智能纺织品的连接性挑战

Connectivity Challenges in Smart Textiles

Nick Langston, Jr.，TE Connectivity公司

随着物联网 (IoT) 的兴起和蓬勃发展，其技术的应用愈加广泛：从智能家居、联网汽车再到智能工厂。低成本传感器和无线连接催生出无数新产品和服务，而在所有的新兴市场中，智能纺织品以极为深刻的方式影响着最为广泛的人群。联网汽车能够通过自主驾驶使通勤更为高效；智能家居可以显著提高能源效率，开创利用资源和时间的新途径；智能工厂打造出更快、更高效、更安全的工作环境，从而生产出更先进的产品，稳步降低成本；而智能纺织品则使我们能够测量、分析并记录自己的生活轨迹。

我们为什么需要智能纺织品？

物联网和“智能”产品可在无需人工干预的情况下，采集数据并传输到云端。其中，纺织品是整合生物识别传感器的绝佳媒介。因为柔性印刷电子元件的进步推动了新型导线的广泛普及，非常适合像纺织品这样有弹性、可拉伸的基材。如果你希望有更多机会去了解自己和自身的生理特征，纺织品就是最完美的平台。我们不仅每天大部分时间都会接触纺织品，实际上，人们几乎一生都离不开纺织品。与其他渠道相比，纺织品能够以一种不易被察觉的方式对心率、呼吸、肌肉活动甚至是温度和运动轨迹进行感应。

标准

可穿戴设备的标准有待完善。虽然蓝牙、Wi-Fi、Zigbee和USB等标准通信协议已实现成本极低的元件和日益小型化的解决方案，但是产品及其目标，也就是我们之间的连接和感应仍然存在多种可能的发展道路。比如，虽然目前许多智能手环和智能手表通过光电容积描记技术来测量心率，但尚没有任何标准就这种测量进行认证。每个设备制造商测量步行轨迹和运动反应的方式也都有所不同。

如果可穿戴设备的标准化尚且如此混乱，智能纺织品的问题则更加严重。虽然现在几乎每件智能衣物都可以通过心电图提供心率监测，但是所有的传感器并没有统一标准。此外，我们所讨论的往往是一件运动服，而不是一个硬件，服装行业的标准与电子和软件行业的标准并不相同。

连接器

当人们提到“可穿戴设备”，很可能会想到Jawbone Up、Fitbit Charge这样的智能手环，甚至是Apple Watch。这些产品都采用专有外部连接器，主要用于对设备的电池进行充电。手机使用者喜欢随身携带充电线以便在车内或在咖啡厅给手机充电。然而，人们对于可穿戴设备会有不同的期望，因为过去从来没有人给穿戴的衣物充电。

通常，在为特定应用或产品设计连接器时，可用的空间会带来种种限制。即在设备的一个特定区域，我们仅有一定的空间可供使用。基于USB这样的标准，我们可以知道插头或插座大概有多少空间可以使用。连接器在设备内安装或密封的方式有多种选择，其大部分设计工作通常正是由这些细节构成。然而可穿戴设备和智能纺织品颠覆了这种模式。

智能纺织品通常依赖与电子元件的连接，而非与电子元件进行整合。虽然LED在纺织品中的应用已有一段时间，但这仅仅是少数经过直接整合的电子元件之一。在纺织品中使用导电元件用于传输或感应，同时将分立电子元件安装在板外（纺织品外）的方式更为常见。大部分导线采用银线，其导电率取决于线的种类，但电阻一般约为每英尺80欧姆。此外导电聚合物和导电胶也开始得到广泛应用，并具有与导线接近的导电率。在某些情况下，细铜线被用作传感器，以测量尺寸、形状、膨胀或收缩的变化。在极少数情况下，也可能需要通过铜线提供电力。对于不同的导线，连接器的主要要求并不是电气要求，而是物理性能方面的要求。尽管不同智能纺织品的应用要求可能存在很大区别，但几乎所有开发人员都认为，连接应当具备隐蔽、柔软、可水洗的特性。

隐蔽性

谈到纺织品连接器的隐蔽性，我们的重点在于设计出具备隐蔽性的解决方案。由于许多智能纺织品都是连衣裙、长袖衫、短裤这样的服装，所以我们在设计产品时需要仔细考虑用户的需求。没有人希望自己的长袖衫带着一个又大又笨重的连接器——尤其对于紧身运动衫而言。目前，许多智能纺织品采用按扣（参见图1）作为连接器。

图1. 按扣和部件。

这些按扣实现了导线和电子单元之间的稳固连接，并且纺织品和服装生产企业对其非常熟悉，无需专门的培训或工具。然而，它们仅有一个接触点。如果需要多个或高频连接，这种解决方案很快就会变得不实用。

