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(ti) 發出的“警報”，能提高運動員的比賽成績，還能彈出氣囊防止老人跌倒，讓人不怕冷、熱變化，維持人體(ti) 恒溫環境……這，可能嗎？有機械摩擦、生物力學、材料學等高科技加持，智能服裝讓這些皆有可能。近日，記者采訪了長期致力於(yu) 智能服裝研究的北京服裝學院教授劉莉等專(zhuan) 家，讓他們(men) 一起揭秘融入高科技的新型服裝，能為(wei) 我們(men) 帶來哪些驚喜。

　　能感受人體(ti) 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(xing) 的織物電子材料，如今已被融入到服裝中，與(yu) 生理測量、軍(jun) 事應用等相結合，產(chan) 生了大量研究成果和成熟的智能服裝。據劉莉介紹，對智能服裝的研發最早起源於(yu) 軍(jun) 事應用， 最典型的是以智能紡織品為(wei) 基礎的機械外骨骼。然而，時至今日，對於(yu) 智能服裝的研究早就不局限於(yu) 軍(jun) 事用途，可穿戴健康檢測、提升競技運動能力、智能生活和時尚科技等領域都有智能服裝的“身影”。

　　其中，在可穿戴健康檢測領域的智能服裝裝置，由中央處理單元、生物傳(chuan) 感器等構成。當病人出現血壓或者血氧飽和度突發狀況時，智能服裝的檢測係統會(hui) 接收且放大這些異常的信號，並對無關(guan) 信號進行過濾，再傳(chuan) 導向中央處理單元，由中央處理單元做出呼叫救護車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，非常重要的一環是生物傳(chuan) 感器，它應用了人機交互和智能傳(chuan) 感等先進技術。生物傳(chuan) 感器被植入服裝之中，貼近人的皮膚發揮作用，它可以敏銳地捕捉你身體(ti) 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言，並發現其中細微的變化。它就好像隨身攜帶一個(ge) 家庭醫生，可以及時響應你身體(ti) 發出的各種微乎其微的“警報”，做出相應的診斷。

　　穿上一個(ge) 便攜的“家庭醫生”，在人們(men) 愈加重視健康的大環境下，很受歡迎。已有多個(ge) 國家的多家實驗室都開展了可穿戴健康檢測智能服裝的研發。例如，早在2003年～2009年，歐盟就支持研發了MyHeart項目，旨在通過預防和早期診斷來對抗心血管疾病。這件設備設計成一件背心的樣子，在“衣服”的一麵有六個(ge) 感應點，位於(yu) 胸腔的周圍，可以準確感知收集穿戴者心髒的相關(guan) 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於(yu) 航空航天領域。2011年，加拿大一家公司應加拿大國家航天局的要求研發Bio-Monitor項目，專(zhuan) 門檢測航天員血壓、血氧飽和度、呼吸、運動等數據，在2019年已應用於(yu) 太空。這件“衣服”穿在航天員身上，可以直接從(cong) 太空接收數據，更快進行分析，並且不幹擾航天員的日常活動，省去了專(zhuan) 門進行健康檢測的時間。

　　這些可穿戴的智能服裝固然有很多優(you) 點，但是耗電量大的問題也不可忽視。為(wei) 此，還出現了將充電器“穿”在身上的好方法，這就是摩擦納米發電機。這種發電機利用接觸起電和靜電感應效應，將穿戴者的低頻人體(ti) 運動轉換為(wei) 高壓電輸出，實現機械運動到交變電流的能量轉換，穿戴者在走路跑步的時候，裝置會(hui) 收集摩擦產(chan) 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(chan) 生摩擦的胳膊內(nei) 側(ce) 等位置，還放置獨立電源，用於(yu) 延長待機時間，不用擔心設施電量耗盡，這一技術目前已可應用在可穿戴智能服裝上。

