“智能紡織品”一詞是一個較為寬泛的、不太明確的概念。智能紡織品最早是日本于1979年提出，其概念真正被人們普遍認(rèn)知則是在20世紀(jì)90年代后期。目前而言，智能紡織品通常是指貫穿紡織、電子、信息、生物、醫(yī)學(xué)、新能源等多學(xué)科綜合技術(shù)，能夠感知人體或環(huán)境信號變化，并通過反饋機(jī)制主動做出響應(yīng)，同時保留傳統(tǒng)紡織品固有風(fēng)格和技術(shù)特征的一類新型紡織品。
智能紡織品的分類方法眾多，并未有統(tǒng)一的分類方法，只能粗淺地分類。一般按照對外界刺激所反應(yīng)的方式，智能紡織品大致可分為“被動”智能紡織品和“主動”智能紡織品。前者指被環(huán)境刺激后能改變其性能的紡織品，如形狀記憶材料、疏水或親水性紡織品等；后者則指裝有傳感器和驅(qū)動器，傳感器和驅(qū)動器能夠?qū)?nèi)部參數(shù)轉(zhuǎn)化為傳遞信息的紡織品。其能夠感知來自環(huán)境的不同信號，例如溫度、光強(qiáng)和污染，從而決定如何對外部信號做出反應(yīng)，且最終使用各種基于織物的、靈活的、微型化的執(zhí)行器對環(huán)境信號做出反饋。
嵌入式電子設(shè)備（電子紡織品）及智能紡織品結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行本地“決策”，將智能紡織品與包含數(shù)據(jù)庫的云、使用人工智能軟件的服務(wù)器等無線連接，可以進(jìn)行遠(yuǎn)程“決策”。
智能紡織品在我們的日常生活中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，涉及健康監(jiān)測、個人防護(hù)、軍事用途、交通能源、娛樂和音樂等領(lǐng)域。
智能材料
內(nèi)涵與定義
近年來，隨著信息、材料及工程科技的發(fā)展，科學(xué)家和工程師從自然界和生物進(jìn)化的學(xué)習(xí)和思考中受到啟發(fā)。人們對比生物和智能系統(tǒng)（表1）可知它們的組成單元、功能結(jié)構(gòu)的情況。
表1 生物體與智能系統(tǒng)的組成單元與功能構(gòu)成功能
正如生物體是通過各種生物材料構(gòu)成一樣，智能系統(tǒng)是通過材料間的有機(jī)復(fù)合或集成來構(gòu)成。科學(xué)實(shí)踐證明，在非生物材料中注入“智能”特性是可以做到的。通過各種具有傳感性能的材料可使各類信息（如力、聲、熱、光、電、磁、化學(xué)信息）互相轉(zhuǎn)換和傳遞。
部分智能材料兼具感知和執(zhí)行功能，如磁致伸縮材料、壓電材料、形狀記憶材料等，這種材料通稱為機(jī)敏材料（smart materials），它們能對環(huán)境變化做出適應(yīng)性反應(yīng)。但材料自身不具備信息處理和反饋機(jī)制，不具備順應(yīng)環(huán)境適應(yīng)性。一般認(rèn)為，機(jī)敏材料是智能材料（intelligent materials）的“低級層次”，是智能材料發(fā)展的“初級階段”。機(jī)敏材料再加上控制功能才能稱為智能材料。
構(gòu)建智能材料的組元材料
智能材料的組元材料可以劃分為傳感材料、信息材料、執(zhí)行材料、自適應(yīng)材料（仿生材料），以及兩種支撐材料——能源材料（用作維持系統(tǒng)工作所需的動力）和結(jié)構(gòu)材料（是支持功能材料的基本材料或構(gòu)件）。幾種常見的基本組元分別為形狀記憶材料、光導(dǎo)纖維、磁致伸縮材料、電流變液、磁流變液、壓電材料以及智能高分子材料。
一般情況下，需要將力輸入執(zhí)行材料后，執(zhí)行材料才能啟動。當(dāng)下，執(zhí)行材料已經(jīng)不僅限于能在不同信息激勵下輸出力或位移，其輸出功能已經(jīng)拓展到數(shù)碼顯示儲存、顏色改變、頻率改變、開關(guān)啟閉等等。這類材料在電子技術(shù)中已獲得廣泛應(yīng)用。
