物联网技术迅猛发展催生众多新兴行业应运而生, 数据的获取对象、获取方式, 数据的分析、共享与应用变革都将带来应用新场景及技术革新.可穿戴技术是物联网技术发展的一个崭新领域[1], 同时也是人体各种核心数据获取的最佳通道, 成为最具前景的行业之一, 其意义不亚于工具的变革.人类的发展以解放双手作为一项重要目标, 而随着便携式互联网产品的大量出现, 智能手机、手表、手环、平板电脑等互联网产品将大量出现与应用, 这些产品以其小巧、便携、互联等特点成为消费者的必备日常电子产品, 并且随着获取核心数据的有效性提高以及提供服务的提升, 使得消费者对这些产品形成强烈的依赖性, 其中之一的智能手机目前已经逐渐变成“第二工作电脑”的角色, 有人甚至将手机称为人体的“第二器官”, 可见消费者对这些便携式互联网电子产品的依赖性越来越强.而这些电子产品从设计上, 大多在考虑人体功效、产品功能、美观时尚以及易用性等多方面因素后, 以手表、手环、眼镜、挂件、服装附件、佩戴产品等形式出现, 这些设计虽然以解放人类双手, 不影响日常生活、工作为目的, 但由于技术的局限, 造成产品的体积大、柔软度低、舒适性差、人体附着性差等缺点.以用于虚拟现实的头戴式显示设备为例, 其产品外观严重地影响了产品的舒适性与便携性, 以及用户体验，造成用户强烈的排它感.这些产品如果被应用于医疗监护领域, 将因为产品的物理属性对使用者造成强烈的心理暗示, 从而影响用户体验，造成测试数据偏差甚至对儿童、老人造成拒绝使用的后果.目前, 大部分日常电子产品还是以附着于使用者手上, 放置于口袋中的形式出现, 而随着具有互联网属性的便携式电子产品的大量出现, 人均同时拥有多个设备的情形将变得非常普遍, 从而造成设备冗余, 影响使用者日常生活、工作等缺点.
目前市场上出现的可穿戴设备, 以严格的定义, 多属于可“戴”设备, 从手表、手环到眼镜、头戴式设备、挂件、皮带、帽子等到项链、戒指、领带、夹子等, 目前的可穿戴设备之所以以可“戴”的形式出现, 主要是因为电子模块与具有可穿属性的服装的结合具有较大困难, 如图 1所示.这也是目前可穿戴设备在用户体验上比较差的一个重要原因.
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| 图 1 电子模块与可穿系统匹配困难 Fig.1 The difficulty of hardware-wearable system connection |
所以, 可穿戴产品发展具有以下的几个主要趋势:
(1) 产品的功能将越来越强大 随着可穿戴设备的普及, 用户将更倾向于通过设备的核心功能来增加使用粘性, 对于传统的记步、卡路里消耗推算等手环类产品, 随着手机功能的强大, 已经不能为消费者提供较强的使用价值, 消费者需要具有核心必须功能的产品, 比如基于医疗属性的可穿戴产品, 像心电、血压、血糖、呼吸等人体核心数据监护的可穿戴产品或者具有健身指导属性的“电子教练”类产品, 通过核心数据的提取、分析, 从而为消费者量身订制健身计划服务等.在游戏、娱乐领域的可穿戴设备, 为消费者提供具有更强交互功能的游戏类产品.在老人、儿童监护、军事、学校、特殊工作环境等场合同样需要具有较强功能的可穿戴产品, 这些都将成为可穿戴产品发展的趋势.
(2) 产品将朝可“穿”的方向发展 服装作为人体的必须用品, 使用者对其“排它性”最低, 其功能性与时尚性使得服装成为可穿戴产品的最佳产品类型之一.服装因为具有与人体大面积的接触, 从而为获取人体核心数据提供了可能, 同时, 不影响人体的日常活动.而且, 由于服装采用面料这种柔性材料, 比传统的可穿戴设备使用的塑料、金属等材料具有更舒适的用户体验.另外, 服装的时尚性也为消费者, 特别是年轻消费者提供了更好的个性展现选择.
2 可穿戴产业的技术瓶颈个别可穿戴商业化产品虽然在市场出现了一段时间, 但到目前为止, 产品的普及程度不高, 消费者对产品的接受意愿不强, 究其原因, 主要有以下几个方面:
(1) 产品的功能不够完善, 不能形成用户使用粘性 可穿戴产品在市场上刚出现时, 多以手环为主, 因为它实现了电子产品通过腕带、手表等形式结合到人体上, 并且因为它具有较强的视觉辨识性, 从而受到了年轻消费者的欢迎.初期的产品功能多以通过传感器对人体的状态进行记录、分析, 从而达到记步的功能, 再通过个人基础数据的推算, 分析出能量消耗、运动历程等粗略数据.产品通过与手机或者其它互联网终端的连接, 可以实现数据的远程传输.但是, 这类产品很难形成用户粘性, 主要原因为其功能与手机的相应功能出现了重叠, 比如, 智能手机大多具有相应的运动量统计功能.另外, 消费者不能通过手环获得运动数据而得到更进一步的服务, 从而, 使得消费者对手环的使用粘性较差, 新一代的手环加入了温度、心率、支付、RFID身份识别等新的功能, 但是由于受到传感器准确度、尺寸以及价格等影响, 产品的功能还不够完善, 消费者的忠诚度依然不高.
