文献引用格式:赵艳娇,宁浩宇,孙玥,刘丽芳.智能可穿戴产品现状及评价方法研究[J].纺织科学研究,2024,(9):19-26.
智能可穿戴产品现状及评价方法研究
赵艳娇1，2，宁浩宇3，孙玥4，刘丽芳2
（1.军事科学院国防科技创新研究院，北京100071;
2.东华大学纺织学院，上海 201620；
3.中国人民解放军32339部队，西藏 850000;
4.中央军委后勤保障部军需能源局，北京，100036）
摘要：梳理了智能可穿戴纺织品市场产业现状、技术创新进展、发展趋势，预判了智能创新技术在纺织行业的应用前景，并探讨了智能可穿戴产品的评价方法研究，展现科技生产力赋能传统纺织业的发展潜能，进而带给行业人士更多启示。
关键词：智能可穿戴产品；技术创新；发展趋势；评价方法
前言
智能可穿戴是以传感器、人工智能、材料、互联网、服装、人机工效等多学科技术进行交叉融合，用来收集、整理和反馈人体重要生理参数，制备服装智能可穿戴产品，实现人体健康、通信、信息传递、人机交互等特定功能监测，为健康监护、慢病管理等大健康服务提供新的解决方案，从而有助于降低老龄化社会的医疗费用并增强体验者的能动性、舒适性和便捷性[1-2]，现已成为军事、医学、航空航天等领域的研究热点。
据国际数据公司（IDC）发布的公告，2020年和2021年是可穿戴设备发展的巅峰时期，出货量达到了创纪录的水平。虽然2023年第四季度全球可穿戴设备出货量同比下降0.9%，但在2023年的整个年度中，全球可穿戴设备出货量仍增长了1.7%。IDC于2024年6月17日发布的《中国可穿戴设备市场季度跟踪报告》数据显示，2024年第一季度全球可穿戴出货量1.1亿台，同比增长8.8%。其中，中国可穿戴设备市场出货量为3367万台，同比增长36.2%，中国市场该季度增速为全球市场的4倍。IDC预计2025年中国智能可穿戴产品出货量将达2.66亿台，市场规模有望突破1500亿元；2028年底，全球出货量将增至6.457亿台，复合年均增长率为3.6%[3-5]。智能可穿戴将是未来5~10年内利润空间最大的产业之一。
基于电子信息、连续柔性传感、语音智能交互、手势交互、曲面柔性显示、增强现实和5G等新型智能技术的创新研究，科技型头部企业相继推出具有轻柔、便携、灵活及易操作等特点的新产品，在市场竞争更加激烈的同时也为消费者带来更丰富的产品选择。织物基、纤维基的智能可穿戴产品若能持续监测体验者的健康状况、进行个人管理，可逐步实现在医疗范畴由医疗体系向个体医疗的转变，有利于公众的健康生活和医疗问题的解决[6]。近年来，世界各国纷纷制定研究计划，着力研究柔性随身连续监测智能可穿戴关键技术，欲抢占产业发展制高点[7-8]；但由于该技术出现时间短，相关技术规范或评价标准尚未健全，致使产品良莠不齐，企业之间普遍存在无序竞争的现象，严重制约了行业技术创新升级和有序发展[9-11]。
1 智能可穿戴产品产业研究现状
我国智能可穿戴设备行业领域已形成了完备的原材料、元器件、结构设计、研发制造、产品销售和维护全供应链体系[12]。可穿戴设备上、中、下游企业概况图见图1[13]。
1.1 产业链上游
产业链上游包括智能核心硬件供应商、电活性材料及智能配套服务软件供应商等，如通讯模块、显示屏、传感器、外壳材料、芯片、电池材料等硬件系统供应商和数据分析系统、虚拟数据显示系统、人机交互技术系统、无线通讯与充电技术系统等软件系统供应商[14]。
1.2 产业链中游
产业链中游以智能设备制造商、互联网及科技性公司提供的智能语音控制软件、数据平台和交互可视化软件配套服务为主要内容。如智能耳机、可穿戴腕带设备、智能血压计、智能头盔、智能眼镜和AR、VR设备制造商[15]。
1.3 产业链下游
产业链下游主要为应用场景，包括智能可穿戴产品销售、售后服务商及终端用户。如日常生活、体育训练、医疗健康、教育教学、金融交易和国防军事等应用场景[16]。
2 智能可穿戴产品技术创新进展
可穿戴产品技术包括柔性传感技术、柔性交互技术和柔性储能等技术。
2.1 柔性传感技术
北京市农林科学院智能装备研究中心[17]采用激光诱导石墨烯（LIG）柔性电极，并通过添加MXene和钼硫化物（MoS2）增强其性能制备了MXene/MoS2/LIG柔性传感器。该传感器不仅具有出色的机械性能，还可检测1~1000μM范围内的没食子酸（GA），而且具有显著的特异性和稳定性。制备的传感器成功应用于现场测定草莓叶片在盐胁迫下的GA含量。制备过程见图2。
