科技前沿｜在“智能+”这件事上，衣服也卷起来了？

封面新闻记者 边雪

为了打破每年必长胖的春节魔咒，林梓妍（化名）提前半个月，就给自己安排上了每天做一小时的“刘耕宏女孩”。但阳康没多久的林梓妍在坚持了3天高强度的健身后，就意外扭到了小腿。

“如果运动者穿上智能服装，就相当于将传感器安装在了衣服上，如果再进行打篮球、打网球或者做瑜伽等运动时，每一个动作的幅度都通过传感器被记录。”厦门大学副教授（双聘）、中国计算机学会、IEEE高级会员郭诗辉在接受采访时表示，通过智能服装，将会实时根据运动标准来提醒运动者规范每一个动作，同时也能避免运动者受伤。

在进入万物互联的时代下，可穿戴设备成为一个无时限、无界限概念的新数据流量入口，基于大数据、物联网、技术创新等层面应运而生的智能服装，会迎来发展的蓝海吗？正在以“围绕虚拟现实中的体感交互，特别是基于柔性传感器的智能服装”为研究领域的郭诗辉团队认为，未来，智能服装将具备智能感知和交互的功能。

带有传感器的智 能健身服装示意图。（图片来源：网络）

问世十多年的智能服装 要火起来了？

十多年来，带有传感器的智能服装和下一代纺织品可以将人们的衣柜转变为健康追踪服装，智能服装产业的光明前景似乎就在眼前。

新加坡国立大学（NUS）的一个研究小组就开发了一种智能手机驱动的运动服，这种智能服装能够在运动员外出比赛时为运动员提供姿势、跑步步态和体温等生理数据。而其研究结果2022年已发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上。

这些想法不仅仅来自高校或创业公司，李维斯（Levi's）和Under Armour都曾提出“运动夹克”的想法——作为一种提供触摸控制快捷方式和训练装备，可以追踪穿衣者的运动情况和生命体征。

但实际上，这些美好的设想并没有取得成功。尽管研究人员已经在将传感器和电路编织到衣服中这个方面做得更好，但智能纺织品并不像普通衣服那样耐用或防水，它们需要不断接触皮肤才能工作，还有可能会出现各种各样的问题。

“织物作为与人接触时间最长的物品，实现织物的智能化是获取人体状态信息的重要方式之一。智能服装的特色之处在于利用织物传感器监测人体运动信号，从而实现运动跟踪的目的。”郭诗辉解释，织物传感器作为人体运动状态的监测手段，是传感器、计算机图形学、计算智能等跨领域交叉的问题，是新兴、重要且有探索的方向。

智能服装始终没能特别流行，到底是什么原因？“智能服装虽然是一种大众消费品，但是还没有一个场景提供大众化的智能服装功能需求。”郭诗辉告诉封面新闻记者：“举个例子，用于动作捕捉的智能服装在前几年可以说是‘有劲儿没处使’，但近些年的硬件算力增加、AI和图形学算法不断优化，让虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术快速发展，随之而来的‘元宇宙’概念更是激发了大家对人体数字化重建的极大热情。所以在某个能提供大众化智能服装需求的场景出现之前，智能服装确实没流行起来。”

当下，智能手表都可以实现追踪睡眠、锻炼数据，监测你的心率是否有潜在的心律失常，并观察可能的呼吸暂停等功能，但无法更进一步感知人体的异常。“在未来，智能服装将服务于人，同时成为人类的连接器，满足人们在各种状态下的功能。”郭诗辉认为，现在很多事要靠手机、手环等外部设备的功能，以后都能植入服装，让生活更加便利和智能化。

郭诗辉在科博会现场介绍路演项目。(图片来源：封面新闻记者拍摄)

高科技智能服装：私人健康护理师

郭诗辉告诉记者，目前市面上的智能服装从应用领域大致分为生活娱乐，体育锻炼、医疗保健和军事设备类别。“比较成熟的产品有Hexoskin Smart的健身T恤、Nadix瑜伽裤、Ambiotex智能贴身上衣（能够进行跌倒检测和警报功能）以及能够给人按摩的AiraWear按摩服。”