智能手表在形式上与手环功能接近, 一般以计时、电话、小屏幕显示部分手机信息为主, 在外观上比手环大, 但是其功能依然不能形成强烈的消费痛点, 加之价格比手环一般高出较多, 没有得到较大的普及, 也不能对传统的手表造成冲击.
基于其它形式的可穿戴产品, 比如眼镜、智能鞋、智能内衣、智能帽、智能腰带、智能戒指、智能耳环以及智能项链等附着于人体上的硬件产品, 其功能大多以运动统计、体动状态、温度、心率记录为主, 而且不能通过数据为消费者提供更深层次的服务, 所以用户对产品的长期使用意愿较低.
(2) 产品的用户体验差 影响目前可穿戴产品的另外一个核心因素就是用户体验差, 这是阻碍消费者长时间使用产品的重要原因.
目前可穿戴产品的设计主要由电子消费品领域发起, 尽管也有时装设计人员进行可穿戴产品设计, 但是多半用于展示性质的发布会, 很少有广泛应用于市场的产品.产品的天生特点是基于硬件模块的电子产品, 其材料属性决定产品的刚性比较大、硬度高, 而且部分产品由于受到核心器件、电源的制约, 产品的体积较大, 从而很难与柔性可穿戴产品进行集成整合, 即使通过产品的工业设计实现了与柔性材料的结合, 但是也因为硬件部分的体积与硬度制约, 很难实现消费者的长时间佩戴意愿, 用户体验差, 甚至对老年人及小孩造成心理影响, 形成强烈的排它感.有的产品甚至会造成生理上的伤害, 比如皮肤过敏、皮肤损伤等.
(3) 产品价格偏高, 普及度不高 另外, 影响目前可穿戴产品普及的一个因素就是产品的价格相对较高, 超出了消费者的接受程度.由于可穿戴产品企业对新产品的研发投入较大, 成本较高, 加之产品的销量不大, 所以, 产品的价格相对于成熟的电子消费产品较高.
3 纺织结构柔性器件的技术瓶颈如前面分析, 目前可穿戴产品对消费者不能形成长期粘性的几个原因中, 产品功能不够完善、用户体验差以及产品价格较高, 这几个原因都与可穿戴产品中的柔性器件有很大关系, 下面分别从柔性器件、电源系统及服装功效设计几个方面分析影响可穿戴产品的主要技术瓶颈.
(1) 柔性器件研发有待发展 传统的可穿戴产品是电子器件与纺织服装的结合, 电子器件由传感器、运算器、显示、电源、信号传输等各种硬件组成, 有时基于安全与耐用, 还要考虑封装与外壳设计, 所以, 电子部分的尺寸与硬度都将形成与纺织服装产品结合的困难.而纺织服装产品是基于纤维及纤维集合体, 通常为面料.作为可穿戴产品, 为了增加穿着舒适性, 这些面料多以具有弹性的针织结构为主, 面料贴近皮肤, 从而造成了硬件与面料之间的结合存在较大困难, 常用的方法包括缝制、热粘合、服装配件结合等方式, 这些产品在耐久性、舒适性方面依旧存在较大的问题.所以, 纺织结构柔性器件的研制就成为解决这一问题的方法之一.
柔性器件是电子部分的核心部件, 譬如传感器、线路、显示部分, 甚至信号运算、发射部分具有柔性结构, 这些柔性结构器件具有较好的柔软度, 与人体的接触舒适性高.同时, 器件可以实现与纺织服装部分的结合, 因为在电子结合部位, 特别是刚体与柔性体的连接部分容易产生应力集中而形成疲劳破坏.柔性部件与柔性材料的连接, 由于两个连接体之间的刚度接近, 应力不宜集中, 所以, 疲劳破坏小, 适合于长期使用.
目前柔性器件的形式主要有纺织结构与高分子膜结构[1-4].高分子膜结构柔性器件主要利用功能高分子材料的特性, 经过膜加工工艺, 实现具有功能属性的柔性膜器件系统, 主要包括应变感应膜、压力感应膜、温度感应膜、气体成分感应膜、湿度感应膜、膜电极、膜能量转化系统、OLED膜等.
纺织结构柔性器件主要包括针织结构应变传感器[5], 针织结构应力传感器[6-7]、纺织结构压力传感器[8]、纺织结构电极[9]、纺织结构天线、纺织结构电源、纺织结构显示系统等.纺织结构器件的优点是器件本身是纺织结构[10-12], 这样, 器件与纺织面料可以通过纺织成型技术实现一体成型, 从而达到真正意义的柔性穿戴系统, 提供最佳的舒适性与功能性.目前, 正是由于柔性器件的发展滞后, 导致可穿戴产品的功能及用户体验得不到提高, 很多研究机构及公司都在该领域开展了研发与产业化工作, 为可穿戴产业的发展突破技术瓶颈.