加州大学伯克利分校AliMoin等人报道了一种基于丝网印刷共形电极阵列的可穿戴表面肌电描记生物传感系统（见图3），该系统具有传感器内自适应学习能力。系统实现了一种神经启发的局部高维计算算法，用于实时的手势分类，以及在不同的条件下（如不同的手臂位置和传感器替换）进行模型训练和更新。该系统可以对两名参与者进行13种手势的分类，准确率为97.12%。在扩展到21个手势时（包括竖起大拇指），保持了较高的准确率（92.87%），并且在不需要在外部设备上进行额外计算的情况下，通过实现模型更新来响应变化的条件，准确率恢复了9.5%[18]。
2.2 柔性交互技术
交互技术主要包括语音交互、体感交互、触觉交互、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）、眼球追踪技术、手势识别技术、语音识别和自然语言处理、触觉反馈技术等。
Kinect传感器在人体跟踪、人体动作识别、手势识别等方面得到了广泛的应用，但实时手势识别仍然是一个具有挑战性的问题。苏州大学轨道交通学院团队[19]提出了一种以手指为重点的多尺度描述器，使用Kinect传感器作为输入设备，从RGB-D数据中检测手的形状。使用Kinect windows SDK的手部跟踪功能定位手部位置。然后，在一定间隔内对深度图像进行阈值分割，得到手部区域（见图4）。
Yu[20]联合黄永刚院士研究团队开发了一种无线、无电池的触觉制动器（见图5），其中电子系统平台和触觉界面能够轻柔地层压在皮肤的曲面上，通过时空可编程的局部机械振动模式来传递信息，从而实现了将复杂的触摸感融合到VR/AR技术中。这种触觉反馈技术通过无线供电和控制，以及能压层贴合任何类型皮肤的性能，使其具有低耗能、适用性广和安全便捷的特点，比如通过设计优化，触觉致动器的功率仅为1.75mW，在指尖和手上产生明显的感官响应的同时无热效应产生。
2.3 柔性储能技术
柔性储能技术用于存储电能，为柔性电子器件的运行提供能量来源。加州大学圣地亚哥分校的纳米工程师Lu Yin和他的团队研发了一种基于触摸的乳酸生物燃料电池（见图6），利用指尖的高被动排汗率来获取生物能。由手指接触供电，这样的生物能收集过程可以在睡眠中没有运动的情况下连续收集数百毫焦的能量。为了最大限度地收集能量，互补的压电发电机被集成在生物燃料电池下，以进一步收集来自手指按压的机械能。该团队证明，这些微小的能量爆发足以为可穿戴维生素C传感器及其显示器供电[21]。睡觉时指尖产生的小汗珠，含有乳酸能够被酶分解产生的热量，可以为测量葡萄糖、维生素C或其他健康指标的可穿戴传感器提供动力。
上海科技大学的刘巍教授课题组[22]报道了一种通过使用包覆NiCo2O4纳米线阵列的碳布作为基底的柔性高负载锂硫电池，利用层层堆叠的方法，制备了活性物质含量在8.9 mg cm-2的锂硫电池。该电池能实现9.0mAh cm-2的较高初始面容量。使用该基底与30μm的超薄锂箔制备软包电池，在弯曲数十次甚至直接对折后，软包电池仍然能点亮小灯泡（见图7）。
3 智能可穿戴产品现状及发展趋势
3.1 智能可穿戴产品现状
1）健康监测类
日本横滨国立大学Hiroki Ota等人开发了一种可穿戴、轻便且低成本的胆红素计量仪。该计量仪可无创地测量新生儿前额中的胆红素水平，并评估其在新生儿中的功能，还增加了同时测量心率（HR）和血氧饱和度（SpO2）的功能[23]（图8）。
加拿大多伦多大学Liu教授[24]研发了一种具有高韧性、高伸长性、优异的环境稳定性、优异的抗冻能力和较强表面粘附性的新型具有应变传感功能的水凝胶基离子皮肤（iSkin）（见图9）。通过添加生物相容性低温保护剂和电解质，iSkin在较宽的相对湿度（15%~90%）和温度（-95℃~+25℃）范围内具有良好的导电性。在穿着冬季服装的情况下，在10.6℃下可监测手臂的弯曲释放运动，可设计智能冬季服装与iSkin应变传感器用于极端环境应用。
2）安全防护类
武汉纺织大学团队[25]以芳纶纳米纤维（ANFs）、聚乙二醇（PEG）、Fe3O4 NWs和聚苯胺（PANI）为原料，通过冷冻干燥和原位化学聚合法制备了轻质、高防火安全性智能热防护复合气凝胶（APFP）。APFP在高温下具有高效的热缓冲性能，潜热为162.5J/g。此外，APFP在火中暴露10s后可在1.5s内自行熄灭。图10为APFP用于消防服火灾报警工作机理说明。
