电子纺织技术的原理与未来市场导向和面临的挑战

当提到可穿戴设备时，大多数人会想到戴在手腕上的智能手表、健身监视器和心率监测器等。然而，可穿戴设备市场已经远远超越了这些标准设备，在多个不同领域的新兴市场已经暂露头脚。能够提供医疗保健功能的智能服装便是众多新型市场中的一个，它是将电子产品编织到衬衫、毛毯、绷带、针织帽或裤子中，以此来执行特定的护理功能。

智能服装也可以被称作电子纺织品，目前正处于发展的初级阶段，在医院和其他护理机构的实际应用非常少。然而，这项技术的潜力是巨大的，许多医疗机构和医疗设备制造商都在积极寻找智能服装的试点项目，并研究最新的电子纺织技术。实际上，智能服装在医疗保健领域有着这样的期望——在未来5年里，它将颠覆整个行业。

“总体而言，医疗行业正经历着自身的危机，尤其是在美国和英国。”市场研究公司Tractica的研究主管Aditya Kaul说，“因此，目前的重点应该是解决医疗保健的本身，而不是像智能服装这样的技术。我们看到，在未来三到四年，智能衣服市场增长缓慢，但那之后，将会有一个光明而增长迅速的市场。” Tractica预测，到2021年，医疗保健市场智能服装市值将从现在的240万美元增长到12亿美元，其中最强劲的增长将出现在2019 - 2021年。

电子纺织技术和工作原理

智能服装被看作是医疗保健的一场革新，人们希望利用它来监测健康或帮助治疗，从而减少对昂贵的医疗设备和医疗系统的依赖。智能化的服装能够追踪慢性疾病，可以让病人在住院治疗期间变得更舒服，这可以帮助日益老龄化的人们，因此，这被视为一种可以创造价值、提高健康洞察力和降低成本的新方法。

电子纺织品不仅穿起来让皮肤感觉舒适，而且具有一定的功能型，他们由传统的纤维织物和导电纤维编织而成，并且集成了生物医学传感器、微控制器、光纤和可穿戴天线等电子元件，如贸泽电子的物联网模块。

AD公司的AD8232/33心率监测模块就是一个可以在电子纺织品里面使用的例子，该模块可以用于监测心率和测量其他的生理指标，在有噪声条件的环境下，提取、放大和过滤小生物信号。Intel 的Edison开发平台为科学家，企业家和设计师提供了物联网、可穿戴产品的原型设计解决方案。它不仅是一个系统模块的解决方案，更包含了可穿戴天线。

一般情况下，电子纺织品是由典型的桌面缝纫机制造出来的，这种缝纫机在电脑程序的控制下将线绣在图案上。对于银、镍、碳、铜、铝和不锈钢等金属纤维，他们的手感和传统的线相似，也可以拿来使用。贸泽电子的Adafruit可穿戴电子平台可以用在任何可穿戴项目中，它功能齐全、圆形设计、体积小、可以缝合，并且兼容Arduino。

根据导电纤维的编织方式，并考虑到智能服装中电子产品的安装，电子纺织品可以像普通衣服一样进行水洗。但很多时候，面料的耐用性仍然是一个持续存在的问题，但考虑到很多研究人员和公司都为解决这个问题而努力，相信这个问题很快就会得到解决。

智能服装的市场导向和挑战

目前，智能服装已经成功商业化的例子非常少。其中一个原因便是，医疗领域的公司不愿意投资这种研究项目，他们大部分采取了观望的态度。企业和制造商更愿意把市场转向健康和体育领域，因为在这个领域，即使失败所付出的代价也很小。

然而，在世界上的很多地区，糖尿病、心脏病、癌症、呼吸道疾病等慢行疾病呈上升趋势。在欧洲和美国等地，人们的寿命越来越长，接收手术的数量也越来越多。智能服装的发展会带动新型电子产品的发展和医疗技术的进步。在一些临床试验中，智能服装已经显示出抵御传染病的作用，而且能够感知穿戴者的健康状况，并帮助预防、治疗和管理健康。

Luciano Boesel是瑞士研究机构Empa适应性纺织品和水凝胶（图1）小组的负责人，他说:“在医疗护理方面，尤其是电子纺织品方面，会有很多机会。普通家庭长期被疾病困扰的病人对疾病监测的需求，会促进该领域的快速的发展。在未来五年的时间里，我相信在医疗领域会有更多的创新纺织品解决方案。”

