電子紡織技術(shù)的原理與未來市場導(dǎo)向和面臨的挑戰(zhàn)

當提到可穿戴設(shè)備時，大多數(shù)人會想到戴在手腕上的智能手表、健身監(jiān)視器和心率監(jiān)測器等。然而，可穿戴設(shè)備市場已經(jīng)遠遠超越了這些標準設(shè)備，在多個不同領(lǐng)域的新興市場已經(jīng)暫露頭腳。能夠提供醫(yī)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(chǎn)品編織到襯衫、毛毯、繃帶、針織帽或褲子中，以此來執(zhí)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(fā)展的初級階段，在醫(yī)院和其他護理機構(gòu)的實際應(yīng)用非常少。然而，這項技術(shù)的潛力是巨大的，許多醫(yī)療機構(gòu)和醫(yī)療設(shè)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(shù)。實際上，智能服裝在醫(yī)療保健領(lǐng)域有著這樣的期望——在未來5年里，它將顛覆整個行業(yè)。

“總體而言，醫(yī)療行業(yè)正經(jīng)歷著自身的危機，尤其是在美國和英國。”市場研究公司Tractica的研究主管Aditya Kaul說，“因此，目前的重點應(yīng)該是解決醫(yī)療保健的本身，而不是像智能服裝這樣的技術(shù)。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(yù)測，到2021年，醫(yī)療保健市場智能服裝市值將從現(xiàn)在的240萬美元增長到12億美元，其中最強勁的增長將出現(xiàn)在2019 - 2021年。

電子紡織技術(shù)和工作原理

智能服裝被看作是醫(yī)療保健的一場革新，人們希望利用它來監(jiān)測健康或幫助治療，從而減少對昂貴的醫(yī)療設(shè)備和醫(yī)療系統(tǒng)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(chuàng)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(tǒng)的纖維織物和導(dǎo)電纖維編織而成，并且集成了生物醫(yī)學(xué)傳感器、微控制器、光纖和可穿戴天線等電子元件，如貿(mào)澤電子的物聯(lián)網(wǎng)模塊。

AD公司的AD8232/33心率監(jiān)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(jiān)測心率和測量其他的生理指標，在有噪聲條件的環(huán)境下，提取、放大和過濾小生物信號。Intel 的Edison開發(fā)平臺為科學(xué)家，企業(yè)家和設(shè)計師提供了物聯(lián)網(wǎng)、可穿戴產(chǎn)品的原型設(shè)計解決方案。它不僅是一個系統(tǒng)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(tǒng)的線相似，也可以拿來使用。貿(mào)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(shè)計、體積小、可以縫合，并且兼容Arduino。

根據(jù)導(dǎo)電纖維的編織方式，并考慮到智能服裝中電子產(chǎn)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(xù)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(dǎo)向和挑戰(zhàn)

目前，智能服裝已經(jīng)成功商業(yè)化的例子非常少。其中一個原因便是，醫(yī)療領(lǐng)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(tài)度。企業(yè)和制造商更愿意把市場轉(zhuǎn)向健康和體育領(lǐng)域，因為在這個領(lǐng)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(qū)，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(shù)的數(shù)量也越來越多。智能服裝的發(fā)展會帶動新型電子產(chǎn)品的發(fā)展和醫(yī)療技術(shù)的進步。在一些臨床試驗中，智能服裝已經(jīng)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(yù)防、治療和管理健康。

Luciano Boesel是瑞士研究機構(gòu)Empa適應(yīng)性紡織品和水凝膠（圖1）小組的負責(zé)人，他說:“在醫(yī)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(jiān)測的需求，會促進該領(lǐng)域的快速的發(fā)展。在未來五年的時間里，我相信在醫(yī)療領(lǐng)域會有更多的創(chuàng)新紡織品解決方案?！?/p>

圖1:為防止褥瘡并監(jiān)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(zé)任和認證等方面。監(jiān)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(xù)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(jīng)進入智能服裝行業(yè)的企業(yè)來說，需要三到五年才能取得成果。許多專家認為，這一行業(yè)的拐點將在2020年時候出現(xiàn)。

當前問題的解決

James Hayward是市場研究公司IDTechEx的技術(shù)分析師，他認為，如果對于技術(shù)能夠獲得更多金融或經(jīng)濟上的好處，那么智能服裝就更有可能被供應(yīng)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(yù)防病人的褥瘡，目前這個項目已經(jīng)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(yī)院和護理機構(gòu)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(jiān)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(xù)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(yī)療設(shè)備的引進時間的下降，我預(yù)計在未來5年最多10年內(nèi)將會看到這一切，我認為它會逐漸進入醫(yī)療行業(yè)。”

