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產業技術評析

2018年全球智慧型紡織品發展
發表日期:2018-12-05
作者:楊宜蓁(紡織所)
摘要:
智慧型紡織品主要仍由新創之中小企業主導開發,商品開發以「運動健身」為最大應用類別,然至2025年,「醫療照護」應用將超越「運動健身」,成為智慧型紡織品最大應用領域。

全文:

前言
 

智慧型紡織品在過去15年,仍處於開發初期階段,自2010年開始在關鍵技術發展、特定投資基金及關鍵開發業者投入等因素下,推動智慧型紡織品快速興起。根據英國研究機構IDTechEX 2018年預估,至2026年全球智慧型紡織品市場規模將達到22億美元。短中期來看,智慧型紡織品主要仍由新創之中小企業主導開發,商品開發以「運動健身」為最大應用類別,然至2025年,「醫療照護」應用將超越「運動健身」,成為智慧型紡織品最大應用領域。
 

2018年全球智慧型紡織品在上游材料及終端消費市場仍可見市場包括新創公司、及國際知名品牌(Ralph Lauren、Tommy Hilfiger)亦相繼推出智慧型紡織品,應用領域包含運動、醫療及時裝等,可見智慧服裝持續受到各界關注,並推陳出新各式創新商品。
 

智慧型紡織品「醫療照護」應用將超越「運動健身」
 

根據英國研究機構IDTechEX 2018年預估,至2026年全球智慧型紡織品市場規模將達到22億美元。短中期(2018~2022年)來看,智慧型紡織品主要仍由新創之中小企業主導開發(參見圖1),因此規模仍不大,商品開發以「運動健身」為最大應用類別,其他應用包括如「醫療照護」、「居家生活」、「時尚娛樂」、「軍事安全」及其他等。
 

IDTechEX指出,至2025年,「醫療照護」應用將超越「運動健身」,成為智慧型紡織品最大應用領域。主要係因在醫療應用領域驗證觀念的成功、加上需求的驅動,消費者接受度提升,因而擴大應用規模。
 

圖1 2018~2028年全球智慧型紡織品市場發展進程

資料來源:IDTechEX(2018),紡織所ITIS研究團隊整理。
圖1 2018~2028年全球智慧型紡織品市場發展進程。
 

以地區別觀察,北美是2015年收入最高的地區,預計2016年至2022年的複合年增長率將達到27.9%。此外,預計北美將在預測期內保持其主導地位。歐洲和亞太地區分別是智慧型紡織品市場的第二和第三大區域。
 

另,根據市調公司ABI Research報告 Smart Clothing and Textile Manufacturing 預測,智慧型服飾裝置市場出貨量從2017年的500萬件到2022年將達到3,100萬件,複合年均增長率45%。在預測期間內,繼智慧型耳機之後,智慧型服飾將是在穿戴式設備中成長率第二高,但仍是可穿戴設置市場佔有率最低的一個。雖然智慧型服飾尚未達到大眾市場吸引力,但由於運動、健身和健康市場當前高度針對性的消費者應用,該產業正在持續成長。
 

然而,在智慧型服飾大量採用之前,嵌入式感測器背後的技術需要改進。感測器必須能夠承受其他可穿戴材料不會發生的情況,例如身體汗水、洗滌週期和極端溫度變化。供應商必須通過創新製造來解決這個問題,並主動解除消費者對這些問題的擔憂。此外,高製造成本是阻礙該全球智慧型紡織品市場成長的主要因素之一。電子紡織品的價格遠高於普通紡織品,因為這些產品涉及電子元件和技術,如奈米技術和藍芽低功耗(BLE)技術。開發這些產品所需的高研發投資也增加了最終成本。
 

導電材料發展現況
 

為實現智慧型紡織品穿著之舒適性、並兼顧生理訊號擷取的效度與信度,導電材料的發展與應用至為關鍵,目前常見應用於智慧型紡織品之導電材料包括導電聚合物、導電布、導電油墨與薄膜。
 

一、導電紗線
 

常見的智慧紡織以紗或線的方式加入導電元件。金屬纖維可以直接紡絲、填充或是包覆紗線。導電紗線的屬性可藉由各種不同元素與技術例如:銅、不鏽鋼、銀、碳或是金屬鍍膜技術作精密調整以符合各種不同功能與需求。
 

金屬紗線能單獨以傳導線應用(例如用於智慧刺繡、電子刺繡),也可構成梭織或針織品的一部分。每種紗線的特性取決於其不同的原料(金屬和非導電纖維)、粗細和紗線類型。近期國際主要金屬紗線開發業者包括:
 