图1:为防止褥疮并监测心率而将光纤集成到毯子或衬衫中，这是Empa研究人员正在研究的。

Boesel承认电子纺织品还面临着很多需要解决的问题，包括可靠性、责任和认证等方面。监管部门的审批流程给制造商和研究人员带来了麻烦，因为FDA的审批可能需要持续很多年。此外，获得保险公司的批准和认证也是一个障碍。因此，对于目前已经进入智能服装行业的企业来说，需要三到五年才能取得成果。许多专家认为，这一行业的拐点将在2020年时候出现。

当前问题的解决

James Hayward是市场研究公司IDTechEx的技术分析师，他认为，如果对于技术能够获得更多金融或经济上的好处，那么智能服装就更有可能被供应商所采用。

Hayward说：“将床单或床垫这样的电子纺织品与压力传感器集成在一起，可以感知病人在上面的移动，这可以用来预防病人的褥疮，目前这个项目已经引起了很多公司的兴趣。在以前，解决褥疮、尿失禁等花费了医院和护理机构的大量的时间和金钱，如果将湿度传感器集成到智能服装中，用来监视病人的排尿，可以轻松的解决这个问题，这是一个很有投资价值的项目。”

“如果电子纺织品继续被证明是成功的，那么在被大众所接受后，它将成为一种高端奢侈品” Hayward说，“这些事情需要时间的，而伴随着典型的医疗设备的引进时间的下降，我预计在未来5年最多10年内将会看到这一切，我认为它会逐渐进入医疗行业。”

服装+正在与Jabil合作，批量生产满足FDA要求的医疗等级传感器。生物阻抗背心是众多传感器中的一种，它通过测量肺部的水分积聚，来表明心脏状况，这可以帮助病人在住院前，在家里对病情进行实时监测，节省时间和金钱；胸带也是一种生物传感器，它可以通过测量肺部的形状来分析肺的性能；光治疗毯可以用来治疗婴儿的黄疸，这样患有黄疸的孩子可以被父母或亲人抱着进行治疗，而不必向过去一样，把孩子放到光疗法的仪器中。

Edema ApS正在开发一种可清洗的袜子，这种袜子可以通过测量患者腿部体积的变化来确定其是否患有水肿(图2)。目前该袜子还没有为患者所使用，但已经进入了准备进行临床试验和验证的环节。未来该长袜还将具备更多的功能，如用来监测充血性心力衰竭、先兆子痫、高血压、水肿和尿蛋白等病症。

图2 耐磨,耐洗的袜子,它可以用于监测病人腿部的水肿情况，目前正准备进入临床试验和验证阶段。

“袜子不仅可洗，而且经久耐用，适合家庭使用，这是这个项目的主打概念。袜子能够一直监测着腿部变化，以避免由于长时间问题旅行所造成的腿部水肿”，Edema的CEO说。长袜可以与智能手机中的APP连接，在APP里面用户可以根据运动情况进行自我调节，以确定是否需要调整或重新定位，甚至进行医治。

Hexoskin是一家可穿戴服装供应商，他们的一直致力于生理指标的监测产品，产品包含了为运动和健身市场而开发的智能服装，也包含了心脏病、呼吸、神经病学、精神障碍和儿科学等医疗保健领域的电子纺织品。目前，Hexoskin正在进行长期远程监测的临床试验，传感器被编织到智能衬衫中，用来进行心脏的心电图监测、肺功能监测和活动监测。

学术引领方向

在电子纺织品的医疗市场中，大学里面对该领域的研究为市场的发展带来了希望。

芬兰的VTT技术研究中心正在开发一项有趣的项目，研究人员发明了一种智能织物，它可以用在衣服或毯子中，用它做成的衣服或毯子可以根据人体的体温和环境的温度来判定病人所处的环境是否舒适。这样的衣服也可以给外科医生所使用，在手术过程中，衣服的温度可以根据人体温度进行动态调节，使整个手术过程中不会觉得太热。

VTT公司的首席科学家Pekka Tuomaala说:“当医院的病人被问及他们最不愉快的经历时，最常见的答案是感到冷，而疼痛只是排在第二的。”