　　能提高競技運動能力

　　另一類智能服裝的研製，則致力於(yu) 提高人體(ti) 的運動能力。“如果可以通過科技提高1秒，那麽(me) 就絕不通過訓練”。這是英國國家自行車隊科研主管依格漢姆的名言。對於(yu) 當前世界競技體(ti) 育強國而言，科技含量高的運動裝備，已經成為(wei) 提高比賽成績的主要途徑之一。最著名的有1998年長野冬季奧運會(hui) ，荷蘭(lan) 選手穿著“斷跟”的冰刀，在1000米比賽中奪得金牌和銀牌。還有遊泳健將菲爾普斯憑借“鯊魚皮”泳衣打破了多項世界紀錄。他的泳衣模仿了鯊魚皮膚的結構，鯊魚皮膚表麵粗糙的V形皺褶可以大大減少水流的摩擦力，能引導周圍的水流，減少水阻力並提高遊進速度3%～7.5%。

　　在競技運動服裝的“科技含量”上，我國曾經並不占優(you) 勢。為(wei) 了提升我國競技體(ti) 育運動服的品質，迎戰北京冬奧會(hui) ，劉莉團隊從(cong) 源頭做起，從(cong) 研發麵料開始，到服裝的結構，到整體(ti) 服裝、運動員測試，整體(ti) 經曆兩(liang) 年的時間。

　　以“減阻類服裝”為(wei) 例。這類服裝從(cong) 材料端到成衣，是很長的鏈條。在製作減阻服裝時，首先需要應用壓差減阻的機理。這要從(cong) 空氣動力學的數字模擬分析入手，通過CFD算法來對空氣阻力進行分析，為(wei) 設計服裝的結構提供基礎。

　　接下來，需要織造減阻麵料。冰雪運動需要的是具有微結構的減阻麵料。首先用計算機仿真成型，使用3D打印和膠印的方式，製造出凹坑型機理的麵料，凹坑深度、密度都做了係列研究，甚至還嚐試用激光雕刻在麵料上刻出凹坑形狀。最終在冬奧運動員們(men) 的“戰服”上，多種製造方式都被采用，保證了其性能。

　　有了高科技的麵料，就開始進行麵料與(yu) 服裝結構的進一步篩選，這需要開發大量以目標運動員為(wei) 對象的1∶1人體(ti) 模型測試工具，代替運動員在風洞裏接受實驗。

　　劉莉介紹說，風洞以前是工程技術手段，專(zhuan) 門適用於(yu) 製造飛機、汽車以及建築等工程領域，應用在運動服上是比較少的。這也是我國首次利用風洞來專(zhuan) 門進行運動員的訓練和裝備研發。

　　劉莉團隊開展了1000個(ge) 小時以上的風洞測試。冰雪競技運動最主要的阻力是空氣阻力，通過減少空氣阻力，讓運動員在相同的驅動力下，能夠達到更高的速度。從(cong) 技術上說，服裝減阻分為(wei) 運動員的姿態減阻和裝備減阻兩(liang) 個(ge) 大方向，姿態減阻是通過運動員不參與(yu) 發力的一些肢體(ti) 和一些姿態來減小整個(ge) 人的形狀阻力，或者叫作壓差阻力。而服裝減阻又分為(wei) 壓差阻力和摩擦阻力兩(liang) 大部分。一些臥姿的運動，例如鋼架雪車和雪橇，可能會(hui) 包含一部分的摩擦阻力。

　　設計人員主要通過調整服裝的表麵形貌，對服裝表麵的微結構進行設計來對局部阻力進行幹擾，把它局部的雷諾數提升到臨(lin) 界雷諾數之上。雷諾數是描述湍流狀態的一個(ge) 常數。它的特點，是當雷諾數增大到臨(lin) 界雷諾數之後，其阻力係數會(hui) 有一個(ge) 顯著的變化。目前，通過提升雷諾數，可以達到5%～10%的減阻效果。

　　最終，這些服裝在多個(ge) 指標上超越從(cong) 海外訂購的服裝，也就是說，自主研發的運動服，與(yu) 國外最新生產(chan) 的運動服相比，明顯優(you) 於(yu) 海外的服裝。有了“科技”的助力，運動員的服裝有了很大的提升。這融合了機械摩擦、生物力學、材料學等多學科，是集體(ti) 攻關(guan) 的成果。

　　能防止老人跌倒、保持恒溫恒濕

　　對於(yu) 日常生活而言，智能服裝有哪些用途呢？能否製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，防跌倒的服裝和恒溫的服裝都是他們(men) 團隊開發的智能服裝。跌倒對老年人健康甚至生命影響非常大，在麵向老年人的防跌倒服裝方麵，劉莉的團隊協同航天領域的專(zhuan) 家開展了相關(guan) 的研發。航天專(zhuan) 家開展氣囊彈出算法，劉莉團隊負責做整體(ti) 的服裝功能性設計，讓它更便利，設計更成熟。

