吴杰
（江南大学，江苏 无锡 214122）
摘要：基于提升智能服装性能和用户体验的目的，文章通过文献综述、实验设计和数据分析等方法，研究了柔性传感器在智能服装设计中的应用，包括其种类、特性以及在智能服装中的集成方式。研究认为，柔性传感器因其优异的柔韧性和可弯曲性，能够紧密贴合人体皮肤，实时监测生理参数和环境变化。这使得智能服装能够根据用户的实际需求提供个性化的反馈和调节，从而显著提升用户体验。
关键词：柔性传感器；智能服装；设计理念；设计原则
Research on Intelligent Clothing Design and Application based on Flexible Sensor
WU Jie
(Jiangnan University, Wuxi 214122, China)
Abstract: With the purpose of improving the performance and user experience of smart clothing,this work studies the application of flexible sensors in smart clothing design,including its types,characteristics and integation in smart clothing,by comprehensively using research methods of literature review,experimental design,and data analysis.Because of its excellent flexibility and bendability,the flexible sensor can closely fit the human skin and monitor physiological parameters and environmental changes in real time.This enables smart clothing to do personalized feedback and adjustment according to the actual needs of users,thus significantly improving the user experience.
Keyword: flexible sensor; smart clothing; design concept; design principle
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作者简介：吴杰（2004－），男，江南大学，2022级本科生，研究方向为服装设计与工程。
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0 引言
智能服装是一种集成了传感器、控制器和执行器等电子元件的服装，能够通过感知、分析和响应外部或内部刺激，为用户提供更加便捷、舒适和个性化的体验[1-6]。而柔性传感器作为智能服装中的关键组件，其特性决定了智能服装的感知能力和应用范围。因此，对柔性传感器在智能服装设计中的创新应用进行研究，对于推动智能服装的发展具有重要意义。
1 柔性传感器技术概述
1.1 柔性传感器的定义及工作原理
柔性传感器是一种具有优异柔韧性和可弯曲性的传感设备[3-6]，其设计和制造材料允许它们在不丧失性能的前提下，适应各种复杂形状和表面的变化。这种特性使得柔性传感器能够广泛应用于各种需要贴合、弯曲或变形的环境中，特别是在智能服装领域，柔性传感器能够紧密贴合人体皮肤，为实时监测生理参数和环境变化提供了可能。
柔性传感器的工作原理主要基于其敏感元件与外界环境的相互作用[3-6]。这些敏感元件通常是由导电材料、压敏材料、热敏材料或生物相容性材料制成的。当外界环境发生变化（如压力、温度、湿度等）时，敏感元件的物理或化学性质会发生相应的变化，这种变化会被转化为电信号（如电阻、电容、电压或电流的变化）。例如，在柔性压力传感器中，当外界施加压力时，传感器的弹性薄膜会发生形变，导致薄膜上的导电材料之间的接触面积或距离发生变化，进而改变其电阻值。通过测量这种电阻值的变化，就可以推断出施加在传感器上的压力大小。
1.2 柔性传感器的分类
柔性压力传感器。这种传感器能够感知外界施加的压力变化，并将其转化为电信号输出[3-4]。它们通常采用导电材料制成的弹性薄膜，当受到压力时，薄膜的电阻或电容会发生变化，从而实现对压力的测量。
柔性温度传感器。这类传感器利用材料的热敏特性来感知温度变化[5]。常见的热敏材料包括热电阻和热敏电阻等，它们的电阻值随温度变化而变化，从而实现对温度的监测。
柔性湿度传感器。湿度传感器主要用于测量环境中的湿度水平[2]。它们通常基于吸湿材料的电学性质变化来工作，当环境中的湿度发生变化时，吸湿材料的电阻或电容会相应改变。
