，可穿戴健康检测领域的智能服装设备由中央处理器、生物传感器等组成，当患者出现血压或血氧饱和度紧急情况时，智能服装的检测系统会接收并放大这些数据。异常信号，过滤无关信号，然后传输到中央处理单元，中央处理单元将发出救援呼叫。车辆或采取其他救援措施。
在可穿戴健康检测智能服装中，非常重要的一部分就是生物传感器，它应用了人机交互、智能传感等先进技术。生物传感器嵌入衣服中并靠近人体皮肤工作。它们可以敏锐地捕捉你身体上的各种生物信号，然后将这些生物信号转换成机器可以识别的语言，并检测其中的细微变化。它就像随身携带一位家庭医生，能够及时响应身体发出的各种细微“警报”，做出相应的诊断。
在人们越来越注重健康的环境下，佩戴便携式“家庭医生”非常流行。多个国家的多个实验室开展了可穿戴健康检测智能服装的研发。例如，早在2003年至2009年，欧盟就支持MyHeart项目的发展，该项目旨在通过预防和早期诊断来对抗心血管疾病。该设备设计得像背心。“衣服”一侧有六个感应点，位于胸部周围，可以准确感应并收集与穿着者心脏相关的数据。
除了日常生活中的应用，可穿戴健康检测智能服装还可以应用于航空航天领域。2011年，加拿大一家公司应加拿大国家航天局的要求开发了Bio-Monitor项目，专门检测宇航员的血压、血氧饱和度、呼吸、运动等数据。它已于2019年在太空中使用。当宇航员穿上这种“衣服”时，这种“衣服”可以直接从太空接收数据并更快地进行分析，而不会干扰宇航员的日常活动，从而无需进行专门的健康检测。
虽然这些可穿戴智能衣服有很多优点，但高功耗的问题也不容忽视。为此，一种将充电器“佩戴”在身上的好方法就出现了，这就是摩擦纳米发电机。该发电机利用接触起电和静电感应效应，将佩戴者的低频人体运动转化为高压电输出，实现从机械运动到交流电的能量转换。当佩戴者行走或跑步时，设备收集摩擦产生的静电，供给到身上的可穿戴健康检测设备。手臂内侧，衣服容易摩擦的地方还放置了独立电源，延长待机时间，不用担心设备没电。该技术现在可以应用于可穿戴智能服装。
可以提高竞技运动能力
另一种智能服装的开发致力于提高人体的运动能力。“如果你能通过技术提高一秒，那么你就永远无法通过训练。”这是英国国家自行车队科学总监伊格尔汉姆的名言。对于当前世界竞技体育强国来说，科技含量高的体育装备已经成为提高比赛成绩的主要途径之一。最著名的是1998年长野冬奥会，荷兰运动员穿着“尖跟”溜冰鞋在1000米比赛中夺得金银牌。游泳运动员菲尔普斯则凭借“鲨鱼皮”泳衣打破了多项世界纪录。他的泳衣模仿了鲨鱼皮的结构。鲨鱼皮表面粗糙的V形皱纹可以大大减少水流的摩擦力，引导周围的水流，减少水的阻力，使游泳速度提高3%至7.5%。
就竞技运动服的“科技含量”而言，我国并不具备优势。为了提高我国竞技运动服装品质，备战北京冬奥会，刘莉团队从源头抓起，从面料研发，到服装结构，再到整体服装和运动员测试，这花了两年时间。
以“减阻服”为例。这类服装从材料端到成衣有一个很长的链条。在制作减阻服装时，首先需要应用压差机制来减阻。这从空气动力学的数字模拟分析入手，利用CFD算法分析空气阻力，为服装结构设计提供依据。
接下来，需要编织减阻织物。冰雪运动需要具有微结构的减阻织物。首先，采用计算机模拟成型，并采用3D打印和胶印技术制造出具有坑式机构的织物。对凹坑的深度和密度进行了一系列研究。他们甚至尝试使用激光雕刻在织物上雕刻凹坑形状。最终，多种制造方法被运用在冬奥会运动员的“作战服”上，以保证他们的表现。
随着高科技面料的出现，开始对面料和服装结构进行进一步筛选，这就需要开发大量针对目标运动员的1:1人体模型测试工具，代表运动员在风洞中接受实验。
刘力表示，风洞曾经是工程技术，专门适用于制造飞机、汽车、建筑等工程领域，但很少应用于运动服装领域。这也是我国首次利用风洞专门进行运动员训练和装备研发。
刘力团队进行了1000多个小时的风洞测试。冰雪运动中最重要的阻力是空气阻力。通过减少空气阻力，运动员可以在相同的驱动力下达到更高的速度。从技术上来说，服装减阻可以分为两个大方向：运动员姿势减阻和装备减阻。姿势减阻就是通过运动员一些不参与发力的肢体和姿势来降低整个人的形状阻力，或者叫压差阻力。服装减阻分为压差阻力和摩擦阻力两部分。一些卧式运动，例如有舵雪橇和雪橇，可能会涉及一些摩擦阻力。