(2) 服装工程、服装设计与电子系统的协同产品开发有待提高 影响可穿戴产品发展的另外一个瓶颈为欠缺可穿戴服装设计与电子系统的协同设计.基于历史原因, 可穿戴电子产品发端于电子消费品, 所以, 产品的设计多以工业设计、硬件设计、算法设计为主, 而对于柔性服装系统以及电子模块与柔性系统的结合设计比较欠缺, 因为柔性服装系统的设计涉及到服装功效、服装材料、结构设计、款式设计、颜色搭配以及流行趋势等, 这就需要几个不同领域技术的配合来完成, 而这种协同设计目前还存在一定的欠缺.
4 纺织结构柔性器件设计示范 4.1 纺织结构柔性传感器以纺织结构柔性应变传感器为例, 介绍柔性器件的工作原理与设计原则.短纤导电纤维在纱线中以纤维集合体的形式存在, 纤维与纤维之间形成了接触, 接触点的多少与纱线的参数有关[3], 如图 2所示, 用图右部等效电路模拟, 将产生接触电阻与长度电阻, 而接触电阻的大小与数量与纱线受到的外界作用力有关.
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| 图 2 纤维集合体及其等效电路 Fig.2 Fiber assembly and its equivalent circuit |
如果将纱线按照一定的成型方式编织成三维结构, 即面料, 就可以形成更为复杂的接触电阻组成方式.图 3是一种最为简单的单编链结构, 在该结构中形成了纱线与纱线之间的接触电阻, 而纱线内部同时存在如图 2所示的纤维与纤维的接触电阻, 用图 2右部分的等效电阻就可以来模拟该单编链结构的等效电阻, 黑色部分为纱线与纱线之间的接触电阻.当该结构受到纵向拉伸时, 其纱线内部及纱线与纱线之间的接触电阻就会发生变化, 而且与拉伸的幅度成一定的关系, 这样, 就可以通过对该结构的总电阻的测量而得到该结构的应变量, 从而构成一个应变传感器.
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| 图 3 织物结构及其等效电路 Fig.3 Fabric structure and its equivalent circuit |
图 4为该结构测试的应变与电阻的关系.可以看出, 电阻与应变具有较好的线性与重复关系, 该柔性系统可以应用于服装中的应变测试, 比如关节部位的应变量测试.
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| 图 4 织物电阻与应变之间的关系 Fig.4 Relationship between resistance and strain of fabric |
电极是离子导电与电子导电的中间载体, 将人体的离子生物电信号通过皮肤-电极界面, 转化成电子导电, 用于仪器的记录、分析, 或者将外界的电子导电信号通过电极, 转化成离子电信号, 进入人体.常见的生物电极包括心电、脑电、肌电及理疗电极[13-14].传统的生物电极多采用粘胶式, 容易造成长时间使用下的皮肤问题, 而且电极大多不可重复使用, 无法与服装等可穿戴系统进行集成.
纺织结构柔性电极以纤维集合体为电极核心部分, 为了达到最佳的电极性能, 就要使电极-皮肤之间的交流阻抗小, 必须增加电极与皮肤之间的有效接触面积以及降低材料本身的极化电阻值.降低材料的极化电阻值需要通过材料的设计来实现, 而增加有效接触面积, 则可以通过纺织结构的设计来达到.如果用图 5所示的模型来模拟皮肤与电极之间的接触模型, 则可以用图 6的等效电路来模拟该接触模型.该电路由电容与电阻组成, 电阻为纺织结构电极与皮肤界面之间的极化电阻, 电容为纺织结构与皮肤界面之间的界面电容.该系统的阻抗可以用式(1)来表示, 即
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| 图 5 皮肤-电极模型 Fig.5 Model of skin-electrode |
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| 图 6 皮肤-电极等效电路 Fig.6 Equivalent circuit of skin-electrode |
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(1) |
其中, Ret为导电材料极化电阻, Cdl为纤维之间的“双层”电容值.可以看出, 阻抗的大小与极化电阻成正比，与电容成反比.为了得到较小的界面阻抗, 则必须使织物与皮肤之间的电容值尽可能大.这样，则需要增大面料与皮肤界面之间的接触面积, 减小二者之间的接触距离.增加接触面积可以通过增加纤维的有效接触根数来实现, 如图 7所示的“毛刷”结构, 减小距离则通过减小“毛刷”纤维的弯曲刚度来实现.所以, 就可以设计出如图 8所示的织物电极结构[5].
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| 图 7 纺织结构电极示意图 Fig.7 Schematic picture of textile electrode |
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| 图 8 纺织结构电极 Fig.8 Textile electrode |
纺织结构柔性器件的研发将为智能服装提供技术保障, 柔性器件可以实现核心传感、线路、电源、显示甚至运算模块的柔性化, 从而达到与服装系统的无缝整合, 提高可穿戴产品的功能与用户体验.
传统纺织技术发展了几千年, 积淀了非常成熟的纤维成型技术, 将这些成型技术与电子器件的功能进行整合设计, 将会研制出非常多的基于纺织结构的柔性电子器件, 从而实现电子器件柔性化, 便于器件与穿戴系统集成.
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