智能女性运动内衣研究进展

许黛芳

(嘉兴学院，浙江 嘉兴 314001)

1 引言

随着国内外智能服装的发展，智能女性运动内衣受到广泛关注。智能运动内衣能够模拟生命系统，具有感知和回馈双重功能，一方面能感知外部环境或内部状态的变化，另一方面通过反馈机制能对这种变化做出反应[1]。近年来，国内外许多专家和研究机构基于柔性织物传感器制成集通讯、监测、诊断以及治疗等多功能的智能女性运动内衣，实时获取、分析和传输温度、心率、呼吸、血压和血氧等生理信息[2-6]。目前国内外对智能女性运动内衣的研究还处于探索、模仿与试验阶段，智能女性运动内衣存在美观性、舒适性、耐水洗性和可重复使用性不足的问题。智能女性运动内衣是多学科交叉的产品，涉及医学、生理学、电子信息学、人体功效学和服装设计等领域，具有较强的跨学科性，需要各领域的研究人员共同合作开发。本文主要综述了智能女性运动内衣的研究现状及研究趋势，并展望了智能女性运动内衣的发展前景。

2 智能女性运动内衣的研究现状

2.1 功能性纤维

具有良好吸湿、排汗、透气性能的纤维原料是智能运动内衣面料的首选。目前运动内衣常采用的纤维原料是吸湿排汗纤维(Coolmax、Coolplus、Cleancool、Cooldry等)与保暖纤维(ThermoLite、Outlast等)。国内外对运动内衣的面料进行了大量的研究。王美丽[7]选用十种常用运动内衣面料，分别对这几种面料的基本参数、弹力性能及热湿舒适性能进行测试，初步建立了运动胸衣面料和性能之间的人工神经网络模型，预测分析了面料参数对运动内衣热湿舒适性和压力舒适性的影响规律。魏林娜[8]选取Cleancool、Cooldry、Coolplus、Coolmax纤维用平针添纱组织织造了4种无缝运动内衣面料，研究发现Cooldry吸湿快干性更好，并研究了织物结构对无缝运动内衣面料性能的影响。周欢庆[9]选用Cooldry、Thermolite、Tencell共混织造无缝运动内衣，对内衣面料的吸湿速干性进行综合评价，结果表明：面纱与地纱都是非弹力纱1∶1间隔得到的织物吸湿速干性及保暖性较好。我国内衣公司也将芦荟纤维、蚕丝蛋白纤维、天丝棉、莫代尔等绿色环保纤维用于运动内衣来改善其舒适性。Joanne Yip等人[10]研究了三维间隔纤维在运动文胸罩杯及泳衣衬垫材料的应用。目前，国内外女性运动内衣功能性纤维原料的研究主要集中在新原料的开发、内衣的热湿舒适性、人体压力分布[11-15]、组织结构的改变等方面。

2.2 柔性传感器

随着智能可穿戴技术的高速发展，智能可穿戴设备被应用到医疗、工业、娱乐等多个领域，越来越多的企业致力于开发智能纺织品。柔性传感器具有轻薄便携、电学性能突出、集成度较高等特点，智能可穿戴设备中的柔性传感器受到广泛关注。柔性传感器可分为柔性压力传感器、柔性应变传感器、柔性气敏传感器、柔性光纤传感器等几大类。Liu Yang等人[5]将多个电子传感器植入运动内衣，构建智能可穿戴运动内衣系统，可获取、分析和传输心电、血压、呼吸、体温等生物医学信号，传感器收集到的数据通过蓝牙发送到中央监控系统。美国研究人员发明了乳腺癌智能胸罩，将传感器内置胸罩，通过测量乳房温度的变化来确定是否有乳房肿块。国内高校也对将柔性传感器应用于智能可穿戴设备进行了研究。大连理工大学将棉布经过高温碳化后利用柔性衬底制成柔性可穿戴应力传感基本单元。天津工业大学将内层织物、中间层织物、外层织物、柔性填充物和光纤压力敏感单元组成光纤脉搏传感织物用于监测人体生理体征。东华大学将导电灯芯绒作为传感器用于足底压力的检测。柔性传感器在发展的过程中也存在一些问题，如材料合成与器件整合的相关技术还不够完善，柔性传感器灵敏度、精准度、稳定性和柔软度有待提升，柔性传感器的功能性需要拓宽。随着智能纺织品的发展，柔性织物传感器是主要发展方向。柔性织物传感器主要将导电纱线织入织物，或通过对织物进行导电涂层整理实现。采用电活性聚合物材料的纺织纤维可制作压阻和压电传感器等装置，可编织的金属电极可制作生物电极传感器，光纤可制作光纤传感器，用来监测人体多个生理信号或变量。表1列出了电子织物可监测的主要生理信号或变量，监测所需的传感装置和电子织物中的执行元件。