(一)日本丸紅株式會社 (Marubeni America Corporation)
 

由日本丸紅株式會社開發製造的導電紗線 (Electro-Yarn),以奈米科技將導電絲包裹在紗線中而製作能穩定發電的布料(參見圖2)。
 

圖2 日本丸紅株式會社導電紗線Electro-Yarn

資料來源:Marubeni America Corporation。
圖2 日本丸紅株式會社導電紗線Electro-Yarn。
 

(二)日本AsahiKASEI
 

AsahiKASEI發表最新彈性電線,細的金屬線透過紗線包繞的技術,發展具備類似彈簧彈性伸展結構的線材結構,透過幾何的延展達到電線具備彈性的功效,尤其其通過USB2.0的彈性結構,可傳輸速率可達0~480Mbps,且在可延展40%下依然可以通過USB 2.0 pattern eye測試,強大的功能目前仍在實驗室測試階段,未來在電子服飾與智慧製造相關應用上具備高度的潛力與商機(參見圖3)。
 

圖3 AsahiKASEI彈性電線應用產品

資料來源:紡織所ITIS研究團隊(2018)。
圖3 AsahiKASEI彈性電線應用產品。
 

(三)美國Supreme Corporation
 

位於美國北卡羅萊納州的Supreme Corporation所開發VOLT Apache yarns 絕緣銅芯導電紗線,可混合在紡織品基材中而做成導電布料。
 

二、導電織物
 

當傳導性透過特殊原料引入後,便需要與織物本身結合,結合方式包含梭織、針織、刺繡等,不同的技術在不論物理或電學上皆會產生相當不同的結構類型。梭織方式可織造出大面積的互聯導電材料,可作為各種不同感測器的載體;刺繡則可用於連接於各種獨立電路如感測器或LED顯示器等;針織導電布料可做為可拉伸的感測器,而其導電性會隨著織物形狀的改變而變化。
 

紡織所開發之導電織物帶,係由表面電阻小於20Ω/cm2之導電性紗線組成,導電紗線之結構為導電纖維包繞彈性紗線,導電纖維的成份比例至少50%以上,用以感應人體心電訊號之生理訊息,其可以針織或梭織方法達成,而針織為較佳之方式(參見圖4)。
 

圖4 紡織所開發之導電織物帶

資料來源:紡織所ITIS研究團隊。
圖4 紡織所開發之導電織物帶。
 

另一方面,導電紗線的物理性質(例如剛性、脆性、粗細等)將決定其是否可以直接用於傳統機器。因此,開始有紡織設備廠商業開始投入適合織造智慧型紡織品的專用設備,例如日本和歌山電腦自動橫機領導品牌之一的SHIMA SEIKI,2018年發表針對智慧一織造的MACH2XS 123(參見圖5),標榜立體提花一體織造成形,高密度編織機構與提花控制技術,讓導電纖維可以編織出高密度、高彈性與高相容性的布料手感。其應用包含:(1)將導電迴路與電極一體編織成心跳感測衣與智慧手套;(2)透過在服飾上編織出立體管道機構;(3)透過裝配水管的冷卻背心來展現其精湛的提花能力(參見圖6)。
 

圖5 SHIMA SEIKI MACH2XS 123電腦橫編機

資料來源:紡織所ITIS研究團隊(2018)。
圖5 SHIMA SEIKI MACH2XS 123電腦橫編機。
 

圖6 MACH2XS 123之產品

資料來源:紡織所ITIS研究團隊(2018)。
圖6 MACH2XS 123之產品(左為冷卻背心,右為智能手套)。
 

三、導電油墨與薄膜
 

不僅局限於使用纖維和紗線作為紡織品的一部分,非紡織材料如油墨、紙張和聚合物皆經常用於將顏色和圖像轉印到衣服和其它織物上。
 

2015年全球導電油墨市值約達23億美元,許多廠商已開始引進可使用於紡織品的導電油墨。製造紡織用的油墨時存在許多挑戰,包含附著性、印染的均勻性和連續性、在洗滌下的導電紗的劣化程度、油墨的柔軟度、可拉伸性等。
 

(一)杜邦公司發表可拉伸的導電油墨
 

美國杜邦公司發表最新一代可拉伸電子油墨與薄膜科技,同時宣傳全新品牌─杜邦™ Intexar™智慧服飾科技(DuPont™ Intexer™ Smart Clothing Technology)(參見圖7)。Intexar™ 可將普通布料轉化為主動的、連接的智慧型服飾,用來提供關鍵的生物特徵測量數據,包括心率、呼吸速率、運動體態協調性和肌肉張力,Intexar™ 可匹配標準的成衣製程直接無縫嵌入到布料上,形成一層與布料貼合的薄型線路。搭載Intexar™ 的智慧服飾可耐100次以上的反覆洗滌,經得起反覆拉伸與嚴苛的使用要求,目前已與終端智慧衣成品商合作,如Body+與OMsignal等。
 

