智能运动服饰的研究现状

孔建建，朱达辉，黄伟峰，代丽茜，孔文静

(1.东华大学 服装与艺术设计学院，上海 200051；

2.苏州工艺美术职业技术学院，江苏 苏州 215100；

3.烟台南山学院 数字传媒系，山东 烟台 264000 ；

4.江苏舜天国际集团创业有限公司，江苏 南京 210012)

智能运动服饰能针对性地对运动者进行实时运动监控、科学分析指导[1]，为其日常生活中运动健康[2]、运动矫正[3]、运动安全[4]、运动赋能等实际应用保驾护航。智能运动服饰通过不断的技术改良，目的是将智能装置与运动服饰有效地融合一体，实现服装智能化功能设想。

本文对近年来智能运动服饰及其技术和应用加以分析，从智能运动服饰的关键功能及技术突破角度切入，综述现有智能服饰的研究现状，并对智能运动服饰及其核心构件的发展趋势进行了展望，以期为智能运动服饰的发展提供参考。

智能运动服饰原理图如图1所示。智能运动服饰可分为三大端口，即信息监测端、信息存储端以及信息整理端，各端口的功能包括信息收集、分析、传输、存储、反馈、显示等。信息监测端一般内置集成模块，通常由各式运动传感器、电源、电子线路、显示装置等组成；
信息整理端通过各种传感器收集运动数据并加以分析；
信息存储端即远程服务器共享中心，其可将原始数据、分析形成的运动警示或运动建议方案进行储存；
最后将其反馈至智能运动服饰显示端。

图1 智能运动服饰原理图Fig.1 Schematic diagram of intelligent sportswear

1.1 信息收集与分析

智能运动服饰可基于各式传感技术收集心电图检测、呼吸监测、脉搏监测、血压监测、温度监测等所得的基础运动生理数据。还可收集肌电监测、动作矫正、GPS定位等动态监测数据；
然后对收集到的各项运动数据进行智能分析和决策支持。当分析端数据显示异常，便会通过联动的芯片动作，如振动、黄灯警示等提醒运动者休息调理，严重的就会触发警报建议就医。这种机制能尽早发现人体潜在的机能危机，避免超负荷运动、带伤运动等带来的伤害。

1.2 信息传输与存储

以智能运动服饰为载体，将监测数据向存储端进行传输时，无线通信技术[5]可发挥重要作用。无线通信技术主要包括蓝牙(Bluetooth)、近场通信(Near Field Communication，NFC)、射频识别(Radio Frequency Identifi cation，RFID)、紫蜂通信(ZigBee，一种应用于短距离和低速率下的无线通信技术)等，4种常用无线通信技术性能比较如表1所示。

表1 4种常用无线通信技术性能比较Tab.1 Performance comparison of four common wireless communication technologies

储存模块(包括云存储平台)、后台服务器等1个或多个预设的接收端可以对原始运动数据进行数据传输及储存，其中较常用的云存储平台是在线存储平台，其在有网络的前提下可随时随地存储，几乎不受存储容量的限制。云存储平台的建立方便大量个人信息的存储，便于人们随时了解关于自身的各项生理及活动数据。

1.3 信息反馈与显示

信息整理端对运动数据进行分析整合后，可基于这些数据对运动者的运动情况进行科学判断，即运动者在运动过程中有无突感不适、意外受伤、情绪低落的情况；
此外还可为运动者制定周密、合适的运动计划，生成个性化运动建议方案。这些判断结果和建议方案会以语音或者图像的形式反馈至智能运动服饰的接收端，如平板电脑、智能手机、智能服饰显示端等。提取数据的过程中一般可根据需要设置一定的加密限制，以蔽免个人隐私数据被人窃取。

（2）当施工地点位于交叉区域时，在施工场所的前后都应放置减速慢行的标志，除此之外还应放置限速的标示牌，如果标示牌出现位移的状况，应及时进行调整，恢复原样。

传统的智能可穿戴产品受技术上的限制长期穿戴并不舒适，且具有交互复杂等诸多缺陷。为使传统可穿戴产品与服饰更好地匹配融合，现阶段与智能运动服饰相匹配的电子元件朝着精巧化、柔性化、电子皮肤化的趋势发展。此外智能交互、终端显示、可持续储能和热管理的技术应用亦是技术亮点。

2.1 超微精巧化监测元件

动态信息收集一般利用适配在纺织品上的新式监测元件来达到对人体长期且隐匿性的动态监测。超微精巧化监测元件示意如图2所示[6]，其一般被隐藏在智能运动服饰的纽扣、拉链及各式装饰部件中，再通过微电路进行连接，具有装饰性效果的外观很难被发现，这为智能运动服饰的发展应用提供了多种方案。

图2 超微精巧化监测元件示意Fig.2 Schematic diagram of ultra-fine and exquisite monitoring elements

2020年，Vikas等[7]研究发现，微电子元件尺寸可突破毫米级，且精度和可靠性大幅度提升，开发的电子元件具有超微体积、轻量化等特点。但微电子元件经反复使用易脱落的问题还未得到解决，这反应了不同材质、性能差异大的电子元件与纺织品在有效结合等方面，还需借助学科交叉深入探究。