表1 电子织物可监测执行元件

2.3 纺织生物电池

所有可穿戴式设备都受到电池技术的限制，功耗控制水平将直接影响用户体验。可穿戴智能女性运动内衣的电池只有具备体积小和长时间待机的能力才能满足连续实时监测的需要，因此开发纺织生物电池成为研究热点。宾汉姆顿大学的研究人员开发出了一种纺织生物电池，或可为可穿戴电子产品供能[16]。织物基电池即使经过反复的扭转和拉伸，仍具有稳定的发电能力，与纸基微生物燃料电池相比，其功率更大。例如，Levi′s Commuter Trucker智能夹克利用可拆卸的“卡扣”来驱动夹克的高级功能。如果将电源直接编织到服装中，那么可穿戴设备可实现更持久的工作。利用人体自身的化学反应给可穿戴式智能设备供电的技术也在研究中。

2.4 无线通信

随着智能手机和平板电脑等移动终端的推广与普及，可穿戴智能设备大多依托移动终端来进行数据的接收和分析。传感器检测节点与移动终端一般是通过短距离无线传输的方式进行数据通信，如低功耗蓝牙技术、Zig Bee、WiFi derect等。Continua健康联盟制定了无线医疗数据传输的标准方式。表 2 是几种无线传输方式的性能对比。

表2 几种无线传输方式性能对比

Zig Bee具有效率高、低功耗、可自组网等特点[17]，但目前市场上几乎没有支持该协议的智能手机和平板电脑。易红霞等人[18]采用镀银导电纱线编织针织柔性传感器集成在智能服装上，构建基于ZigBee的无线网络以及终端节点和协调器节点之间的无线信号传输系统采集人体生理参数，并通过拉伸试验验证了该针织物柔性传感器及其接入ZigBee无线网络的可行性。MICS 是一种超低功耗的移动通信服务，主要用于植入式心血管疾病的治疗，目前还没有得到广泛的使用。IrDA 具有传输速率快、超低功耗的特点，但是只能点对点传输。传统蓝牙广泛用于手机、平板电脑和 PC 等之间短距离传输，连接方便。而低功耗蓝牙4.0 集合了传统蓝牙、高速技术、低功耗技术，并且符合对等网络技术(peer-to-peer)通信，这一特点使得蓝牙成为可穿戴智能运动内衣设备无线传输的主流方式。祁乔之[19]设计了一款基于移动平台的智能文胸，对智能文胸硬件进行概要设计及元器件选型，然后分别对电源模块、低功耗蓝牙控制模块、驱动电路模块进行设计开发，最后完成PCB板的绘制和制作。

3 智能女性运动内衣的研究趋势

从女性运动内衣的发展来看，女性运动内衣可从款式、功能性材料、柔性传感器、可穿戴智能女性运动内衣系统和缝制工艺五方面进行深入研究。

3.1 款式

随着社会经济和人文的发展，人们开始回归对自然生活的向往和追求，穿着内衣不再一味追求塑身、丰胸等效果，而更关注健康、舒适的体验。为了满足人们对舒适内衣的追求，许多企业在面料、工艺、设计等方面不断创新。20世纪90年代初，意大利圣东尼公司推出了无缝三围立体织造技术，这是对传统针织技术的革新。圣东尼公司研制出一系列全电脑无缝针织机，只要输入预先编好的程序、接上纱线，只需几分钟就能得到设计的无缝产品。将女性无缝运动内衣工艺用于智能女性运动内衣的制造是一个研究热点。