　　對於(yu) 恒溫服裝，與(yu) 劉莉合作的天津工業(ye) 大學教授劉皓介紹說，溫度和濕度是相關(guan) 的參數，如果溫度高，濕度也高的話，人們(men) 體(ti) 驗感就會(hui) 很差，因此要做一個(ge) 恒溫恒濕的服裝，可以用吸濕快幹纖維來使服裝內(nei) 部的濕度降低，改善穿著的舒適性。

　　另一個(ge) 方麵就是平衡溫度。針對保暖問題，環境溫度低就需要加溫，如果溫度高的話就要降溫。加溫有很多方法，如通過電能加熱元件來釋放出熱量，保持人體(ti) 的溫度穩定。此外，還有降溫服裝，可以在溫度較高的環境中，吸收太陽光，從(cong) 而降低人體(ti) 的體(ti) 感溫度，反過來穿的話，又可以升高人體(ti) 的溫度。在降溫方麵，還有一種方法是水冷，通過水管來降溫，但這會(hui) 導致服裝的體(ti) 積或重量增加，影響穿戴的舒適性。另一種是通過半導體(ti) 製冷片來降低溫度，但問題是在降溫的同時，製冷片另一麵是升溫的，消耗的能量會(hui) 比較大。此外也有風冷，即裝一個(ge) 風扇給服裝內(nei) 部降溫。但總體(ti) 來說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，未來可以從(cong) 兩(liang) 個(ge) 方麵著手，第一是改善服裝麵料的導熱係數。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隻能在一個(ge) 有限的區間範圍內(nei) 。目前這方麵研究的阻力，是在一些極低溫度的環境下，通過麵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，還有可以通過外界能量的輸入，來保持人體(ti) 與(yu) 服裝之間溫度的恒定。在保溫方麵，目前主要是通過加熱片來加熱，但現在的技術水平還無法實現智能化調節，必須手動調節溫度。

　　期待能更輕巧、可折疊、隨意洗滌

　　在劉莉看來，智能服裝在未來的發展中還存在科技與(yu) 設計如何協調融合的問題。作為(wei) 科研人員，專(zhuan) 注技術突破的同時，可能無法做到更多從(cong) 消費者需求出發，而服裝設計師在設計產(chan) 品時多以利潤為(wei) 先，缺乏創新性和前瞻性。

　　具體(ti) 來說，在科學研究方麵，應用於(yu) 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(chan) 品的智能等特性，這就需要研發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於(yu) 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(yu) 此同時，研發人員應注重開發減少使用者穿戴負擔的產(chan) 品，將“智能”化沉重為(wei) 輕巧，化有形為(wei) 無形，化有感為(wei) 無感，真正實現與(yu) 服裝本身融為(wei) 一體(ti) ，可以隨意折疊、洗滌，並像普通衣物一樣易於(yu) 護理。

　　另一個(ge) 突出問題，是智能服裝的穩定性和耐久性。此前所說的附著在衣服上的納米發電機就存在這樣的問題——當外界環境變得潮濕時，氧化鋅的導電能力就會(hui) 退化，衣服摩擦發電的效率會(hui) 大大降低。據悉，負責納米發電機設計的中科院外籍院士、中科院北京納米能源與(yu) 係統研究所所長王中林的研究小組正在研究一種方法，以便使這種“發電纖維”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(chan) 和使用階段做到綠色無汙染，是一個(ge) 需要考慮的問題。與(yu) 現階段大力倡導綠色經濟和可持續發展，建設環境友好型社會(hui) 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(chan) ，存在著汙染環境的危害因素。同時,紡織品的回收也是一個(ge) 比較棘手的問題。在智能服裝未來的發展趨勢中，設施的供電方式由傳(chuan) 統的蓄電池轉變為(wei) 環保的光伏供電和壓電供電是大勢所趨。同時,智能服裝的各個(ge) 元件以及麵料在後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前景，但是這項新興(xing) 技術在發展過程中的各種問題仍然不容忽視。不過，她相信隨著電子電機、計算機軟件等技術的發展，智能服裝會(hui) 在不久的將來得到普及。