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穿在身上的智慧科技——智慧織物讓服裝更能反應人的需求

文/賴明豐|國研院科政中心

智慧織物(smart textiles)就是指紡織材料整合了「電子元件紡織化」的創新技術(沈乾龍,2013),讓織物本身能夠感知來自外部環境的刺激或變化,從而作出相應的反應,以滿足穿戴者所期待的互動機能,包含身體訊號的擷取,或是藉由織物對電、熱或壓力信號作出反應,甚至制冷或制熱。

近幾年有愈來愈多研發人員開始試著利用高分子、纖維等材料,模仿人類的中樞神經或是電腦的自控系統,試圖藉著智慧材料讓紡織品與通訊、資訊處理、醫療、偵測等功能做結合。可以說是高科技與傳統紡織技術有效結合的產物,市場前景亮麗可期,在服裝、建築、軍事等方面都有不可小覷的應用潛力。顧能公司(Gartner)就認為智慧衣將是未來成長最快速的穿戴式裝置,並預測 2020 年全球營業額將會接近 50 億美元之譜(鄧寧,2015)。

智慧織物未來應用的層面非常廣。圖片來源:Steamtalks Steamtalks@flickr

以穿戴為基礎概念的服飾角度來看,由於極細緻的電線在織物中傳輸,訊號容易受到干擾。因此織布過程得加入導電性纖維,並借重特殊材料的特性與創新織法,才能讓感測器與電子元件「消失在紡織物」裡面完全看不見(林昕潔,2015;DIGITIMES企劃,2014)。

這種能夠貼身感測的導電纖維材料,是研製生理量測智慧衣的一大重點。目前研發方向有讓紡織品反應有毒物質或氣體、溫度、心律、脈衝、壓力、位移、呼吸,或是利用導電性材料整合電腦、通訊等系統來傳達及處理資訊。另外,還有利用自潔、溫濕度調節、防護和保健等等概念,來改善服裝的舒適性和適應範圍。

全球都在關注智慧織物的研發趨勢

然而,目前各方布局智慧織物技術的態勢究竟如何呢?以美國市場來看(如圖 1(a)),市場布局力道從 2011 年開始出現明顯驟增的趨勢。而且,從技術生命週期分析的結果來看(如圖 1(b)所示),這類議題可以說仍然處於發展期是布局專利的熱門方向,不論廠商數量或是專利申請數量,都還在不斷增加中。而 2015 年出現的減少趨勢,可能是因為許多申請中專利仍處於審查階段還未公開,故無法在 USPTO 線上資料中檢索到相關內容。

圖 1,智慧織物技術歷年專利布局趨勢分析(以申請日做為計量基礎)。資料來源:USPTO 線上專利資料庫,最後檢索時間為2016年1月20日

進一步將專利權人資訊正規化處理之後發現,入場布局的專利權人數(含個人申請)有 301 個。很明顯,這類技術的研發工作處於百家爭鳴的態勢,即便是專利量最多的 NPE 廠商 ELWHA LLC 也不過 54 件(佔 10.21%,如圖 2 所示),其次是 KONINKL PHILIPS ELECTRONICS NV 與 SAMSUNG ELECTRONICS CO LTD。而最早入場布局的廠商是 GEN PRINTING INK CORP1 ,其研發重點放在如何強化織物的拉伸強度與防水性功能上,而織物本身是一種具扁平帶狀纖維(flat fiber strip)的纖維混合物(with lignocellulosic material),並在其表面加入含氧有機化合物(O-containing organic compound)後,再進行絲光或鹼劑的處理程序(mercerizing or alkaline treatment)。

從國家別來看,美國專利權人的數量最多(有 190 個),其次是英國與加拿大(如圖 3 所示);若是從專利數來看,也是美國最具優勢,掌握的專利量有 352 件(佔了 66.54%),其次是英國(26 件)與南韓(23 件)。台灣也有三個專利權人掌握相關技術,包括工研院2、南緯實業3,以及逢甲大學4