圖7 杜邦開發可拉伸之導電油墨可應用於智慧紡織品

資料來源:杜邦官網。
圖7 杜邦開發可拉伸之導電油墨可應用於智慧紡織品。
 

此外,杜邦也開發一種有如織物般觸感的加熱模組Intexar™ HEAT(參見圖8),其不需依賴傳統電線、排線或是大型電池的特色,可在寒冷的環境中經久耐用。不管是戶外運動的愛好者或工程人員,Intexar™ HEAT可以幫助克服惡劣環境並提供舒適性、增加專注並提升效能。杜邦已與臺灣福懋興業合作,其開發產品在2018年2月德國慕尼黑體育用品博覽會的福懋攤位中首次亮相。
 

圖8 杜邦開發如織物般觸感的加熱模組

資料來源:杜邦官網。
圖8 杜邦開發如織物般觸感的加熱模組。
 

(二)Toyobo開發具拉伸性的智慧感測素材CocomiTM
 

Toyobo於2015年8月發表可量測生理訊號的導電漿料COCOMITM,其為具導電功能的膜狀材料(Film-like material),應用於智慧服飾可隨服裝彈性伸展(參見圖9),可與身體舒適地接觸並提高感測生理訊號的準確度。該材料具有以下特點:(1) 2 倍伸長量、(2)僅300μm 厚度、(3)導電層的導電性強以及(4) 通過熱壓接可輕鬆貼在布料上等。將這種材料用到衣服上時,由於很薄、電極與佈線的連接部分沒有落差,而且伸縮性強、能追隨身體的動作等特點,能夠實現接近普通衣物的自然穿著感。另外,據東洋紡介紹, 人類皮膟的最大伸展率為1.7 倍,而這種材料為2.0 倍,超過了人類皮膚。
 

圖9 Toyobo開發具拉伸性的智慧感測素材CocomiTM

資料來源:Toyobo官網。
圖9 Toyobo開發具拉伸性的智慧感測素材CocomiTM
 

Toyobo積極活用此款薄膜狀導電素材開發,除了已將睡眠感測系統電極置入服裝,與巴士公司共同進行實測實驗,可望應用於駕駛安全偵測技術;同時,除了提升職場安全性之外,近期Toyobo更與日本東北大學合作,共同研究產後憂鬱偵測智慧衣開發(參見圖10)。其認為,基於心率量測的自主神經系統資訊,將可成為客觀評估壓力和憂鬱狀態的有效方法。藉由早期檢測,可望追蹤發生產後憂鬱的可能性甚至事先預測以防範。
 

圖10 Toyobo開發可預測婦女產後憂鬱智慧衣

資料來源:Toyobo官網。
圖10 Toyobo開發可預測婦女產後憂鬱智慧衣。
 

2018年全球智慧型紡織品開發
 

1.Wearable X新創公司開發可監測姿勢的Nadi X瑜珈褲
 

位於雪梨的新創公司Wearable X開發的Nadi X瑜珈褲,可監測移動的身體或姿勢正確性(參見圖11)。健身褲內建的觸覺振動,在臀部、膝蓋和腳踝處輕輕振動來檢查和修正瑜伽姿勢,感覺就像私人教練在旁指導。該團隊使用機器學習來開發姿勢定義和修正動作,可透過藍牙同步到手機APP,並透過配套應用程式提供回饋訊息。
 

圖11 Wearable X公司開發可監測姿勢的Nadi X瑜珈褲

資料來源:Wearable X官網。
圖11 Wearable X公司開發可監測姿勢的Nadi X瑜珈褲。
 

2.Hexoskin最新智慧背心可搭配第三方健康APP使用
 

Hexoskin於2018年CES展上推出最新一款運動背心,名為「貼身數據實驗室」(參見圖12);其重量超輕,穿上Hexoskin背心之後,用戶可以了解自己的呼吸頻率、心跳速度、流汗情況和體表汗液蒸發情況等。此款運動背心採用透氣性極佳的意大利布料,質量輕,且速乾功能強大,此外,也具防水功能,因此即使穿著它在雨天跑步,也不必擔心內部的電子元件發生損壞。同時也可以機洗。
 

