智能针织技术的发展与应用
引言
本文介绍了针织智能服装的发展，探讨了针织智能服装生产中的传感、芯片、交互、续航、元器件固定等关键技术，提出了针织智能服装开发思路，阐述了针织智能服装在运动健身、医疗健康、休闲娱乐、安全防护四个方面的应用，为我国针织智能服装的开发提供参考。
移动互联网的日益发达，正在逐渐取代传统互联网模式，智能硬件、软件的大力发展，改变着互联科技的未来。近年来，智能穿戴设备快速发展，行业发展空间巨大。
智能穿戴产品的应用领域众多，包含智能服饰、智能家居、运动健康、医疗监护、休闲娱乐到军事装备等领域。
针织面料是运动服装和内衣的主要面料，贴身穿着，与身体接触面大，其结构多样、成形能力强、力学性能可设计，以上优点使得针织面料成为智能服装开发的最佳选择。
智能针织服装的发展
智能针织服装是一种能够感知外界环境或内部状态的变化或刺激，而且通过自身的或外界的某种反馈机制，能够实时地将其一种或多种性质改变，并作出反应的服装。针织智能服装作为智能穿戴的重要组成部分，随着智能穿戴技术的发展而发展，同时又与纤维材料学、纺织技术和服装、时尚等密切相关，是具有独特魅力的智能“穿”设备。
智能针织服装发展经历了三个时期，雏形期、研发期和应用期，如图1所示。智能针织服装的思想和雏形在20世纪60年代即已出现，到了20世纪70-80年代，随着计算机标准化软硬件以及互联网技术的高速发展，智能针织服装的形态开始变得多样化，逐渐表现出重要的研究价值和应用潜力。
1996年军事方面利用导电纤维和普通纺织纤维编织成面料组成传感里衬模型；2003年美国Sensatex公司研制的智能衬衫由电子元器件作为传感器用于监测呼吸，不过洗涤前须将电子部件取出。2009年德国下莱茵应用技术大学通过不锈钢丝导电纱来编织透气型针织衫。
2013年美国麻省理工学院推出Lifeshirt生命衫，Ralph Lauren推出可穿戴智能网球衫，通过柔性织物传感器进行信号传感。2014年作为可穿戴设备元年，智能手环、手表、眼镜为主要载体的“戴”设备发展迅猛，带动“穿”设备的发展。2015年载有智能元器件的智能服装成为突破性智能穿戴，各类智能针织服装上市。
智能针织服装发展历程图
智能针织服装的关键技术
传感技术
传感器是智能服装的核心器件，传感器主要有运动传感类、生物传感类、环境传感类三大类型。其中，运动传感类包括陀螺仪、三轴和六轴加速度计、压力传感、线性加速度、重力计等；生物传感类包括酶传感器、微生物传感器、细胞传感器、组织传感器、和免疫传感器等；环境传感类包括空气温湿度传感器、蒸发传感器、雨量传感器、光照传感器、风速风向传感器等。传感技术的再发展应向微型、柔性、多感知、高灵敏、耐洗涤等方面。
智能针织服装的传感机理是受力变形导致织物电阻的变化，通过电力学关系可感测身体信号。
针织传感器需具有三大指标要求：
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高灵敏度和高精度，这要求织物在同样变形量的情况下电阻的变化率尽可能大，以便于检测设备数据信号的采集。
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高稳定性和耐久度，针织织物在经反复拉伸和洗涤过程，相同的应变量下的电阻值相对稳定，具有可穿可水洗的特性。
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价格和规模化生产，针织柔性传感器需能够满足大规模生产眼球, 并且产品性价比相对高。
智能针织穿戴设备的建立，依赖于针织材料的发展，导电材料作为智能设备的重要组成之一，发挥关键性作用。常见的针织导电材料有导电纤维、导电纱线，包括金属丝、纱线镀金属、金属混纺纱、金属包覆纱、导电介质复合纤维等，这些导电纱线可同时作为传感单元和导线，并且具有可编织性、导电性，但价格相对较高。
第二种方式是将导电膜与织物进行复合，形成复合导电材料，但织物延伸线变差。此外，还可以使用碳粉、炭黑粉末、PANI、碳纳米管、石墨烯、金属粉、印花糊、涂料中添加导电粉末来实现导电。
运动健身类智能针织服装
芯片技术
目前应用在智能针织服装中常见的芯片技术分为以下三大类，且向小型化、低功率化发展。
第一类：基于智能手机的核心芯片，具有完善的平台体系，并且快速开发利用现有资源；
第二类：低功耗微处理器（MCU），优点是嵌入式技术，功耗低、响应快，但人机交互支持度低，只能完成监控、记录、提醒；
第三类：针对智能针织服装的芯片，英特尔推出Intel Edison双核芯片，一部分支持安卓系统，另一部分则支持实时操作系统。
医疗健康类智能针织服装
操作系统
