電子紡織技術的原理與未來市場導向和面臨的挑戰

當提到可穿戴設備時，大多數人會想到戴在手腕上的智能手表、健身監視器和心率監測器等。然而，可穿戴設備市場已經遠遠超越了這些標準設備，在多個不同領域的新興市場已經暫露頭腳。能夠提供醫療保健功能的智能服裝便是眾多新型市場中的一個，它是將電子產品編織到襯衫、毛毯、繃帶、針織帽或褲子中，以此來執行特定的護理功能。

智能服裝也可以被稱作電子紡織品，目前正處于發展的初級階段，在醫院和其他護理機構的實際應用非常少。然而，這項技術的潛力是巨大的，許多醫療機構和醫療設備制造商都在積極尋找智能服裝的試點項目，并研究最新的電子紡織技術。實際上，智能服裝在醫療保健領域有著這樣的期望——在未來5年里，它將顛覆整個行業。

“總體而言，醫療行業正經歷著自身的危機，尤其是在美國和英國?！笔袌鲅芯?a target="_blank">公司Tractica的研究主管Aditya Kaul說，“因此，目前的重點應該是解決醫療保健的本身，而不是像智能服裝這樣的技術。我們看到，在未來三到四年，智能衣服市場增長緩慢，但那之后，將會有一個光明而增長迅速的市場?！?Tractica預測，到2021年，醫療保健市場智能服裝市值將從現在的240萬美元增長到12億美元，其中最強勁的增長將出現在2019 - 2021年。

電子紡織技術和工作原理

智能服裝被看作是醫療保健的一場革新，人們希望利用它來監測健康或幫助治療，從而減少對昂貴的醫療設備和醫療系統的依賴。智能化的服裝能夠追蹤慢性疾病，可以讓病人在住院治療期間變得更舒服，這可以幫助日益老齡化的人們，因此，這被視為一種可以創造價值、提高健康洞察力和降低成本的新方法。

電子紡織品不僅穿起來讓皮膚感覺舒適，而且具有一定的功能型，他們由傳統的纖維織物和導電纖維編織而成，并且集成了生物醫學傳感器、微控制器、光纖和可穿戴天線等電子元件，如貿澤電子的物聯網模塊。

AD公司的AD8232/33心率監測模塊就是一個可以在電子紡織品里面使用的例子，該模塊可以用于監測心率和測量其他的生理指標，在有噪聲條件的環境下，提取、放大和過濾小生物信號。Intel 的Edison開發平臺為科學家，企業家和設計師提供了物聯網、可穿戴產品的原型設計解決方案。它不僅是一個系統模塊的解決方案，更包含了可穿戴天線。

一般情況下，電子紡織品是由典型的桌面縫紉機制造出來的，這種縫紉機在電腦程序的控制下將線繡在圖案上。對于銀、鎳、碳、銅、鋁和不銹鋼等金屬纖維，他們的手感和傳統的線相似，也可以拿來使用。貿澤電子的Adafruit可穿戴電子平臺可以用在任何可穿戴項目中，它功能齊全、圓形設計、體積小、可以縫合，并且兼容Arduino。

根據導電纖維的編織方式，并考慮到智能服裝中電子產品的安裝，電子紡織品可以像普通衣服一樣進行水洗。但很多時候，面料的耐用性仍然是一個持續存在的問題，但考慮到很多研究人員和公司都為解決這個問題而努力，相信這個問題很快就會得到解決。

智能服裝的市場導向和挑戰

目前，智能服裝已經成功商業化的例子非常少。其中一個原因便是，醫療領域的公司不愿意投資這種研究項目，他們大部分采取了觀望的態度。企業和制造商更愿意把市場轉向健康和體育領域，因為在這個領域，即使失敗所付出的代價也很小。

然而，在世界上的很多地區，糖尿病、心臟病、癌癥、呼吸道疾病等慢行疾病呈上升趨勢。在歐洲和美國等地，人們的壽命越來越長，接收手術的數量也越來越多。智能服裝的發展會帶動新型電子產品的發展和醫療技術的進步。在一些臨床試驗中，智能服裝已經顯示出抵御傳染病的作用，而且能夠感知穿戴者的健康狀況，并幫助預防、治療和管理健康。

Luciano Boesel是瑞士研究機構Empa適應性紡織品和水凝膠（圖1）小組的負責人，他說:“在醫療護理方面，尤其是電子紡織品方面，會有很多機會。普通家庭長期被疾病困擾的病人對疾病監測的需求，會促進該領域的快速的發展。在未來五年的時間里，我相信在醫療領域會有更多的創新紡織品解決方案?！?/p>