Hexoskin智慧背心除了擁有配套的手機App,它同時兼容一些第三方的健康類手機App,如可與Strava、Runkeeper等配合使用。
 

圖12 Hexoskin最新智慧背心可搭配第三方健康App使用

資料來源:Hexoskin官網。
圖12 Hexoskin最新智慧背心可搭配第三方健康App使用。
 

3.Ralph Lauren推出可自主加熱夾克
 

Ralph Lauren早於2014年即發表一款智慧運動衣Polo Tech,此智慧衣的布料織有多種感應器,可以追蹤心跳、呼吸速率、活動強度、走路步數、燃燒熱量等,以此追蹤穿著者體適能數據,調整訓練強度。
 

2018年,Ralph Lauren再為美國冬季奧運代表隊,設計推出可主動加熱的智慧夾克(參見圖13)。此款發熱夾克在內裡處印有特殊之導熱油墨,運動員將能夠通過智慧手機應用程序控制他們的溫度,並通過適合材料內部的小型電池組為他們的夾克充電。防水夾克可以存儲長達11小時的加熱時間。
 

圖13 Ralph Lauren推出可自主加熱夾克

資料來源:ELECTRIC RUNWAY(2018)。
圖13 Ralph Lauren推出可自主加熱夾克。
 

4.Sensoria研究以智慧襪協助帕金森患者改善治療、預防跌倒
 

智慧襪製造商Sensoria過去多年已經研究了其智慧襪在糖尿病和跌倒預防等許多健康領域的潛力,現在投入改善帕金森病治療的臨床實驗研究。目前Sensoria正與Michael J. Fox基金會和澳大利亞神經科學研究組合作,開展一項100名患者臨床試驗,研究智慧感測襪子可以為帕金森病患者做些什麼。
 

該研究的第一部分將藉由收集更多數據,以提供給供應商測試智慧型紡織品改善帕金森病治療的潛力;第二部分將實際測試襪子中的觸覺反饋,Sensoria發言人表示,這可以讓患者免於步態凍結(Freeze of Gait, FoG)並可能防止跌倒。
 

5.儒鴻與工研院、林口長庚跨域合作開發智慧病人袍
 

儒鴻與工業技術研究院於2016年共同合作開發iSmartweaR智慧感知衣(參見圖14),其以奈米銀線取代銀粒和銀片提供和織品相同的觸感及更佳的導電效果,加上運用非接觸式雷達感測技術,提供測量呼吸、心跳和計算卡路里等基本功能,穿戴應用範疇從運動休閒與照護延伸到智慧居家,以及專業領域如軍警消防和醫療。
 

此智慧衣採用之雷達感測技術,可在相隔20公分以上的距離測得心跳呼吸,此使智慧衣的款式不再受限,無論短袖或長袖、T恤或外套皆可,可以滿足不同族群、不同情境的穿戴需求,且不影響觸感、手感與舒適性。同時符合相關法規如耐水洗牢度、耐汗牢度、皮膚刺激性和敏感性測試;另一方面,也必須遵循電子業的法規。目前此智慧衣已符合AATCC專業水洗50次的標準,換算為家用水洗可達250次。
 

圖14 儒鴻與工研院跨域合作開發iSmartweaR智慧感知衣

資料來源:工研院(2016/09)。
圖14 儒鴻與工研院跨域合作開發iSmartweaR智慧感知衣。
 

2018年,儒鴻更結合工研院及林口長庚醫院,開發智慧病人袍以量測病人夜間呼吸心跳,可減少夜間護理人員負擔,未來朝呼吸變異與病症關係研究。
 

圖15 儒鴻與工研院、林口長庚醫院跨域合作開發智慧病人袍

資料來源:工研院(2018/11)。
圖15 儒鴻與工研院、林口長庚醫院跨域合作開發智慧病人袍。
 

結語
 

近年來隨創新紡織材料、及小型化的電子設備的開發,創造新一代智慧布料,這些布料就像普通布料,根據設計和應用在各種情況下提供特殊功能。智慧型紡織品開發製程上,除了從紡織端加入電子元件使織物智慧化,電子業近年來也積極切入開發,包括藉由加工製程,將PCB製程結合織物,進而提高布料及服裝的附加價值。
 

此外,2018年可見全球市場不論是新創公司或國際品牌,在智慧服裝及紡織品均投入新應用開發,加諸國內龍頭紡織企業儒鴻亦持續投入研發,儘管目前消費市場仍未見大鳴大放,然未來透過服裝提升生活便利及品質的期望,將指日可待。
 

(本文作者為紡織所執行產業技術基磐研究與知識服務計畫產業分析師)


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更新日期:2020-04-08

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