柔性生物电传感器。这类传感器专门用于测量人体的生物电信号，如心电图（ECG）和肌电图（EMG）[6]。它们通常通过贴在皮肤上的电极来捕捉微弱的电信号，并将其放大和记录。
柔性加速度传感器。柔性加速度传感器是一种能够测量物体加速度的传感器，同时具备了柔性材料的特点，使其能够贴合不规则表面或弯曲的物体[6]。在智能服装设计与应用研究中，柔性加速度传感器发挥着至关重要的作用，为服装提供了丰富的运动感知能力。
柔性光传感器。柔性光传感器是一种结合了柔性基底与光电转换技术的先进传感器件，它能够感知外界光线的强度、颜色、方向等参数，并将这些光信号转化为电信号进行输出[6]。在智能服装设计与应用研究领域，柔性光传感器以其出色的柔韧性和光感性能，为智能服装提供了独特的功能和优势。
2 智能服装设计理论与方法
2.1 智能服装的设计理念
功能性与舒适性并存。智能服装的设计首先要考虑的是人体的舒适性和穿着体验。在不影响服装美观性和舒适性的前提下，巧妙地集成柔性传感器和其他智能组件，实现各种功能。
个性化与定制化服务。每个人的需求和喜好都不同，因此智能服装的设计应该注重个性化。通过收集用户的身体数据、生活习惯等信息，我们可以为他们定制专属的智能服装，满足其特定的健康监测、运动跟踪等需求。
智能化与互联性。智能服装应该具备与智能手机、智能手环等设备互联的能力，实现数据的实时传输和共享。这样，用户就可以通过手机等终端随时查看自己的健康状况、运动数据等信息，并进行相应的调整和管理。
2.2 智能服装的设计流程
智能服装的设计是一个综合性的过程，涉及多个领域的交叉融合。其设计流程大致可分为以下几个步骤：
需求分析。首先，需要明确智能服装的设计目标和功能需求。这包括对目标用户群体的分析，了解他们的生活习惯、运动需求以及健康监测等方面的具体需求。
材料选择与柔性传感器集成。根据需求分析结果，选择合适的柔性传感器类型和材料。随后，将柔性传感器集成到服装面料中，确保传感器的布置与服装的穿着舒适性和美观性相协调。
服装结构设计。基于人体工学原理，设计合理的服装结构，以适应不同部位的运动需求。同时，考虑柔性传感器在服装中的布局和固定方式，确保传感器能够准确捕捉身体信号。
电路设计与系统集成。设计电路以连接和管理柔性传感器，实现数据的采集、传输和处理。此外，还需要考虑电源管理、数据通信等系统的集成，确保整个智能服装系统的稳定性和可靠性。
原型制作与测试。根据设计方案制作智能服装原型，并进行一系列测试，包括传感器的灵敏度测试、服装的舒适性测试以及系统的功能测试等。根据测试结果对设计进行迭代优化。
用户反馈与改进。邀请目标用户群体对智能服装原型进行试穿和体验，收集他们的反馈意见。根据用户反馈对设计进行进一步的改进和优化，以满足用户的实际需求。
2.3 智能服装与传统服装设计的差异
功能定位的差异。传统服装的设计主要侧重于美观性、舒适性和耐用性，满足人们的基本穿着需求。而智能服装则在此基础上融入了更多的科技元素，强调服装的智能化功能，如健康监测、运动跟踪、环境感知等，以满足现代人对健康生活、运动管理和便捷生活的追求。
材料选择的差异。传统服装主要使用棉、麻、丝、毛等天然纤维或合成纤维作为面料，注重面料的透气性和舒适性。而智能服装则需要选择具有优异柔韧性和可弯曲性的柔性传感器材料，以确保传感器能够紧密贴合人体皮肤并准确捕捉生理信号。
结构设计的差异。传统服装的结构设计主要关注服装的版型和剪裁，以展现人体的线条美和穿着的舒适性。而智能服装则需要在结构设计中考虑传感器的布置和固定方式，以确保传感器能够准确感知人体的运动和生理变化。
科技集成的差异。智能服装在设计过程中需要集成各种电子元件和传感器，实现数据的采集、传输和处理。这涉及到电路设计、电源管理、数据通信等多个方面的技术集成，使得智能服装在技术上比传统服装更加复杂和先进。
3 柔性传感器在服装设计中的应用
3.1 柔性传感器在服装中的集成方式
直接附着法。直接附着法是一种将柔性传感器直接粘贴或缝合到服装面料上的集成方式。这种方法简单直观，操作简便，能够实现传感器与服装的紧密结合。在实际应用中，可以使用特殊的粘合剂将传感器粘贴在服装的特定位置，或者通过缝纫线将传感器与服装面料缝合在一起。这种集成方式适用于需要监测身体特定部位数据的场景，如心率监测、肌肉活动监测等。
嵌入式集成。嵌入式集成是将柔性传感器嵌入到服装面料内部的方式。这种方法可以使传感器与服装更加融为一体，减少外界对传感器的干扰，提高数据的准确性。在嵌入式集成中，通常需要在服装面料中预留传感器的位置，并在制作过程中将传感器嵌入到面料中。这种集成方式适用于需要大面积监测或全身监测的场景，如运动跟踪、姿态识别等。