设计师主要通过调整服装的表面形貌，设计服装表面的微观结构来干扰局部阻力，使其局部雷诺数提高到临界雷诺数以上。雷诺数是描述湍流状态的常数。其特点是当雷诺数增大到临界雷诺数时，其阻力系数将发生显着变化。目前，通过提高雷诺数，可以实现5%~10%的减阻效果。
最终，这些衣服在很多指标上都超过了从海外订购的衣服。也就是说，自主研发的运动服明显优于国外生产的最新运动服。在“科技”的帮助下，运动员的服装得到了很大的改进。这综合了机械摩擦学、生物力学、材料科学等学科，是集体研究的成果。
可防止老人跌倒并保持恒温恒湿
智能服装在日常生活中有哪些用途？能否制作出弹出安全气囊的服装，防止老人跌倒，或者能否制作出可以防止整天穿着一件衣服出汗的恒温服装？
刘莉说，防摔服和恒温服都是他们团队研发的智能服装。跌倒对老年人的健康乃至生命影响很大。在老年人防摔服方面，刘莉团队与航天领域专家合作，开展相关研发。航天专家开发了气囊弹射算法，刘力团队负责服装的整体功能设计，使其更方便、设计更成熟。
对于恒温服装，与刘丽合作的天津工业大学教授刘浩表示，温度和湿度是相关参数。如果温度高，湿度也高，人的体验就会差，所以必须制作恒温恒湿的服装。对于服装来说，可以采用吸湿快干纤维，降低服装内部的湿度，提高穿着舒适度。
另一个方面是平衡温度。对于保暖问题，环境温度低时需要加热，环境温度高时需要制冷。加热的方法有很多种，比如利用电热元件释放热量，保持人体温度稳定。此外，还有降温服装，可以在温度较高的环境中吸收阳光，从而降低人体的感知温度。反过来，如果佩戴的话，可以增加身体的温度。在冷却方面，另一种方法是水冷，即利用水管降温，但这会增加衣服的体积或重量，影响穿着的舒适度。另一种是采用半导体制冷芯片来降低温度，但问题是制冷的同时，制冷芯片的另一面却在升温，这会消耗大量的能量。还有空气冷却，这意味着安装风扇来冷却衣服内部。但总体来说，目前还没有找到特别好的解决方案，可以让服装变得凉爽、舒适、轻便、高效。
刘浩表示，未来可以从两个方面入手。首先是提高服装面料的导热性能。二是设计一种能让服装快速散热的结构。但温度只能在有限的范围内升降。目前这方面研究的阻力在于，在一些极低温环境下，织物吸收红外光或反射红外光可能达不到恒温要求，特别是在负20甚至负40的环境下。~50。在极寒条件下，目前能想到的解决方案是增加服装材料的热阻，通过外部能量的输入来维持人体与服装之间的恒温。在保温方面，目前主要是通过加热片来进行加热，但目前的技术水平无法实现智能调节，必须手动调节温度。
期待更轻、可折叠、可清洗
在刘莉看来，智能服装未来的发展仍然存在技术与设计如何协调融合的问题。作为科研人员，在关注技术突破的同时，未必能够更多地关注消费者的需求。然而，服装设计师在设计产品时大多以利润为先，缺乏创新和远见。
具体来说，在科学研究方面，智能服装所使用的智能材料应将纺织品的耐洗性、耐用性与电子产品的智能性结合起来。这就需要开发更加小型化和柔性化的电子元件。当这些电子元件更好地集成到纺织品中时，可以避免电子设备因重复使用或洗涤而造成的磨损和老化。同时，研发人员应重点开发减轻用户穿着负担的产品，将“智能”从重变轻、从有形转变为无形、从感官转变为无感，真正与服装融为一体。本身可以随意折叠。可清洗，并且像普通衣服一样易于护理。
另一个突出的问题是智能服装的稳定性和耐用性。前面提到的附着在衣服上的纳米发电机存在这样的问题：当外部环境变得潮湿时，氧化锌的导电能力会下降，衣服产生摩擦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忠林研究团队正在开展一项研究。使这种“发电纤维”即使在潮湿的洗衣房也能正常工作的方法。工作。
此外，如何让智能服装在生产和使用阶段绿色无污染，也是需要考虑的问题。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悖，智能服装中使用的各种部件以及智能服装的加工生产存在污染环境的有害因素。与此同时，纺织品回收也是一个难题。在智能服装未来的发展趋势中，设施的供电方式从传统的电池转变为环保的光伏供电、压电供电是大势所趋。同时，智能服装的各种部件和面料必须在后期进行高效回收。
刘力表示，智能服装目前有着广阔的市场前景，但这一新兴技术发展过程中的各种问题仍然不容忽视。不过，她相信，随着电子马达、计算机软件等技术的发展，智能服装在不久的将来将会流行起来。
《光明日报》（2022年8月11日第16版）