圖1:為防止褥瘡并監測心率而將光纖集成到毯子或襯衫中，這是Empa研究人員正在研究的。

Boesel承認電子紡織品還面臨著很多需要解決的問題，包括可靠性、責任和認證等方面。監管部門的審批流程給制造商和研究人員帶來了麻煩，因為FDA的審批可能需要持續很多年。此外，獲得保險公司的批準和認證也是一個障礙。因此，對于目前已經進入智能服裝行業的企業來說，需要三到五年才能取得成果。許多專家認為，這一行業的拐點將在2020年時候出現。

當前問題的解決

James Hayward是市場研究公司IDTechEx的技術分析師，他認為，如果對于技術能夠獲得更多金融或經濟上的好處，那么智能服裝就更有可能被供應商所采用。

Hayward說：“將床單或床墊這樣的電子紡織品與壓力傳感器集成在一起，可以感知病人在上面的移動，這可以用來預防病人的褥瘡，目前這個項目已經引起了很多公司的興趣。在以前，解決褥瘡、尿失禁等花費了醫院和護理機構的大量的時間和金錢，如果將濕度傳感器集成到智能服裝中，用來監視病人的排尿，可以輕松的解決這個問題，這是一個很有投資價值的項目?！?/p>

“如果電子紡織品繼續被證明是成功的，那么在被大眾所接受后，它將成為一種高端奢侈品” Hayward說，“這些事情需要時間的，而伴隨著典型的醫療設備的引進時間的下降，我預計在未來5年最多10年內將會看到這一切，我認為它會逐漸進入醫療行業?！?/p>

服裝+正在與Jabil合作，批量生產滿足FDA要求的醫療等級傳感器。生物阻抗背心是眾多傳感器中的一種，它通過測量肺部的水分積聚，來表明心臟狀況，這可以幫助病人在住院前，在家里對病情進行實時監測，節省時間和金錢；胸帶也是一種生物傳感器，它可以通過測量肺部的形狀來分析肺的性能；光治療毯可以用來治療嬰兒的黃疸，這樣患有黃疸的孩子可以被父母或親人抱著進行治療，而不必向過去一樣，把孩子放到光療法的儀器中。

Edema ApS正在開發一種可清洗的襪子，這種襪子可以通過測量患者腿部體積的變化來確定其是否患有水腫(圖2)。目前該襪子還沒有為患者所使用，但已經進入了準備進行臨床試驗和驗證的環節。未來該長襪還將具備更多的功能，如用來監測充血性心力衰竭、先兆子癇、高血壓、水腫和尿蛋白等病癥。

圖2 耐磨,耐洗的襪子,它可以用于監測病人腿部的水腫情況，目前正準備進入臨床試驗和驗證階段。

“襪子不僅可洗，而且經久耐用，適合家庭使用，這是這個項目的主打概念。襪子能夠一直監測著腿部變化，以避免由于長時間問題旅行所造成的腿部水腫”，Edema的CEO說。長襪可以與智能手機中的APP連接，在APP里面用戶可以根據運動情況進行自我調節，以確定是否需要調整或重新定位，甚至進行醫治。

Hexoskin是一家可穿戴服裝供應商，他們的一直致力于生理指標的監測產品，產品包含了為運動和健身市場而開發的智能服裝，也包含了心臟病、呼吸、神經病學、精神障礙和兒科學等醫療保健領域的電子紡織品。目前，Hexoskin正在進行長期遠程監測的臨床試驗，傳感器被編織到智能襯衫中，用來進行心臟的心電圖監測、肺功能監測和活動監測。

學術引領方向

在電子紡織品的醫療市場中，大學里面對該領域的研究為市場的發展帶來了希望。

芬蘭的VTT技術研究中心正在開發一項有趣的項目，研究人員發明了一種智能織物，它可以用在衣服或毯子中，用它做成的衣服或毯子可以根據人體的體溫和環境的溫度來判定病人所處的環境是否舒適。這樣的衣服也可以給外科醫生所使用，在手術過程中，衣服的溫度可以根據人體溫度進行動態調節，使整個手術過程中不會覺得太熱。