智能针织服装的操作系统多数基于Android Wear 2.0系统进行打造，Android Wear 2.0是2016年5月谷歌推出的新一代的智能操作系统，它能够直接和Wi-Fi相连接，所以即使和手机不连接，也能够独立运行。2.0版操作系统能够从不同的应用上同步数据。例如，你在一个跑步应用上燃烧的卡路里数能够和另外一个记录运动轨迹应用的数据相互同步。同时，对使用苹果系统和安卓系统的用户来讲，搭配的手机没有了限制，能接触到的应用范围变得更广泛。
交互技术
智能针织服装主要依靠硬件监测与软件数据的相互连接，一般通过蓝牙2.4GHz和Wi-Fi进行数据的串联交互，对于2.4GHz频段的蓝牙系统，功耗较低，能够较大的减少智能设备的总能耗问题。同时，一些智能设备公司开放云服务项目，设备可实时上传数据进行云盘存储，较好的保证了数据的共享性和存储性。
设备续航技术
在智能针织服装中，大多数用户都会面临的主要问题是续航时间短，增加智能设备的续航能力成为各类研发的核心问题，目前主要有三种解决此类问题的方案。
一是减少主操作系统、屏幕、以及终端通信的能耗；
二是扩大电池容量，减少充电时间，并且尽可能的减小电池体积；
三是发展纺织电极、无线充电、太阳能、动能生电等技术。
目前，多数技术还在研究完善阶段，实用性仍需进一步检测。
元器件固定技术
智能设备元器件应用于针织服装中需通过针织的方法进行相互融合，其应用方法有几个方面：
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可通过针织网眼设计将智能元器件嵌入至面料中；
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通过双面织物的连接设计，为电路中连接线和电阻丝、水管等材料的固定和定位提供通道；
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通过弹性设计使传感器贴紧身体测量身体部位。
休闲娱乐类智能针织服装
智能针织服装的开发思路
针织面料延伸性好、亲肤性好，穿着舒适，具有良好的透气、吸收排汗性能，能够更加准确的监测生命体征，特别适合运动健康和医疗监护智能服装的贴身感测。针织面料的特性为智能针织服装的研发奠定了基础，并具有如下明显优势：
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针织线圈结构为基础的导电材料在小应力下容易地改变形状，应变能力大，可引起织物电阻的相应变化，是大变形应变传感器的理想结构；
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针织结构多样，力学性能可以设计，适合柔性应力传感器的开发。常规针织结构如纬平针、罗纹等具有小应力大变形的特点，适合拉伸感应传感；针织三维间隔结构可以作为电子元器件的载体，亦可以用作压电电容传感器的开发；通过研究针织结构柔性传感器的材料、组织结构对织物电-力学性能的影响，可重点探讨柔性传感器的灵敏度和稳定性，功能的耐久性，价格和规模化生产问题；
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针织提花技术和成形能力强，适合传感器的精确定位和柔性电路的整体设计。通过针织提花技术和针织成型技术的研究，开发耐用、透气、柔软且易于改变形态、可拉伸及洗涤的针织电路，具有良好的电稳定性和较小的相对电阻变化，耐水洗、耐拉伸，使用寿命长。
智能针织服装的开发思路为首先是建立外接式智能服装体系，将传感元器件和电路均嵌入或外接于智能服装中，其设备可拆装、非柔性设备，但其体积较大，便携性差；其次，研发复合式智能服装类路线，将涂覆、印刷、绣花等方式引入传感材料和电路，产品为柔性设备，体积较小但耐洗性相对较差；最后一种为原型式智能服装思路，研发针织类传感器、针织电路，可进行柔性拉伸、穿着舒适、易于水洗、外观隐形性强。
安全防护类智能针织服装
智能针织服装的应用实例
按照主要功能的不同，针织智能服装产品可以分为以下几类：运动健身类、医疗健康类、休闲娱乐类和安全防护类等。
运动健身类智能服装有心率监测带、智能运动服、智能跑鞋等产品，具有监测步数、心率、卡路里、睡眠、心率甚至肌肉状态等主要功能。
医疗健康类智能服装主要有心电监测服装、智能婴儿袜、智能手套等，设备大多具有监测体温、心率、呼吸、睡眠、血压、心电图、脑电图等功能。
休闲娱乐类智能服装主要有热感变色、智能发光变色服饰等，主要技术体现在显示效果、控制技术和追踪技术三个方面。
安全防护类智能服装主要有制服、军服、防护服、鞋、口罩等，作用为定位追踪及温度、酸碱度、有毒气体含量等安全警示作用。
总结
传统服装从千百年来的单一功能演变到近代的功能型服装，随着科技的进步、互联网的发展，针织智能服装与生命健康、移动互联网技术进一步融合，智能服装必然会成为下一时代的穿衣潮流。
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