圖 2,擁有專利數量三件以上的專利權人(含個人)。圖片來源:科政中心提供
圖 3,各國入場布局智慧織物的專利權人數。圖片來源:科政中心提供

智慧織物的設計,必須符合消費者的需求

由前面的分析可以瞭解到,早年所謂的智慧織物,主要是指高機能性紡織品,強調的是能夠產出新機能的新素材。所以經常是先有相關的纖維機能技術之後,再尋找新機能性應用。其中,所謂的機能性則是指包括像是抗撕拉、抗起毬、富彈性、免熨燙、抗靜電、抗菌消臭,到吸溼排汗、抗紫外線、遠紅外線、抗電磁波、防蚊、維他命保溼、負離子等等包羅萬象(呂景瑗,2013)。然而,時勢所趨,現代人對於織物的機能性設計已經轉變成先瞭解人的需求,然後再賦予適當的機能設計。如此一來,設計出來的產品才會符合消費市場的期待。

因此,對於智慧織物機能的設計,必須能夠關連到消費者本身的需求及其生活的週遭環境,例如休閒運動上的需求、安全防護上的需求,或是醫療保健上的需求等等。尤其,在整合了電子元件紡織化的創新技術之後,市場上對於高機能性織物的期待,已經演進到能夠模仿大腦類神經系統一樣,讓服飾能主動偵測、接收或發送各式音訊、視訊,甚至波長訊號等,讓智慧織物從「組合」眾多機能的概念,轉變進化到織物機能與電子元件技術間的「融合」(沈乾龍,2013),包含內在身體訊號的偵測擷取、外在環境變化的提醒、外在資訊的饋入與整合分析等等機能。使用的技術也出現大轉變,包含像是以金屬化纖維取代漆包線、以針織紋路取代電子迴路、以織物電池取代固形電池等整合科技相繼出現,讓原本傳統有的纖維機能技術,成功融合類微處理技術的運作機制。使高機能織物,成為能自主感知來自外部環境的刺激或變化,從而作出相應的反應,以滿足穿戴者所期待的互動機能的主動性智慧織品,也意味著傳統高機能性織物,已經升級成為智慧織物,穿上身便能隨時掌握身體訊號。

這樣的轉變,從本文檢索出來的智慧織物相關專利涉及的技術方向,就能看出端倪。這些專利的三階 CPC 多達 225 種,其中以 G 類最多(物理),其次是 H 類(電學)、Y 類(新興技術或待分派項目)與 A 類(人類生活需要)。反而原來屬於紡織類的技術(例如 D 類)變得不是那麼顯著。專利量最多的研發方向是「電子數位資料處理(G06F)」(如圖 4 所示),其次才是「其他硬體或裝置(Y10T)」與「診斷;外科;鑑定(A61B)」。

圖 4,專利量在 10 件以上的 CPC 三階分類。圖片來源:科政中心提供

進一步以技術生命週期分析的結果,將智慧織物在技術方向上的發展趨勢,分為三個時期,包括 2002 年以前、2003~2010 年,以及 2011 年之後,以便觀察不同三階 CPC 開始出現的時間點(如表 1 整理)。這類相關的織物技術是從 2002 年以前就開始出現,2003 年之後涉及的應用範圍與技術面向愈來愈廣。而「機械工程;照明;供熱;武器;爆破(F)」類應用則是 2011 年之後才有。其中又以 F21V 類技術的專利最多,相關應用包括照明裝置或其系統之功能特性或零部件(例如遮光屏、濾光器、更換光源的裝置,以及支撐、懸掛或連接裝置等等)。

整體來看,專利量成長幅度最大的是「電學(H)」(平均成長 2.055 倍),其次才是「新興及或待分派項目(Y)」(平均成長 1.426 倍)與「紡織;造紙(D)」(平均成長將近 1 倍)。在 H 類技術中,專利量成長最多的是 H01L、H04L 與 H04W;Y 類技術 Y10T、Y10S 與 Y02E;D 類技術則是 D10B、D03D 與 D06M。其他像 A 類技術中,專利成長最多的是 A61B、A47G 與 A41D;B 類技術是 B82Y、B01D 與 B05D;G 類技術則是 G06Q、G06F 與 G06K。而「化學;冶金;組合化學(C)」類的專利量則開始出現些微減少的趨勢(平均成長率為 -1.1%),只有 C08L、C08K與 C09D 有明顯的增加趨勢。