对于普通人而言，智能服装除了健身，可作用的场景还有很多。郭诗辉指出，“生活娱乐和医疗健康是我们重点关注的方向，特别是对患者制定个性化的康复方案，智能服装也具有重要价值。”

值得注意的是，最初专为运动员设计的智能服装，在发展之余都兼具了医疗的功能，CircuiteX、SmartLife、Clothing+和Ohmatex等公司纷纷推出了自己的智能服装，有的可以测量心率和呼吸频率，有的可以帮助预测心脏病，甚至还有监测穿着者是否水肿的特殊袜子。

在探索智能服装的潜力上，研究人员不遗余力地设想智能服装的更多可能。2022年，郭诗辉带领的课题组在Hindawi旗下开源期刊Journal of Sensors发表了以“Intelligent Sensors and Internet of Medical Things for Smart Healthcare”为主题的研究论文，作为该研究论文的通讯作者，郭诗辉主要从事虚拟现实、人机交互、计算机图形学的研究工作。这项研究提出了一种基于柔性传感器的人体姿态跟踪方法。通过分析计算捕捉到的姿态以获得上肢的关节角度，并利用该角度连续评估上肢运动的EMG信号。

这项研究的实验结果表明，长短时记忆网络能够有效解决柔性传感器的非线性和迟滞问题，堆叠模型能够很好地回归出关节角度数据和EMG信号数据。该方法为未来家庭健康监测和运动指导提供了更多的可能性，例如，用户可以基于该系统实现在线医疗和在线诊断。

《应用物理杂志》上也曾发表过一篇题为《智能纺织品：未来时尚工具箱》的文章，其中列出了智能服装可能具有的潜在特征，其中包括自我修复小伤口、调节热量和气流、监测伤口并进行治疗等特殊功能。

郭诗辉在科博会现场介绍路演项目。(图片来源：封面新闻记者拍摄)

智能服装想要拓宽市场 道阻且长

如今市场上的大多数智能服装，是由传统材料制成后，将电路缝合在衣服上，可实现信号从传感器传送到接收器。还有一小部分智能服装是由特殊纺织品制成，它们通过传导电或压力、热量的差异做出反应，并将这些信号发送给接收器，从而识别出人体的变化，以Nike的“AeroAdapt”技术为例，该技术通过将织物聚集在一起，以打开透气间隙，从而对水分（例如汗液）做出反应。

“由于柔性传感导线都集于一件衣服上，背后的算法也会产生很多噪声。”郭诗辉向封面新闻记者表示，未来几年，或许智能服装面临的最大困难仍是工程领域的制造问题——集成化柔性电路和柔性导线、新型柔性传感器，以及上述柔性部件与纺织面料的复合等。

在材料科学进步的同时，人们对美的追求也在快速提升。在郭诗辉看来，智能服装的科技和设计缺一不可。“智能服装说到底还是服装，是一种供人们日常穿戴的大众消费品，所以我们团队在研发产品之初就定下了科技与设计这两方面的目标：前者的目标是研发使用新型传感器，在创新算法的支持下实现智能服装的‘智能性’提升；后者的目标是保证智能服装的视觉效果美观、穿着舒适，尽可能做到大家在日常生活中想穿就穿、在哪儿都能穿。在这样‘两把抓’的研发背景下，科技与设计就自然而然地在产品中平衡了。”

解决了穿得好看这件事，研发人员还在探索智能服装能穿在哪和能穿多久的问题。2021年4月出版的《应用科学》杂志上曾公布的一项调查发现：受访者之所以拒绝购买智能服装，是因为他们担心性能、耐用性和可用性。

不难发现，大部分市场上被称之为“智能服装”的商品，并不具备普通服装的耐穿和可洗的性质。“如果真的能帮助我更好完成运动，我会很愿意尝试智能健身服装。”林梓妍直言，但如果衣服不耐穿或者只能在特定的场合穿，她也可能只会图新鲜不会重复购买。“运动是我的日常例行项目，如果过一段时间就要重新买智能运动衣，那我可能负担不起。”