常見的智能材料基本組元
1.形狀記憶材料
形狀記憶材料包括形狀記憶合金、記憶陶瓷以及形狀記憶聚合物（含形狀記憶纖維、形狀記憶聚合物凝膠）。它們在特定溫度下發(fā)生熱彈性（或應(yīng)力誘發(fā)）馬氏體相變或玻璃化轉(zhuǎn)變，能記憶特定的形狀，而且彈性模量、電阻、內(nèi)耗等發(fā)生顯著變化。如NiTi形狀記憶纖維就可應(yīng)用于多種場景。
智能窗簾：如選用鎳鈦纖維編織窗簾面料，當(dāng)溫度達(dá)到50℃時，面料自動做出反應(yīng)，閉攏遮陽。
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時尚設(shè)計(jì)：如在服裝設(shè)計(jì)中集成鎳鈦纖維，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新美學(xué)效果以及舒適體驗(yàn)。當(dāng)外界氣溫偏高時，裙子一邊的下擺會幾秒內(nèi)自動卷起，花朵會自動合攏。
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安全防護(hù)：如通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在防護(hù)服中加入氣窩模塊，低溫時，氣窩面積不會改變；溫度升高，氣窩面積隨之?dāng)U大。此類防護(hù)服可用于保護(hù)消防員，降低在火場被燒傷的風(fēng)險。
吸濕透氣：日本三菱集團(tuán)（Mitsubishi）開發(fā)出了一種具有形狀記憶功能的聚氨酯類新材料Diaplex?，這種膜與外衣面料層壓復(fù)合，具有高拒水性以及隨溫度改變出現(xiàn)的分子微布朗運(yùn)動，吸濕透氣。?
2.光導(dǎo)纖維
光導(dǎo)纖維是利用兩種介質(zhì)面上光的全反射原理制成的光導(dǎo)元件。通過分析光的傳輸特性（光強(qiáng)、位相等），可獲得光纖周圍的力、溫度、位移、壓強(qiáng)，密度、磁場、成分和X射線等參數(shù)的變化，因而廣泛用作傳感元件或智能材料中的“神經(jīng)元”，具有反應(yīng)靈敏、抗干擾能力強(qiáng)和耗能低等特點(diǎn)。
光纖傳感系統(tǒng)已廣泛開發(fā)用于生物醫(yī)學(xué)診斷、食品技術(shù)、軍事和工業(yè)應(yīng)用以及土木工程等多個領(lǐng)域。如將智能光纖傳感器集成到土工織物中，以監(jiān)控高速公路橋梁并將數(shù)據(jù)發(fā)送給養(yǎng)護(hù)機(jī)構(gòu)，從而及時地檢測民用基礎(chǔ)設(shè)施的惡化和過早失效。
圖片來源：馬薩諸塞州大學(xué)洛威爾分校
3.壓電材料
壓電材料包括壓電陶瓷（BaTiO3、Pb（ZrTi）O3、K（Na）NbO3、PbNb2O3等）和壓電高分子等。壓電材料通過電偶極子在電場中的自流排列而改變材料的尺寸，響應(yīng)外加電壓而產(chǎn)生應(yīng)力或應(yīng)變，電和力學(xué)性能之間呈線性關(guān)系，具有響應(yīng)速度快、頻率高和應(yīng)變小等特點(diǎn)。此種材料受到壓力刺激可以產(chǎn)生電信號，可用作傳感器。壓電材料可以是晶體和陶瓷，但它們都比較脆。
高分子壓電材料的機(jī)械強(qiáng)度和對應(yīng)力變化的敏感性優(yōu)于許多其他傳感器，非常適合用作智能結(jié)構(gòu)和設(shè)備中的傳感器和執(zhí)行器。可用于檢測人乳頭瘤、牛痘、登革熱、埃博拉、甲型流感、人類免疫缺陷和乙型肝炎病毒。
（a）壓電生物傳感器的工作原理；（b）檢測期間的電壓與時間關(guān)系；（c）檢測期間的振幅與頻率的關(guān)系。
使用壓電材料進(jìn)行病毒檢測的基本概念
未完待續(xù)
以上文章來源于紡織導(dǎo)報?，作者王佳月