表 1,各類技術方向在不同時期中開始出現的狀況。註:灰底紅字項目為該類技術中歷年專利量成長率最多的前三項技術。圖片來源:科政中心提供

數位傳輸、無線通訊、半導體是智慧織物的新潮流

從前面的分析結果可以知道,智慧織物仍是各家廠商布局專利的重點領域之一。不論是加入研發行列的專利權人數或專利量都在陸續增加中。整個市場在智慧織物技術上的布局態勢,已經逐漸偏向「電學(H)」領域靠攏,包括像是「半導體裝置(H01L)」、「數位資訊之傳輸(H04L)」與「無線通訊網路(H04W)」等等都近三年廠商布局的熱門項目;另外,如何將相關技術應用到「診斷;外科;鑑定(A61B)」也是 2011 年之後市場布局專利的熱門方向,光是第三個時期的專利數量,就成長超過八倍,值得國內廠商關注並構思將智慧織物應用在這類領域中的可能機會。

而且,市場中還沒有出現掌握絕對優勢的廠商,其中專利量最多的 ELWHA LLC 也僅佔全部專利的 10% 左右。由此可見,這個技術市場仍然處於百家爭鳴的競爭態勢,說明國內廠商仍有很大的發展機會,例如持續加強導電纖物材料技術上的布局或是規劃,在不同應用情境下感測技術的設計與運作機制等等。以 ELWHA LLC 來看,在技術布局上與 2013 年已有明顯的變化(如圖 5 所示),2014 年的布局重點明顯偏重在「電子數位資料處理(G06F)」這塊技術議題上。

圖 5,ELWHA LLC 公司歷年 CPC 布局變化狀況。圖片來源:科政中心提供

事實上,目前全球已有許多研發團隊相繼投入智慧衣的研究,包含美國、韓國等,歐盟更是透過 ICT FP6 計畫,結合各會員國的產官學單位重金支持相關研發(邱創乾等人,2012)。台灣運動機能布料市佔率高達七成,紡織產業世界聞名,更是全球紡織業的研發重鎮(游筱燕,2015)。由此可知,台灣不僅在布料研發上具國際競爭力,同時又有資訊電子產業,相信兩者結合將更有競爭力。政府必須正視這股由穿戴式裝置帶起來的智慧衣風潮,儘快整合產學研機構蘊涵的研發能量,加快對智慧織物相關技術與產品的布局腳步,很有機會在紡織與資訊電子兩強結合下,把整個紡織產業帶動起來,在全球市場上發光發熱。

  • 註 1:US2372713, GEN PRINTING INK CORP, Fibrous product and method of making the same. 優先權日期:1943年7月3日
  • 註 2:US9058735, IND TECH RES INST, Method and system for detecting conditions of drivers, and electronic apparatus thereof. 優先權日期:2013/09/04
  • 註 3:US20120069486, TEX RAY IND CO LTD, Fabric connector for sensing object proximity. 優先權日期:2009年6月8日
  • 註 4:US20110125064, UNIV FENG CHIA, Smart clothing for motion physiological measurement and dynamical stable apparatus thereof. 優先權日期:2009年11月20日

(本文授權改寫自:國研院科政中心 科技政策觀點網站智慧織物技術佈局趨勢分析

參考文獻:

  • TechNews (2015/09/11),穿戴裝置向前邁進的重要一哩路:超級電容織物。TechNews科技新報。http://technews.tw/2015/09/11/wearable-computer-all-foldable-fabric-ultra-capacitor/。
  • 呂景瑗(2013),穿著的科技:機能性紡織品。科學發展,第487期,第24-29頁。
  • 沈乾龍 (2013/07),智慧型紡織品。科學發展,第487期。
  • 林昕潔 (2015/10/05),《紡織TIFE》秀USB織物排線,實現網聯智慧服飾。MoneyDJ。http://www.moneydj.com/KMDJ/News/NewsViewer.aspx?a=8e64106e-bb58-4b7c-8420-a1f64500b67e。
  • 邱創乾、藍振晏、石天威與謝靜玟(2013),纖維紡織:未來服飾-智慧衣。科學發展,第470期,第10-14頁。
  • 游筱燕(2015),台灣紡織業聯手科技業 搶進千億新商機 智慧衣紅了。財訊,第490期。
  • 鄧寧(2015),英特爾點名智慧衣 台廠贏在起跑點。今周刊,第985期。

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