对此，郭诗辉带领的团队已经进行了多种模式的尝试。“在设计并制作完成一款基于柔性拉伸传感器的服装后，我们考虑到，面向大众的智能服装应当有更强的穿戴舒适性和更加自然的外观，毕竟大众消费者的使用场景不能够局限在家中或者专业场地中，一套紧身的连体服明显不能满足大家随时随地想穿就穿的愿望。”

郭诗辉告诉封面新闻记者，他们正着手设计制作一套全新的宽松休闲智能服装，其中传感器部分也进行了升级，更换了运动追踪更加精准的惯性传感器和硅胶基角度传感器。“智能服装的发展普及任重而道远，我们团队也希望能尽自己的力量，在一次次的迭代中把更成熟智能服装带到大众视野当中。”

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智能服装，有多智能

一件衣服，能感受人体发出的“警报”，能提高运动员的比赛成绩，还能弹出气囊防止老人跌倒，让人不怕冷、热变化，维持人体恒温环境……这，可能吗？有机械摩擦、生物力学、材料学等高科技加持，智能服装让这些皆有可能。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，让他们一起揭秘融入高科技的新型服装，能为我们带来哪些惊喜。

能感受人体微乎其微的“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，如今已被融入到服装中，与生理测量、军事应用等相结合，产生了大量研究成果和成熟的智能服装。据刘莉介绍，对智能服装的研发最早起源于军事应用，最典型的是以智能纺织品为基础的机械外骨骼。然而，时至今日，对于智能服装的研究早就不局限于军事用途，可穿戴健康检测、提升竞技运动能力、智能生活和时尚科技等领域都有智能服装的“身影”。

其中，在可穿戴健康检测领域的智能服装装置，由中央处理单元、生物传感器等构成。当病人出现血压或者血氧饱和度突发状况时，智能服装的检测系统会接收且放大这些异常的信号，并对无关信号进行过滤，再传导向中央处理单元，由中央处理单元做出呼叫救护车或者采取其他救治措施的处理。

在可穿戴健康检测智能服装中，非常重要的一环是生物传感器，它应用了人机交互和智能传感等先进技术。生物传感器被植入服装之中，贴近人的皮肤发挥作用，它可以敏锐地捕捉你身体上的各种生物信号，再将这些生物信号转化成机器能识别的语言，并发现其中细微的变化。它就好像随身携带一个家庭医生，可以及时响应你身体发出的各种微乎其微的“警报”，做出相应的诊断。

穿上一个便携的“家庭医生”，在人们愈加重视健康的大环境下，很受欢迎。已有多个国家的多家实验室都开展了可穿戴健康检测智能服装的研发。例如，早在2003年～2009年，欧盟就支持研发了MyHeart项目，旨在通过预防和早期诊断来对抗心血管疾病。这件设备设计成一件背心的样子，在“衣服”的一面有六个感应点，位于胸腔的周围，可以准确感知收集穿戴者心脏的相关数据。

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研发Bio-Monitor项目，专门检测航天员血压、血氧饱和度、呼吸、运动等数据，在2019年已应用于太空。这件“衣服”穿在航天员身上，可以直接从太空接收数据，更快进行分析，并且不干扰航天员的日常活动，省去了专门进行健康检测的时间。

这些可穿戴的智能服装固然有很多优点，但是耗电量大的问题也不可忽视。为此，还出现了将充电器“穿”在身上的好方法，这就是摩擦纳米发电机。这种发电机利用接触起电和静电感应效应，将穿戴者的低频人体运动转换为高压电输出，实现机械运动到交变电流的能量转换，穿戴者在走路跑步的时候，装置会收集摩擦产生的静电，供应给身上的可穿戴健康检测设施。在衣服比较容易产生摩擦的胳膊内侧等位置，还放置独立电源，用于延长待机时间，不用担心设施电量耗尽，这一技术目前已可应用在可穿戴智能服装上。

