智慧服裝，有多智慧
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，智慧服裝讓這些皆有可能。近日，記者採訪了長期致力於智慧服裝研究的北京服裝學院教授劉莉等專家，讓他們一起揭秘融入高科技的新型服裝，能為我們帶來哪些驚喜。
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，產生了大量研究成果和成熟的智慧服裝。據劉莉介紹，對智慧服裝的研發最早起源於軍事應用， 最典型的是以智慧紡織品為基礎的機械外骨骼。然而，時至今日，對於智慧服裝的研究早就不局限于軍事用途，可穿戴健康檢測、提升競技運動能力、智慧生活和時尚科技等領域都有智慧服裝的“身影”。
其中，在可穿戴健康檢測領域的智慧服裝裝置，由中央處理單元、生物感測器等構成。當病人出現血壓或者血氧飽和度突發狀況時，智慧服裝的檢測系統會接收且放大這些異常的信號，並對無關信號進行過濾，再傳導向中央處理單元，由中央處理單元做出呼叫救護車或者採取其他救治措施的處理。
在可穿戴健康檢測智慧服裝中，非常重要的一環是生物感測器，它應用了人機交互和智慧傳感等先進技術。生物感測器被植入服裝之中，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，併發現其中細微的變化。它就好像隨身攜帶一個家庭醫生，可以及時響應你身體發出的各種微乎其微的“警報”，做出相應的診斷。
穿上一個便攜的“家庭醫生”，在人們愈加重視健康的大環境下，很受歡迎。已有多個國家的多家實驗室都開展了可穿戴健康檢測智慧服裝的研發。例如，早在2003年∼2009年，歐盟就支援研發了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”的一面有六個感應點，位於胸腔的周圍，可以準確感知收集穿戴者心臟的相關數據。
除了日常生活中的應用，可穿戴健康檢測智慧服裝還可用於航空航太領域。2011年，加拿大一家公司應加拿大國家航太局的要求研發Bio-Monitor項目，專門檢測航太員血壓、血氧飽和度、呼吸、運動等數據，在2019年已應用於太空。這件“衣服”穿在航太員身上，可以直接從太空接收數據，更快進行分析，並且不干擾航太員的日常活動，省去了專門進行健康檢測的時間。
這些可穿戴的智慧服裝固然有很多優點，但是耗電量大的問題也不可忽視。為此，還出現了將充電器“穿”在身上的好方法，這就是摩擦奈米發電機。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運動轉換為高壓電輸出，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，裝置會收集摩擦產生的靜電，供應給身上的可穿戴健康檢測設施。在衣服比較容易產生摩擦的胳膊內側等位置，還放置獨立電源，用於延長待機時間，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慧服裝上。
能提高競技運動能力
另一類智慧服裝的研製，則致力於提高人體的運動能力。“如果可以通過科技提高1秒，那麼就絕不通過訓練”。這是英國國家自行車隊科研主管依格漢姆的名言。對於當前世界競技體育強國而言，科技含量高的運動裝備，已經成為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，荷蘭選手穿著“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藉“鯊魚皮”泳衣打破了多項世界紀錄。他的泳衣模倣了鯊魚皮膚的結構，鯊魚皮膚表面粗糙的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，我國曾經並不佔優勢。為了提升我國競技體育運動服的品質，迎戰北京冬奧會，劉莉團隊從源頭做起，從研發布料開始，到服裝的結構，到整體服裝、運動員測試，整體經歷兩年的時間。
以“減阻類服裝”為例。這類服裝從材料端到成衣，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。這要從空氣動力學的數字模擬分析入手，通過CFD演算法來對空氣阻力進行分析，為設計服裝的結構提供基礎。
接下來，需要織造減阻布料。冰雪運動需要的是具有微結構的減阻布料。首先用電腦倣真成型，使用3D列印和膠印的方式，製造出凹坑型機理的布料，凹坑深度、密度都做了系列研究，甚至還嘗試用鐳射雕刻在布料上刻出凹坑形狀。最終在冬奧運動員們的“戰服”上，多種製造方式都被採用，保證了其性能。
有了高科技的布料，就開始進行布料與服裝結構的進一步篩選，這需要開發大量以目標運動員為對象的1：1人體模型測試工具，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，專門適用於製造飛機、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門進行運動員的訓練和裝備研發。