青岛大学青岛癌症研究所山东省生态纺织品研究中心[26]利用微流控浸涂法，以氧化石墨烯（GO）作为中间层，阻燃海藻酸钠（SA）为最外层，制备了具有燃烧响应性能的同轴夹层结构聚酰亚胺（PI）基纱线。得到的氧化石墨烯/SA@PI纱线具有良好的燃烧反应，反应时间为1s，预警持续时间为120s。图11为GO/SA@PI电子纺织品，报警器和按钮电池及其电路图。
3）运动辅助类
新加坡国立大学生物医学工程系[27]提出了一种四自由度上肢外骨骼（包括肩部的三个自由度和肘部的一个自由度）。通过分析设计GC系统、开发外骨骼的力学结构和数值计算验证理论上完美的准静态GC后，制作了原型机（见图12）。该外骨骼具有理论上完善的重力补偿（GC）系统，配合拟人化结构，紧凑和可调节的GC系统被安置在外骨骼的连杆中，减少了肢体运动范围的限制，并促进了主动系统执行器的集成。实验结果也证明GC外骨骼的有效性。
澳门大学应用物理及材料工程研究院助理教授孙国星、深圳大学材料学院特聘教授陈光明、助理教授刘卓鑫以及南昆士兰大学教授陈志刚[28]采用聚丙烯酰胺/酸化单壁碳纳米管（PAAm/a-SWCNT）复合水凝胶和氯化锡（IV）/锡（II）氯化物（Sn4+/Sn2+）为原料，组装成准固态TEC产品（见图13），并基于其灵敏的应变传感和有效的温差发电特性，研发了自供能的应变传感体系，可实时、高灵敏度地监测人体各种运动，极大地扩展了准固态TEC作为新型可自供能电源在柔性和可穿戴电子产品领域的适用性。
3.2 智能可穿戴产品发展趋势
智能可穿戴产品关键技术攻关和核心竞争力的提高，为可穿戴设备市场注入了新动力，款式结构设计、技术创新、电活性材料和多学科交叉的协同起到了重要的作用。理念、技术、功能和舒适性的开放式结合是智能可穿戴产品及技术创新和迭代的加速剂。在不久的将来，可穿戴产品将以人机交互为基础，将智能穿戴核心技术与5G技术、图像技术、人工智能、可视化等技术融合，呈现出更加个性化、智能化的发展趋势。
4 智能可穿戴产品评价方法研究
4.1 可穿戴产品安全性评价及研究
智能可穿戴产品的安全性可通过穿戴设备安全性、数据处理终端应用软件安全性、后端计算与服务系统安全性、无线通信安全性以及用户数据保护安全性５个方面进行分级评价[29]（见图14）。
山东省医疗器械和药品包装检验研究院[30]提出智能可穿戴产品安全性评价要着重考虑保护装置、电池、运行参数、静载强度、网络安全及环境适应性等因素。
4.2 可穿戴产品耐久性评价及研究
耐久性用于评价可穿戴产品的使用寿命。青岛大学智能可穿戴技术研究中心[31]采用传统的纺织包芯纱与机织工艺制备了一种双感知智能纺织品（见图15）。
集成的双感知智能织物可以通过压阻和电容原理实时监测触觉和张力刺激。该集成系统对大范围变形（检测范围约90%）和重击（高达约110 kPa）具有良好的传感响应，良好的耐久性（约100000次拉伸和压缩循环），透湿性和透气性。
4.3 可穿戴产品服用性评价及研究
可穿戴产品的耐久性研究主要通过试样的物理性能，如压缩、弯曲、拉伸等基本力学性能及尺寸稳定性与其服用柔性的内在关联特性，建立服用柔性指数，用来定量评价智能可穿戴产品的服用柔性。
4.4 可穿戴产品可靠性评价及研究
目前，国内外有关智能可穿戴产品的可靠性研究较为空白，也是当前研究的难点。主要以测试的最终数据与医用仪器测试结果进行比较或通过专家鉴定判断，但测试的最终数据会因个体差异、信号传感稳定性不好而不精准。上海工程技术大学[32]基于弹性力学理论，梳理现阶段智能可穿戴评价模型，结合数值模拟法进行多物理场耦合，为提高可穿戴智能服装可靠性评价奠定了基础。
5 结论
1）由于电子信息、连续柔性传感、语音智能交互、手势交互、曲面柔性显示、增强现实和5G等新型智能技术的创新研究趋势增强，具有轻柔、便携、灵活及易操作的个性化、智能化产品将不断呈现，在市场竞争更加激烈的同时也为消费者带来更丰富的产品选择。
2）智能可穿戴产品评价方法研究对未来可穿戴设备的发展方向和标准统一具有重要的规范引领作用，也是其开发和研制的依据。通过梳理现有可穿戴产品的技术形态与技术规范，研究可穿戴产品的现状与发展，有助于初步探讨适应可穿戴产品市场需求的标准体系，为进一步理顺产业链上各环节及其上下游关系，为国家制定产业政策提供参考，同时为普通用户、软件开发者、设备制造商和政策制定者提供标准化帮助。
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编辑丨董雅琪
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