能提高竞技运动能力

另一类智能服装的研制，则致力于提高人体的运动能力。“如果可以通过科技提高1秒，那么就绝不通过训练”。这是英国国家自行车队科研主管依格汉姆的名言。对于当前世界竞技体育强国而言，科技含量高的运动装备，已经成为提高比赛成绩的主要途径之一。最著名的有1998年长野冬季奥运会，荷兰选手穿着“断跟”的冰刀，在1000米比赛中夺得金牌和银牌。还有游泳健将菲尔普斯凭借“鲨鱼皮”泳衣打破了多项世界纪录。他的泳衣模仿了鲨鱼皮肤的结构，鲨鱼皮肤表面粗糙的V形皱褶可以大大减少水流的摩擦力，能引导周围的水流，减少水阻力并提高游进速度3%～7.5%。

在竞技运动服装的“科技含量”上，我国曾经并不占优势。为了提升我国竞技体育运动服的品质，迎战北京冬奥会，刘莉团队从源头做起，从研发面料开始，到服装的结构，到整体服装、运动员测试，整体经历两年的时间。

以“减阻类服装”为例。这类服装从材料端到成衣，是很长的链条。在制作减阻服装时，首先需要应用压差减阻的机理。这要从空气动力学的数字模拟分析入手，通过CFD算法来对空气阻力进行分析，为设计服装的结构提供基础。

接下来，需要织造减阻面料。冰雪运动需要的是具有微结构的减阻面料。首先用计算机仿真成型，使用3D打印和胶印的方式，制造出凹坑型机理的面料，凹坑深度、密度都做了系列研究，甚至还尝试用激光雕刻在面料上刻出凹坑形状。最终在冬奥运动员们的“战服”上，多种制造方式都被采用，保证了其性能。

有了高科技的面料，就开始进行面料与服装结构的进一步筛选，这需要开发大量以目标运动员为对象的1∶1人体模型测试工具，代替运动员在风洞里接受实验。

刘莉介绍说，风洞以前是工程技术手段，专门适用于制造飞机、汽车以及建筑等工程领域，应用在运动服上是比较少的。这也是我国首次利用风洞来专门进行运动员的训练和装备研发。

刘莉团队开展了1000个小时以上的风洞测试。冰雪竞技运动最主要的阻力是空气阻力，通过减少空气阻力，让运动员在相同的驱动力下，能够达到更高的速度。从技术上说，服装减阻分为运动员的姿态减阻和装备减阻两个大方向，姿态减阻是通过运动员不参与发力的一些肢体和一些姿态来减小整个人的形状阻力，或者叫作压差阻力。而服装减阻又分为压差阻力和摩擦阻力两大部分。一些卧姿的运动，例如钢架雪车和雪橇，可能会包含一部分的摩擦阻力。

设计人员主要通过调整服装的表面形貌，对服装表面的微结构进行设计来对局部阻力进行干扰，把它局部的雷诺数提升到临界雷诺数之上。雷诺数是描述湍流状态的一个常数。它的特点，是当雷诺数增大到临界雷诺数之后，其阻力系数会有一个显著的变化。目前，通过提升雷诺数，可以达到5%～10%的减阻效果。

最终，这些服装在多个指标上超越从海外订购的服装，也就是说，自主研发的运动服，与国外最新生产的运动服相比，明显优于海外的服装。有了“科技”的助力，运动员的服装有了很大的提升。这融合了机械摩擦、生物力学、材料学等多学科，是集体攻关的成果。

能防止老人跌倒、保持恒温恒湿

对于日常生活而言，智能服装有哪些用途呢？能否制作弹出气囊防老人跌倒的服装，或者能保证一天穿一件衣服冷、热不出汗的恒温服装？

刘莉介绍说，防跌倒的服装和恒温的服装都是他们团队开发的智能服装。跌倒对老年人健康甚至生命影响非常大，在面向老年人的防跌倒服装方面，刘莉的团队协同航天领域的专家开展了相关的研发。航天专家开展气囊弹出算法，刘莉团队负责做整体的服装功能性设计，让它更便利，设计更成熟。