3.2 功能性材料

目前，国内外对运动内衣面料的研究大多是通过改变纤维的结构形态以实现吸湿控湿的目的，而将智能高分子水凝胶材料应用于运动内衣的研究比较少。贠秀琴[20]将PNIPAM/PVA互穿网络凝胶与运动内衣面料结合制成凝胶芯材，并嵌入到运动内衣中，改善了运动内衣的舒适性。因此，研究开发智能型调湿调温材料成为当今的研究趋势和热点。智能储热调温纤维织物可以自动感知外界环境温度的变化进而智能吸收、储存、重新分配和放出热量，自动调节服装内温度，使其处于较舒适的范围。

3.3 柔性传感器

石墨烯作为单原子层二维碳晶体，具有优异的导电性、导热性和机械柔韧性，在柔性可穿戴技术方面有着巨大的应用前景。然而石墨烯宏观组装体却有搭接电阻高的问题，使得石墨烯宏观体所表现出的性能远低于石墨烯的理论值。通过引入导电聚合物作为碳纳米管/石墨烯的有机界面粘合剂和导电连接剂，构建三维互通导电网络的方法，并将导电网络嵌入到由天然蟹壳与马铃薯衍生物得到的柔性基底中，制备出的高性能石墨烯基导电薄膜，有望用于可穿戴智能女性运动内衣[21]。但石墨烯基导电薄膜的耐水洗性是一个亟需解决的问题，也是未来研究的重点。

3.4 可穿戴智能女性运动内衣系统

可穿戴智能女性运动内衣系统由针织物柔性传感器、数据采集模块、数据处理模块、无线传输模块、供电模块、上位机软件及显示模块等组成，如图1 所示。将导线纱线编织的针织柔性传感器集成在女性运动内衣，并构建基于低功耗蓝牙4.0的无线网络以及无线信号传输系统，将采集到的人体生理信号通过串口通信传输到协调器节点，然后利用Visual Basic 6.0的MSComm控件进行协调器节点与上位机之间的通信，通过调用相关函数实时显示采集到的传感器电压变化曲线，反映出人体生理信号的变化。

图1 可穿戴智能女性运动内衣系统组成

3.5 缝制工艺

韩潇[6]将镀银导电纱线引出到服装下端身侧处固定，与外层裹覆聚氯乙烯的导线连接，利用衣服下摆的扎口隐藏导线。但是这种工艺处理略显粗糙，而且穿着不舒适。目前，电子器件与运动内衣之间主要采用焊接、订合、黏合、缝合、可拆卸等方式连接。拆卸式是刚性电子器件模块和运动内衣之间较为理想的连接方式，一般常采用附加袋、拉链、纽扣、挂钩、搭扣等来实现可拆卸，保证了运动内衣的穿着舒适性、连接可靠性及可洗涤等性能[22]。另外也要减少电子器件与服装的连接线，避免给穿着者造成负担。心电、呼吸频率、温度等传感器应根据生理信号的检测原理放置于人体相应的位置。信息处理模块在设计和放置时应选择人体运动时相对固定及承载表面积较大的区域。对可穿戴智能女性运动内衣设计、制作工艺的完善是其商业化发展的关键。

4 结语

智能女性运动内衣设计应面向女性消费者的日常需求，在考虑人体工学、服装舒适性、安全性、美观性等因素的基础上完善和改进其设计。其今后的研究重点主要有：①服装款式及结构设计研究。人体运动过程会产生肢体移动，造成柔性传感器与服装相对位置移动和接触压力的变化，影响生理信号的检测、判断以及穿着时的舒适性。因此，应加快对智能女性运动内衣与皮肤之间的动态作用研究，提高智能女性运动内衣的可靠性及舒适性；②服装工艺设计研究。服装工艺设计既要考虑柔性传感器与女性运动内衣结合的一般要求，也要为女性运动内衣提供一个好的集成环境，且不破坏面料的基本性能；③利用三维人体扫描技术对智能女性运动内衣进行量身定制，并建立人体三维形态数据库；④柔性传感器、集成电路、电池的纺织化。目前智能女性运动内衣电子元器件与面料的结合方式亟需改进，将电子元件、电路和电池纺织化编织进运动内衣是其发展的重要方向。