VTT公司的首席科學家Pekka Tuomaala說:“當醫院的病人被問及他們最不愉快的經歷時，最常見的答案是感到冷，而疼痛只是排在第二的?！?/p>

俄亥俄州立大學電子科學實驗室正在對功能性電子紡織品進行研究。他們把電子織物做成一個類似帽子的東西，這種帽子可以通過織物天線（如Intel Edison開發平臺）來收集、存儲和傳輸數據，通過分析數據可以幫助判斷或治療癲癇。研究人員也在正研究智能繃帶，以告訴醫生皮下組織是否已經痊愈。

圖3:俄亥俄州立大學正在致力于將天線和電路集成到服裝中，以用于未來的醫療保健監測和治療。

“我們的目標是讓產品理解我們的想法。想象一下，如果我們能讓我們的大腦再生，要做到這一點，我們需要了解大腦，并了解有多少神經元是在一起工作的”，俄亥俄州立大學電子科學實驗室主任John Volakis說?！斑@些智能的衣服可以讓癲癇病人在發作前坐下來，或者讓他帕金森病人體內的細胞激活或停用?！?/p>

同時,布里斯托爾大學正在從事柔性機器人服裝的研究，這種服裝可以幫助易跌倒的人群避免跌倒，當他們站立或行走時，服裝可以給予他們仿生力量(圖4)。智能服裝涉及納米科學、3D制作、電刺激以及全身監測技術。研究人員認為，這項技術最終可能會讓輪椅上的人們站起來。

圖4:布里斯托爾大學的研究人員正在努力將柔性機器人融入服裝，以幫助那些容易跌倒的人們。

“人們現在所使用的許多設備會引起流動問題，比如會引起或加重血液循環不良、皮膚損傷或壓力敏感性下降，每一項都影響健康”，布里斯托爾大學機器人工程學系教授Jonathan Rossiter博士說“可穿戴柔性機器人技術將有潛力改善這些問題，同時也降低醫療成本?！?/p>

瑞士的Empa研究中心正在將光纖集成到電子紡織品中，用來監測皮膚的血液循環，防止褥瘡的發生。他們還創造了一種可以用來測量心率的帽子。這些智能服裝可以被洗滌，它們將成為醫院的理想用品。

研究人員認為，這種技術最終將可以用來測量氧含量的飽和度，組織壓力或呼吸速率。電子紡織品也可以轉化為化學或生物傳感器，如Maxim將他們用來分析體液或蒸汽所。Maxim的超低功率和安全評估開發板是基于Maxim的ARM Cortex-M超低功耗MCU的。ARM Cortex-M4F系列MCU是穿戴式醫療和健康項目的理想選擇，因為它們的架構具有超低功率、高效率的信號處理功能，并且簡單易用。MAX30102脈搏血氧計和心率傳感器是一種集成的脈搏血氧儀和心率監測模塊，它包括內部發光二極管、光電探測器、光學元件和低噪音的電子器件。

智能服裝的未來

學術研究機構正在努力的發展智能服裝，并正在致力于商業化，高科技面料以及微電子技術的進步，正在為與健康相關的電子紡織品提供更多的發展機會。

目前，很多想法已經著手進行試點，比如用于緩解慢性背痛的T恤、用來監測慢性肺部疾病患者呼吸速率的襯衫、用于監測孕婦子宮收縮和胎兒心率的腹帶、供糖尿病患者使用的壓力監測襪子以及為嚴重心臟病患者提供的帶有電擊功能的襯衫。

一些專家認為，在醫院里，智能衣服將有望完全取代用于追蹤心率、血壓和氧氣含量的床邊監測設備。

最近，在智能服裝中整合手勢識別的想法已經引起了Google – Levi項目組的興趣，他們為自行車騎行者提供了具有手勢識別功能的夾克。許多專家認為手勢識別能夠在智能服裝領域找到它的一席之地，這項技術可以供截癱患者使用，也可以為患有中風或心臟病的老人或者躺在病床上的老年人使用。在未來的五年里，這些價格低廉、技術成熟的產品將很難被超越。

觸覺反饋或在用戶界面中使用觸摸感知，這在電子紡織品中有將很大的前景，因為它可以很容易小型化，不需要移動機械部件。觸覺反饋將被用于電動肌肉刺激(EMS)，它可以感知病人肌肉所產生的從小到大的力量。有觸覺反饋技術的智能衣服可以在任何時候，用在身體的任何部位，用來刺激肌肉運動或康復。很多涉及觸覺反饋的智能服裝項目，都在研發過程中，比如Novasentis，預計將于今年晚些的時候發布。