对于恒温服装，与刘莉合作的天津工业大学教授刘皓介绍说，温度和湿度是相关的参数，如果温度高，湿度也高的话，人们体验感就会很差，因此要做一个恒温恒湿的服装，可以用吸湿快干纤维来使服装内部的湿度降低，改善穿着的舒适性。

另一个方面就是平衡温度。针对保暖问题，环境温度低就需要加温，如果温度高的话就要降温。加温有很多方法，如通过电能加热元件来释放出热量，保持人体的温度稳定。此外，还有降温服装，可以在温度较高的环境中，吸收太阳光，从而降低人体的体感温度，反过来穿的话，又可以升高人体的温度。在降温方面，还有一种方法是水冷，通过水管来降温，但这会导致服装的体积或重量增加，影响穿戴的舒适性。另一种是通过半导体制冷片来降低温度，但问题是在降温的同时，制冷片另一面是升温的，消耗的能量会比较大。此外也有风冷，即装一个风扇给服装内部降温。但总体来说目前尚未找到特别好的方案，能使服装降温又舒适又轻便，效率又高。

刘皓说，未来可以从两个方面着手，第一是改善服装面料的导热系数。第二是设计一种结构让服装能够快速导出热量。但是温度升高和降低都只能在一个有限的区间范围内。目前这方面研究的阻力，是在一些极低温度的环境下，通过面料吸收红外光或者是反射红外光可能达不到恒温的要求，尤其在零下20℃甚至到零下40℃~50℃的环境。在极寒情况下，目前能想到的处理方法是提高服装材料的热阻，还有可以通过外界能量的输入，来保持人体与服装之间温度的恒定。在保温方面，目前主要是通过加热片来加热，但现在的技术水平还无法实现智能化调节，必须手动调节温度。

期待能更轻巧、可折叠、随意洗涤

在刘莉看来，智能服装在未来的发展中还存在科技与设计如何协调融合的问题。作为科研人员，专注技术突破的同时，可能无法做到更多从消费者需求出发，而服装设计师在设计产品时多以利润为先，缺乏创新性和前瞻性。

具体来说，在科学研究方面，应用于智能服装的智能材料，应该结合纺织品的可洗涤性和耐穿性以及电子产品的智能等特性，这就需要研发更加微型化和柔性化的电子元件，当这样的电子元件更好地集成于纺织品中，就能避免因多次使用或者洗涤造成的电子设备磨损和老化。与此同时，研发人员应注重开发减少使用者穿戴负担的产品，将“智能”化沉重为轻巧，化有形为无形，化有感为无感，真正实现与服装本身融为一体，可以随意折叠、洗涤，并像普通衣物一样易于护理。

另一个突出问题，是智能服装的稳定性和耐久性。此前所说的附着在衣服上的纳米发电机就存在这样的问题——当外界环境变得潮湿时，氧化锌的导电能力就会退化，衣服摩擦发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中林的研究小组正在研究一种方法，以便使这种“发电纤维”即使在潮湿的洗衣房中也可以正常工作。

此外，如何在智能服装的生产和使用阶段做到绿色无污染，是一个需要考虑的问题。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矛盾的是，智能服装中所使用的各种元件以及智能服装的加工生产，存在着污染环境的危害因素。同时,纺织品的回收也是一个比较棘手的问题。在智能服装未来的发展趋势中，设施的供电方式由传统的蓄电池转变为环保的光伏供电和压电供电是大势所趋。同时,智能服装的各个元件以及面料在后期都要保证高效率的回收。

刘莉表示，智能服装目前具有广阔的市场前景，但是这项新兴技术在发展过程中的各种问题仍然不容忽视。不过，她相信随着电子电机、计算机软件等技术的发展，智能服装会在不久的将来得到普及。

记者 詹 媛 通讯员 杨顺玺

来源： 光明网-《光明日报》

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