柔韧性

在电子产品中，我们习惯使用硬质元件：印刷电路板、半导体、显示器、通过回流焊接在电路板上的所有类型的元件。无论是手机、平板电脑还是机架式服务器通常都安装在坚硬外壳内。而智能纺织品的情况有所不同：它的一切都是柔软且富有弹性的。因此，原本设计用于连接两个硬环境之间电路的连接器就无法应用于纺织品和电子元件之间的软-硬过渡连接。开发人员一直在寻求一种非常柔软，穿在身上或用于其最终应用时可以随纺织品本身的轮廓而移动的连接器系统。这种连接器不应阻碍纺织品的飘动或悬垂。此外，柔韧性还有第二个含义即适应性。连接器必须保持柔软，但也应该能够满足广泛的纺织品应用。理想的连接器能够以最小的结构进行电力、信号和射频传输，满足隐蔽性的早期需求。

耐洗性

也许耐洗性最难实现。虽然连接器产业发展得非常成熟，能够为高空、深海甚至人体内的应用提供各种类型的连接系统，但面对洗衣机，我们的选择非常有限。连接器在一般的洗涤模式中承受非常剧烈的搅动，因此需要认真考虑如何消除连接器和导线之间的应变。此外，我们希望开发出的连接器不带小孔，否则在洗涤后连接器会有水分或去污剂的残留，影响连接器的成功连接。尽管连接接头的封装可以保护接头，但它会使连接变为永久性，如此，应用更加复杂，而大多数设计师都更倾向于选择临时性、可拆卸的连接。

在成熟产业进行创新

在实现隐蔽性、柔韧性和耐洗性的同时必须确保连接器的易用性。虽然基于柔性电子元件和导电塑料的特种微型连接器的结构非常令人期待，并提供了解决连接问题的新途径，但我们必须记住，服装行业已经拥有非常成熟且完善的供应链。在多数情况下，其制造和组装技术已经几十年没有发生显著变化。如果我们推出的产品需要超出其规范之外的工具或技巧，那么我们也不可能成功。因为无论连接器多么有革新性，没有哪一家服装生产企业会对员工进行焊接技术方面的培训。最重要的是，用于纺织品的连接器也会受到纺织品组装生态系统的限制。激光切割、热压、拼接甚至超声波焊接都提供了连接器组装的可行方法。

应用：智能长袖衫

以智能运动衫为例，让我们来看看这些部件是如何连接到一起的。目前有几家公司正在生产这种款式的运动衫，这类产品受到了很多专业运动员和喜欢尝试新鲜事物的健身爱好者们的青睐。智能运动衫通常是一种弹性贴身的服装，与皮肤紧密接触。位于蒙特利尔的Hexoskin自2006年以来一直为运动员和宇航员生产产品。他们的长袖衫是最先进的智能运动服之一（参见图2）。

图2. Hexoskin智能服装。

如今，所有智能运动衫都能通过心电图对心率进行监测。对于传感器，长袖衫使用导线作为电极，收集心电图数据。如前所述，这些导线具有一定的电阻，但感测心率并不需要很高的导电率。由于无法通过体毛从皮肤上获得良好的信号，当导线和皮肤之间没有足够的汗液来辅助导电性时，这些类型的“干性”传感器可能会出现一些问题。凭借更高的导电性以及能够保持柔韧的螺纹状结构的优势，工程设计师们正在考虑应用基于碳纳米管的导线。无论选择哪个元件作为心电图的导线，其对连接器的要求都基本相同：使用导线进行编织（参见图3），或者织入一个装好的导电聚合物电极和传输线，以建立至少两个电极。

如上所述，传输线大多端接到按扣上。无需经过特殊处理，按扣之间的压力便可以确保与导线充分接触。目前大多数胸带都使用这种按扣作为电子设备的连接点（参见图4）。

                 图3. 导线电极。                     图4. 带按扣的胸带。

但是如果我们将按扣作为连接器则会受到一定的限制。因为必须保持一定数量的接触点，才能实现开发人员期望的小巧外形或“隐蔽性”。从而意味着用于感应、供电的线路将减少，同时，工程设计师们希望添加更多功能、为用户创造更多价值的机会也将受到制约。

Hexoskin与电子元件供应商的生态系统合作，开发出自己的长袖衫连接器，但最终选择自行设计和构建（参见图5）。这样开发出的连接器能够完美契合他们的应用，同时达到可接受的成本目标。他们独有的连接器位于纺织品电缆的末端，这种电缆集成到长袖衫上，使用户能够连接到该电子设备，在运动时方便地将其放入口袋。

图5. Hexoskin的专有连接器。

丹麦企业家Christian Dalsgaard于2004年推出Ohmatex，专门解决他所发现的智能纺织品连接和集成问题。他们已经为纺织品应用开发出一系列连接器，非常适合医疗、军事和航空航天应用，对于这些应用来说，连接器的质量和耐久性最为关键，其次是连接器尺寸（参见图6）。

图6. Ohmatex的纺织品连接器。

作为物联网应用的一个重要体现，智能纺织品已经问世多年，随着消费者对于可穿戴技术的兴趣日益增加，其势头也越发强劲。虽然市场上涌现出许多创新型创业公司，创造出通过软导线实现感应和交互的新服装和其他软性商品，但如何将硬质电子元件与柔软的纺织品连接仍然是一个巨大的挑战。显然，对于那些极具创造力的工程师和设计师们来说，这其中也蕴含着巨大的机遇。因此，只要你觉得可行，就尽管去尝试吧。