劉莉團隊開展了1000個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。從技術上說，服裝減阻分為運動員的姿態減阻和裝備減阻兩個大方向，姿態減阻是通過運動員不參與發力的一些肢體和一些姿態來減小整個人的形狀阻力，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，例如鋼架雪車和雪橇，可能會包含一部分的摩擦阻力。
設計人員主要通過調整服裝的表面形貌，對服裝表面的微結構進行設計來對局部阻力進行干擾，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的一個常數。它的特點，是當雷諾數增大到臨界雷諾數之後，其阻力系數會有一個顯著的變化。目前，通過提升雷諾數，可以達到5%∼10%的減阻效果。
最終，這些服裝在多個指標上超越從海外訂購的服裝，也就是說，自主研發的運動服，與國外最新生產的運動服相比，明顯優於海外的服裝。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，是集體攻關的成果。
能防止老人跌倒、保持恒溫恒濕
對於日常生活而言，智慧服裝有哪些用途呢？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團隊開發的智慧服裝。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，劉莉的團隊協同航太領域的專家開展了相關的研發。航太專家開展氣囊彈出演算法，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。
對於恒溫服裝，與劉莉合作的天津工業大學教授劉皓介紹說，溫度和濕度是相關的參數，如果溫度高，濕度也高的話，人們體驗感就會很差，因此要做一個恒溫恒濕的服裝，可以用吸濕快幹纖維來使服裝內部的濕度降低，改善穿著的舒適性。
另一個方面就是平衡溫度。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，從而降低人體的體感溫度，反過來穿的話，又可以升高人體的溫度。在降溫方面，還有一種方法是水冷，通過水管來降溫，但這會導致服裝的體積或重量增加，影響穿戴的舒適性。另一種是通過半導體製冷片來降低溫度，但問題是在降溫的同時，製冷片另一面是升溫的，消耗的能量會比較大。此外也有風冷，即裝一個風扇給服裝內部降溫。但總體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，未來可以從兩個方面著手，第一是改善服裝布料的導熱系數。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有限的區間範圍內。目前這方面研究的阻力，是在一些極低溫度的環境下，通過布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，來保持人體與服裝之間溫度的恒定。在保溫方面，目前主要是通過加熱片來加熱，但現在的技術水準還無法實現智慧化調節，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，智慧服裝在未來的發展中還存在科技與設計如何協調融合的問題。作為科研人員，專注技術突破的同時，可能無法做到更多從消費者需求出發，而服裝設計師在設計產品時多以利潤為先，缺乏創新性和前瞻性。
具體來說，在科學研究方面，應用於智慧服裝的智慧材料，應該結合紡織品的可洗滌性和耐穿性以及電子產品的智慧等特性，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整合于紡織品中，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，研發人員應注重開發減少使用者穿戴負擔的產品，將“智慧”化沉重為輕巧，化有形為無形，化有感為無感，真正實現與服裝本身融為一體，可以隨意折疊、洗滌，並像普通衣物一樣易於護理。
另一個突出問題，是智慧服裝的穩定性和耐久性。此前所說的附著在衣服上的奈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退化，衣服摩擦發電的效率會大大降低。據悉，負責奈米發電機設計的中科院外籍院士、中科院北京奈米能源與系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，如何在智慧服裝的生產和使用階段做到綠色無污染，是一個需要考慮的問題。與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相矛盾的是，智慧服裝中所使用的各種元件以及智慧服裝的加工生產，存在著污染環境的危害因素。同時,紡織品的回收也是一個比較棘手的問題。在智慧服裝未來的發展趨勢中，設施的供電方式由傳統的蓄電池轉變為環保的光伏供電和壓電供電是大勢所趨。同時,智慧服裝的各個元件以及布料在後期都要保證高效率的回收。
劉莉表示，智慧服裝目前具有廣闊的市場前景，但是這項新興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、電腦軟體等技術的發展，智慧服裝會在不久的將來得到普及。