2.2 柔性化及电子皮肤化电子元件

传统基于金属和半导体的应力传感器不足以满足智能运动服饰的需求，新式运动可用电子元件须具有良好的柔软性及弹性以适应人体运动时产生的弯曲和拉伸。通过纺织品结构设计可改良元件特性，实现柔性、可拉伸的电子元件的制作。图3示出柔性纺织品结构设计方案：图3(a)示出柔性基底[8]上直接镀覆薄导电材料[9]；
图3(b)示出通过纺、织[10]、钩、绣入金属纤维、金属化纤维、碳系导电纤维、混纺纱(包覆纱、包芯纱)的织物；
图3(c)示出多层复合电磁织物；
图3(d)示出三维立体结构织物。

图3 柔性纺织品结构设计方案Fig.3 Structural design scheme of flexible textiles.(a) Direct coating of thin conductive material on flexible substrate；
(b) Weaving,spining,hooking and embroidering conductive fibers in the fabric；
(c) Multilayer composite electromagnetic fabric；
(d) Three dimensional solid structure

柔性基底上通过浸涂[11]、原位组装[12]、机械压制[13]、转移印刷技术[14]以及化学沉积[15]等技法可涂覆薄导电纤维。卜一冰等[16]通过浸涂工艺将导电二维碳化钛(Ti3C2Tx MXene)涂覆在印刷纸上,再在表面沉积超疏水石蜡烟灰结构层。运用上述方法制得的柔性导电纸基应变传感器具有优异的自清洁性和耐腐蚀性，防水性亦有所改善。

此外通过降低基底厚度的方式可以使电子元件获得更显著的弯曲性，采用网状几何图案结构设计能进一步增强电子元件的可拉伸性和适应性。李星等[17]介绍了克里格米(kirigami)结构，即一种源自剪纸艺术的电子皮肤，其结构包括单轴,双轴和方螺旋。运用上述结构制成的电子皮肤，能够模拟真人皮肤[18]超柔软的特点，其灵活性高、伸缩性好，能够在运动时捕捉到身体较灵活部位的运动信号。

2.3 智能交互与终端显示

智能交互设计基于仿生学概念模拟生命系统，具有感知和反应双重功能。律睿慜等[19]设计了4种新型手势交互方案并与传统的交互方式进行了定量对照，使交互效果得以提升。刘旭华等[20]以氨纶-丙纶弹性织物为柔性基底，以一维银纳米线(Ag NWs)和二维MXene共同制备出具有较好可重复性的柔性应变传感器，该应变传感器能对简单语音进行识别，也可应用于服饰进行交互设计。

关于智能服饰接收端显示装置的可穿戴电子产品研究较多。早期大多数研究专注于将传统发光二极管(Light Emitting Diode，LED)集成到织物上。但传统LED体积相对较大、厚度较厚，集成后易降低织物的柔软性。随着有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode，OLED)工艺和技术的进步,光纤OLED器件的实现已成为可能。2022年研究者们开发了名为Pocket View[22]的新技术，提供了一种可通过面料、服饰等纺织品内置OLED元件实现信息展示的方法。

2.4 可持续储能与热管理

可运用到服饰上的能量收集装置包括基于纤维的染料敏化太阳能电池(Fiber-shaped Dye-sensitized Solar Cell，F-DSSC)和摩擦纳米发电机(Fiber-shaped Triboelectric Nanogenerators，F-TENG)。王远飞[23]设计了一个高性能太阳能微能量采集与管理系统，完成了2款高性能太阳能微能量采集与管理芯片的验证；
Sarkar 等[24]研究了一种采用丝-氧化锌(ZnO)复合材料的柔性纳米发电机,可用于收集纺织品运动中所产生的动能。

F-DSSC模式可以在白天阳光充足的条件下将太阳能转化为电能存储，F-TENG模式可将佩戴者运动中产生的动能存储并转化为电能，这2种可持续储能系统可为智能服饰的冷热调节等功能提供强大的能量支持。朱江波等[25]设计的可水洗超轻薄智能温控发热服饰将热传导材料和具有热调节功能的电子元件集成在服饰中，实现了具有主动防护功能的热管理智能服饰。与传统保暖发热服饰相比，这种智能服饰可实现持久保暖，其保暖性更好, 极具有市场潜力。

运动服饰通常使用较高弹性的面料和符合人体工程学的版型工艺，具有与人体大面积贴身紧密接触的特点。利用这一特点将运动服饰品与先进的电子元件相结合能获取更多、更准确的运动数据。之后通过信息整理端对运动数据进行分析来达到监测运动健康、矫正运动姿势、保证运动安全以及助力运动赋能的目标。

3.1 运动健康

智能运动服饰可以通过监测心跳、心电图、呼吸、血压、温度、肌电、动作、位置、距离等来分析着装者的体能状态、疲劳程度、健康指数等。智能健康监测运动服如图4所示。通过置入不同类型的传感器如心电图传感器、血压传感器等进行针对性监测，再将收集的健康数据传送到智能服饰的整理端，便于分析和查看，以帮助用户确定适合自己的运动强度。