俄亥俄州立大学电子科学实验室正在对功能性电子纺织品进行研究。他们把电子织物做成一个类似帽子的东西，这种帽子可以通过织物天线（如Intel Edison开发平台）来收集、存储和传输数据，通过分析数据可以帮助判断或治疗癫痫。研究人员也在正研究智能绷带，以告诉医生皮下组织是否已经痊愈。

图3:俄亥俄州立大学正在致力于将天线和电路集成到服装中，以用于未来的医疗保健监测和治疗。

“我们的目标是让产品理解我们的想法。想象一下，如果我们能让我们的大脑再生，要做到这一点，我们需要了解大脑，并了解有多少神经元是在一起工作的”，俄亥俄州立大学电子科学实验室主任John Volakis说。“这些智能的衣服可以让癫痫病人在发作前坐下来，或者让他帕金森病人体内的细胞激活或停用。”

同时,布里斯托尔大学正在从事柔性机器人服装的研究，这种服装可以帮助易跌倒的人群避免跌倒，当他们站立或行走时，服装可以给予他们仿生力量(图4)。智能服装涉及纳米科学、3D制作、电刺激以及全身监测技术。研究人员认为，这项技术最终可能会让轮椅上的人们站起来。

图4:布里斯托尔大学的研究人员正在努力将柔性机器人融入服装，以帮助那些容易跌倒的人们。

“人们现在所使用的许多设备会引起流动问题，比如会引起或加重血液循环不良、皮肤损伤或压力敏感性下降，每一项都影响健康”，布里斯托尔大学机器人工程学系教授Jonathan Rossiter博士说“可穿戴柔性机器人技术将有潜力改善这些问题，同时也降低医疗成本。”

瑞士的Empa研究中心正在将光纤集成到电子纺织品中，用来监测皮肤的血液循环，防止褥疮的发生。他们还创造了一种可以用来测量心率的帽子。这些智能服装可以被洗涤，它们将成为医院的理想用品。

研究人员认为，这种技术最终将可以用来测量氧含量的饱和度，组织压力或呼吸速率。电子纺织品也可以转化为化学或生物传感器，如Maxim将他们用来分析体液或蒸汽所。Maxim的超低功率和安全评估开发板是基于Maxim的ARM Cortex-M超低功耗MCU的。ARM Cortex-M4F系列MCU是穿戴式医疗和健康项目的理想选择，因为它们的架构具有超低功率、高效率的信号处理功能，并且简单易用。MAX30102脉搏血氧计和心率传感器是一种集成的脉搏血氧仪和心率监测模块，它包括内部发光二极管、光电探测器、光学元件和低噪音的电子器件。

智能服装的未来

学术研究机构正在努力的发展智能服装，并正在致力于商业化，高科技面料以及微电子技术的进步，正在为与健康相关的电子纺织品提供更多的发展机会。

目前，很多想法已经着手进行试点，比如用于缓解慢性背痛的T恤、用来监测慢性肺部疾病患者呼吸速率的衬衫、用于监测孕妇子宫收缩和胎儿心率的腹带、供糖尿病患者使用的压力监测袜子以及为严重心脏病患者提供的带有电击功能的衬衫。

一些专家认为，在医院里，智能衣服将有望完全取代用于追踪心率、血压和氧气含量的床边监测设备。

最近，在智能服装中整合手势识别的想法已经引起了Google – Levi项目组的兴趣，他们为自行车骑行者提供了具有手势识别功能的夹克。许多专家认为手势识别能够在智能服装领域找到它的一席之地，这项技术可以供截瘫患者使用，也可以为患有中风或心脏病的老人或者躺在病床上的老年人使用。在未来的五年里，这些价格低廉、技术成熟的产品将很难被超越。

触觉反馈或在用户界面中使用触摸感知，这在电子纺织品中有将很大的前景，因为它可以很容易小型化，不需要移动机械部件。触觉反馈将被用于电动肌肉刺激(EMS)，它可以感知病人肌肉所产生的从小到大的力量。有触觉反馈技术的智能衣服可以在任何时候，用在身体的任何部位，用来刺激肌肉运动或康复。很多涉及触觉反馈的智能服装项目，都在研发过程中，比如Novasentis，预计将于今年晚些的时候发布。