服裝+正在與Jabil合作，批量生產(chǎn)滿足FDA要求的醫(yī)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(jiān)測，節(jié)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(fā)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(jīng)進入了準備進行臨床試驗和驗證的環(huán)節(jié)。未來該長襪還將具備更多的功能，如用來監(jiān)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(jiān)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(jīng)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(jiān)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(jù)運動情況進行自我調(diào)節(jié)，以確定是否需要調(diào)整或重新定位，甚至進行醫(yī)治。

Hexoskin是一家可穿戴服裝供應(yīng)商，他們的一直致力于生理指標的監(jiān)測產(chǎn)品，產(chǎn)品包含了為運動和健身市場而開發(fā)的智能服裝，也包含了心臟病、呼吸、神經(jīng)病學(xué)、精神障礙和兒科學(xué)等醫(yī)療保健領(lǐng)域的電子紡織品。目前，Hexoskin正在進行長期遠程監(jiān)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(jiān)測、肺功能監(jiān)測和活動監(jiān)測。

學(xué)術(shù)引領(lǐng)方向

在電子紡織品的醫(yī)療市場中，大學(xué)里面對該領(lǐng)域的研究為市場的發(fā)展帶來了希望。

芬蘭的VTT技術(shù)研究中心正在開發(fā)一項有趣的項目，研究人員發(fā)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(jù)人體的體溫和環(huán)境的溫度來判定病人所處的環(huán)境是否舒適。這樣的衣服也可以給外科醫(yī)生所使用，在手術(shù)過程中，衣服的溫度可以根據(jù)人體溫度進行動態(tài)調(diào)節(jié)，使整個手術(shù)過程中不會覺得太熱。

VTT公司的首席科學(xué)家Pekka Tuomaala說:“當醫(yī)院的病人被問及他們最不愉快的經(jīng)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(xué)電子科學(xué)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(fā)平臺）來收集、存儲和傳輸數(shù)據(jù)，通過分析數(shù)據(jù)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(yī)生皮下組織是否已經(jīng)痊愈。

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

“我們的目標是讓產(chǎn)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(jīng)元是在一起工作的”，俄亥俄州立大學(xué)電子科學(xué)實驗室主任John Volakis說?！斑@些智能的衣服可以讓癲癇病人在發(fā)作前坐下來，或者讓他帕金森病人體內(nèi)的細胞激活或停用?！?/p>

同時,布里斯托爾大學(xué)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(xué)、3D制作、電刺激以及全身監(jiān)測技術(shù)。研究人員認為，這項技術(shù)最終可能會讓輪椅上的人們站起來。

圖4:布里斯托爾大學(xué)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(xiàn)在所使用的許多設(shè)備會引起流動問題，比如會引起或加重血液循環(huán)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(xué)機器人工程學(xué)系教授Jonathan Rossiter博士說“可穿戴柔性機器人技術(shù)將有潛力改善這些問題，同時也降低醫(yī)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(jiān)測皮膚的血液循環(huán)，防止褥瘡的發(fā)生。他們還創(chuàng)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(yī)院的理想用品。

研究人員認為，這種技術(shù)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(zhuǎn)化為化學(xué)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(fā)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(yī)療和健康項目的理想選擇，因為它們的架構(gòu)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(jiān)測模塊，它包括內(nèi)部發(fā)光二極管、光電探測器、光學(xué)元件和低噪音的電子器件。

智能服裝的未來

學(xué)術(shù)研究機構(gòu)正在努力的發(fā)展智能服裝，并正在致力于商業(yè)化，高科技面料以及微電子技術(shù)的進步，正在為與健康相關(guān)的電子紡織品提供更多的發(fā)展機會。

目前，很多想法已經(jīng)著手進行試點，比如用于緩解慢性背痛的T恤、用來監(jiān)測慢性肺部疾病患者呼吸速率的襯衫、用于監(jiān)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(jiān)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(yī)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(jiān)測設(shè)備。

最近，在智能服裝中整合手勢識別的想法已經(jīng)引起了Google – Levi項目組的興趣，他們?yōu)樽孕熊囼T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(lǐng)域找到它的一席之地，這項技術(shù)可以供截癱患者使用，也可以為患有中風(fēng)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(shù)成熟的產(chǎn)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(chǎn)生的從小到大的力量。有觸覺反饋技術(shù)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(fù)。很多涉及觸覺反饋的智能服裝項目，都在研發(fā)過程中，比如Novasentis，預(yù)計將于今年晚些的時候發(fā)布。