图4 智能健康监测运动服Fig.4 Intelligent health monitoring sportswear.(a) Monitor motion data；
(b) Generate health report

3.2 运动矫正

训练不当不仅不能达到训练效果还有可能带来不可逆的损伤，因此各项运动都须保证正确的运动姿势。智能姿势矫正运动服如图5所示，其能采集训练者训练动作的分解视频并通过移动应用程序显示，便于和标准动作比较。这种智能服饰可以帮助训练者实时关注训练的表现和进展，完成相应的训练目标。

图5 智能姿势矫正运动服Fig.5 Intelligent posture correction sportswear

如美国Wearable X公司开发的智能瑜伽服Nadi X[27]，在臀部、膝盖和脚踝部位织物中设置加速度器和振动电动机，即利用动作监测器采集信息，动作出现偏差就会轻轻振动提示。此外，采用Arduino UNO开发板与Myoware系统可穿戴肌电传感器为基础制作的运动紧身衣可用于身体肌肉状态的监测，能够采集、计算、比较运动者的肌电差异，以避免运动者出现运动方法不当、过度运动或肌肉负载不均匀、不对称等问题。

3.3 运动安全

运动中易发生跌打损伤甚至是意外事故，这些安全问题不容易被预见、很难被防范，智能运动服饰的监测防护功能可在此类问题上发挥重要作用。

硅谷新创公司Lumo Bodytech研发的Lumo Run是一种可置入服装的智能跑步姿势追踪装置[28]，其能监测穿着者的跑步节奏、足部与地面接触时间、骨盆旋转的角度和步伐长度等数据。该智能安全监测运动服如图6所示，其可以提前识别出危险动作。

图6 智能安全监测运动服Fig.6 Intelligent safety monitoring sportswear

3.4 运动赋能

智能运动服饰可助力运动赋能。如杨航等[29]借助压电薄膜传感器来采集人体进行乒乓球运动时肘部运动姿势的数据信号，最终完成了挥拍次数与挥拍频率的测量，可为乒乓运动提供数据参考。

图7示出AR模拟现实技术[30]。此项技术可以让运动者沉浸在虚拟的比赛场景中，不同于常规训练，它更能激发运动员的潜能，采集的运动数据更接近比赛水准。这种人机协同监测机制还能模拟比赛中的突发事件，锻练运动员的随机应变能力。

图7 AR模拟现实技术示例Fig.7 AR simulation reality technology example

4.1 提高耐用性能

采用涂覆型监测元件的智能运动服饰在使用数次后容易出现传感器导电材料脱落的现象，导致监测效果明显降低；
智能编织物、三维立体结构织物电路系统复杂，使用初期效果比较明显，但随着使用时间的延长，纺织基布会出现应力松弛与疲劳效应，导致性能降低；
多层复合电磁织物的透气性、排汗性、弹性均不理想。因此，未来的智能服饰用电子元件应尽可能改善上述各问题，在保证织物的透气性、排汗性及弹性的同时兼具良好的耐磨损、耐疲劳等性能，以增强运动服饰的服用性。

4.2 增强安全防护

剧烈的运动会使身体大量出汗，且在户外运动过程中也难免会碰上雨雪天气，这种情况下对于内置电子元件的服饰品是相当危险的，因其遇水易短路，轻则损毁元件重则灼伤身体；
此外，在运动中不可避免的磕碰也会导致服装智能功能缺失，智能元件无法正常工作；
另外电子模块的电磁辐射会对人体造成影响，因此需符合安全防护标准。综上，智能服饰品不仅需要防水、防撞击，还要防控电磁辐射对人体的不良影响。

4.3 加强保护数据

智能运动服饰受磁场环境影响及运动位移会使得数据传输不稳定，容易延迟或遗漏，造成传递信息不完整；
另外采集运动数据关乎隐私，不宜泄露。因此要完善数据的完整性、私密性管理的传输技术，设置加密保护的传输方式等。

4.4 引领运动时尚

科技开始注重时尚，时尚也把目光聚焦在科技上。智能运动服饰可以感知人体和环境变化,并通过反馈机制对这种变化做出反应和调整，如具有仿生特点的智能发光、智能变色服饰等。智能运动服饰的设计元素、设计细节未来感强、视觉效果突出，融合了超现实主义特点，这种新时尚也为消费者提供了更好的个性展示选择。

通过综述近年来国内外智能服饰的发展现状，对智能监测元件的发展情况加以分析，随着科学技术的不断进步，智能监测元件越来越呈现超微精巧化、柔性化、电子皮肤化等趋势；
从智能交互、智能显示、可持续储能与热管理等方面深入探究，可知智能运动服饰的各种运动监测、反馈功能等均可顺利实现。但智能运动服饰的研发在以下方面仍需继续精进：如电子元件持久耐用性、电源可持续供电等耐用性能问题；
电路安全、防辐射等安全防护问题；
隐私数据加密、防泄露等数据保护问题；
运动仿生、运动时尚等流行性问题。通过不断的推进技术革新、解决实际问题，未来的智能运动服饰将具有广阔的应用前景。

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