编织与针织集成。编织与针织集成是一种将柔性传感器与服装面料通过编织或针织工艺结合在一起的集成方式。这种方法可以使传感器与服装面料在结构上更加一体化，同时保持良好的柔韧性和舒适性。在实际应用中，可以将柔性传感器的导电线路与纱线一起编织或针织成面料，使传感器与面料形成一个整体。这种集成方式适用于需要长期穿着和使用的智能服装，如健康监测服、运动服等。
模块化集成。模块化集成是将柔性传感器集成到可拆卸的模块中，再将模块与服装连接的方式。这种集成方式便于传感器的更换和维修，同时可以根据需要灵活调整传感器的位置和数量。在模块化集成中，可以设计专门的传感器模块，通过扣合、插接或磁性吸附等方式与服装连接。这种集成方式适用于需要频繁更换传感器或根据不同需求调整传感器配置的场景。
3.2 柔性传感器在智能服装中的应用
生理参数实时监测与反馈。柔性传感器在智能服装中最重要的功能之一是生理参数的实时监测与反馈。通过集成在服装中的柔性传感器，可以实时采集用户的心率、血压、呼吸频率等生理数据，并通过无线传输技术将这些数据发送至用户的智能手机或其他智能设备。用户可以通过相应的应用程序查看自己的生理数据，并根据需要进行调整或采取相应的措施。例如，在运动训练中，智能服装可以实时监测运动员的心率和呼吸频率，为教练提供准确的训练数据，帮助运动员更好地调整训练强度和节奏。同时，运动员也可以通过查看自己的生理数据，了解自己的身体状况，避免运动过度或运动不足。
姿态识别与运动分析。柔性传感器还能够实现姿态识别和运动分析功能。通过布置在服装不同部位的柔性传感器，可以捕捉用户身体的运动轨迹、关节角度等信息，从而实现对用户姿态的准确识别。这一功能在体育训练、康复治疗等领域具有广泛的应用前景。在体育训练中，智能服装可以帮助教练和运动员分析运动姿势和动作规范性，提高训练效果。在康复治疗中，智能服装可以实时监测患者的运动状态，评估康复效果，为医生提供重要的参考数据。
环境感知与自适应调节。除了生理监测和运动分析外，柔性传感器还能实现环境感知与自适应调节功能。智能服装中的柔性传感器可以实时监测环境温度、湿度、光照等环境参数，并根据用户的身体状况和需求，自动调节服装的保暖性、透气性、防晒性等功能。例如，在寒冷的冬季，智能服装可以根据环境温度自动调节内部的加热元件，提高服装的保暖性能；在炎热的夏季，智能服装可以通过增加透气性材料的使用，减少汗液的分泌，保持用户的舒适度。
情感识别与互动体验。随着情感计算技术的发展，柔性传感器在智能服装中的功能实现也逐渐向情感识别与互动体验拓展。通过捕捉用户的生理信号和姿态变化，柔性传感器可以分析用户的情绪状态，并与用户进行情感互动。例如，在虚拟现实或增强现实应用中，智能服装可以通过柔性传感器感知用户的情绪变化，并根据用户的情绪状态调整虚拟场景的氛围或互动方式，提供更加沉浸式的体验。
3.3柔性传感器在服装应用中的改进
提高精度与稳定性。研发新型的传感材料，如纳米材料、生物兼容材料等，以提高传感器的灵敏度和稳定性。这些新材料应具有更高的导电性、更好的机械性能以及更强的生物相容性。通过优化传感器的结构设计，如采用多层结构、微纳结构等，以提高传感器的信号采集能力和抗干扰能力。
增强耐用性与舒适性。采用耐磨性更好的材料，并对传感器的表面进行特殊处理，如增加保护层、采用防刮涂层等，以提高传感器的耐用性。根据人体工学原理，对传感器的形状、尺寸和布局进行优化设计，使其更好地贴合人体曲线，提高穿戴的舒适度和适应性。
拓展应用领域。柔性传感器在医疗领域的应用具有巨大潜力，通过监测患者的生理参数和病情变化，为医生提供及时、准确的数据支持，有助于实现精准医疗和远程医疗。在运动健康领域，柔性传感器可以实时监测运动员的训练状态和体能状况，帮助他们制定更加科学的训练计划。在军事与航天领域，柔性传感器可以应用于士兵的装备和航天器的监测系统中，实现实时、连续的数据采集和分析，提高作战效能和航天安全性。
4 结语
柔性传感器作为智能服装的核心组成部分，其创新应用对于推动智能服装的发展具有重要意义。通过深入研究柔性传感器的设计原理、特性以及在智能服装设计中的创新应用，我们可以为智能服装的设计和开发提供有力的技术支持和理论指导。同时，我们也应该关注柔性传感器的性能优化和成本降低等问题，以推动智能服装的普及和应用。
参考文献：
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[2]赖燕珠,谢红.智能可穿戴监测服装性能评价模型的研究进展[J].针织工业,2024,(01): 89-94.
[3]汪婉婉,赵蒙蒙.传感器件在智能监测服装中的应用[J].产业用纺织品,2024,42(01):8-14.
[4]窦颖艳,姚俊.高性能可穿戴式柔性压力传感器的制作与检测[J].电子器件,2023,46(06):1680-1684.
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[6]李立立,孙僮.智能可穿戴技术在服装设计中的应用与挑战[J].西部皮革,2023,45(22):130-132.
原载：《西部皮革》杂志2024年4月第7期
