提高动物福利的可穿戴产品研究进展.pdf

第 32 卷 第 2 期2024 年 2 月现代纺织技术Advanced Textile TechnologyVol.32,No.2Feb.2024DOI:10.19398j.att.202307025提高动物福利的可穿戴产品研究进展沙 莎1a,1b,2,刘梦婕1a,1b,2,迟 诚1b,2,刘雅婷1c(1.武汉纺织大学,a.设计创新与纤维科学研究院;b.服装学院;c.外国语学院,湖北武汉 430073;2.武汉纺织服装数字化工程技术研究中心,湖北武汉 430073)摘 要:为提高动物福利水平,降低动物疫病风险,从动物情感需求、生理需求和智能化疾病诊断角度出发,对动物可穿戴产品研究状况进行分析。在消减动物心理问题、监测动物行为和生命体征等方面,综述了可穿戴产品在提升动物福利方面的方法原理。分析发现:目前的技术水平虽然在理想状态下能够提高动物福利,但实际环境干扰因素多、产品续航低、穿戴时容易引起动物应激反应等问题,远不能满足动物在特殊环境下的功能需求。最后指出动物可穿戴产品所面临的挑战和未来的发展方向,以期为动物福利水平改善提供一定的指导。关键词:动物福利;心理需求;诊断技术;服装设计;功能面料中图分类号:TS184 文献标志码:A 文章编号:1009-265X(2024)02-0018-09收稿日期:20230716 网络出版日期:20230928基金项目:武汉市科技局国家重点实验室支持专项(2022013988065215)作者简介:沙莎(1987),女,黑龙江哈尔滨人,副教授,博士,主要从事针织数字化设计方面的研究。通信作者:刘雅婷,E-mail:sendohlyt 动物福利由环境、生理、卫生、行为、心理 5 个基本要素组成,主要是指满足动物维持生命、健康及舒适度的需求1。随着我国动物产业规模不断壮大,动物福利对动物健康、经济发展的影响逐渐被人们重视。随着动物心理学、服装工程学、材料学、可穿戴采集产品和人工智能技术的发展,提高动物福利有了更多切实有效的手段,对提高动物心理与生理需求以及疾病诊断等方面有了更具针对性的技术,可利用信息化和人工智能技术采集动物特征信息,并通过智能分析做出自动诊断和决策2。本文利用调查法与文献研究法,对国内外满足动物情感需求的产品设计、满足生理需求的服装产品和面料、监测行为特征和生命体征的动物可穿戴产品的研究现状进行了总结,并对该方向未来的发展进行了分析,以期对动物福利水平提高提供一定理论指导。1 基于情感和生理需求的动物可穿戴产品 目前基于情感和生理需求的动物服装设计主要服务对象是宠物3。随着独居人口增加,宠物陪伴作用十分突出,宠物经济也随之蓬勃发展。根据宠物行业蓝皮书:2022 中国宠物行业发展报告发布的数据,2022 年宠物市场规模已达到 1706 亿元。宠物时尚也伴着宠物行业的发展应运而生。宠物时尚服装主要针对情感需求和生理需求进行设计。1.1 基于情感需求的动物可穿戴产品国内外研究学者主要从饲主情感需求和动物情感需求出发,进行产品设计。情感需求产品的核心在于“情”,而服装产品可以使穿着者感受到情感的存在和交流4。1.1.1 基于饲主情感需求的动物可穿戴产品宠物服装消费者的情感需求主要有个性需求、时尚需求、安全舒适需求、文化需求和原创性需求4。饲主对服装色彩的选择既取决于自身审美,也要取决于宠物的形象气质,因此设计师在风格款式及图案色彩选择上要深入了解饲主的色彩偏好和宠物的体型特征。如申炎平5针对宠物狗特征和部分饲主群体的颜色喜好设计了系列宠物服装,如图 1 所示。服装在行为层次的设计强调在穿着时的生理感受,因此服装在细节设计上要注重科学合理化和人性化,如易于穿脱、耐脏耐磨、方便收纳等,体现服装的实用性和操作便捷性,让饲主在为宠物穿着的过程中体验到关怀感、参与感和成就感。如屈思雨6结合日本猫文化、埃及猫文化、法国宫廷宠物文化设计了如图 2 所示的宠物猫丝巾。且根据 90 后饲主不同层次的情感需求,设计了多个系列的宠物服装。图 1 宠物服装成品Fig.1 Pet clothing finished products图 2 宠物猫丝巾Fig.2 Pet cat silk scarves1.1.2 基于动物情感需求的动物可穿戴产品动物各种行为的出现源于动物的本能与心理7。Leconstant 等8通过移情,了解了动物的情感需求,寻求解决这些需求的方法。Rehn 等9的研究表明,狗对饲主有着强烈的依恋感,需要饲主给予宠物狗安全感。同时,宠物服装作为与身体接触最密切的用品,对宠物的安全感有很大的影响10。王艺轩11归纳了饲主与宠物的交流方式和互动习惯,研究了宠物狗智能可穿戴产品的开发方案。由于饲主上班导致宠物大量的时间独自在家,在宠物项圈上增加了一个按摩功能,项圈通过自动有频率的震动来缓解宠物独处时的孤独与无聊,同时也能增加宠物的体感舒适度。此外,宠物主人也可通过手机端的可视界面随时了解宠物的活动轨迹,方便饲主和宠物之间的互动与沟通。该方案将情感化、智能化和交互式设计的优点充分融入服装设计中。1.2 基于生理需求的动物可穿戴产品1.2.1 基于生理需求的动物可穿戴产品动物服装的款式根据动物的生理结构特征可分为 4 种:两脚款、四脚款、背心款和配饰类。不同结构的宠物服装有不同的款式,如两脚款有 T 恤、衬衫、连衣裙等。Kim 等12为了提高宠物狗的穿着舒适性,根据 Lee13对已有文献和网上宠物狗购物中心的研究,分析了宠物狗服装的种类和流行元素,设计了宠物狗 T 恤,并将不同种类的狗体型划分为椭圆形、桶形和扁平形,并结合其运动特点,如图 3 所示建立了不同的服装原型。林琳14整合了国内外宠物狗服装尺寸表,概括了样本服装尺寸范围,介绍了服装原型绘制过程,并归纳了中国目前宠物狗风雨衣的材料主要有 PVC 涂层面料、Houndtex面料、PTEE 复合面料、PVC 涤纶面料、锦纶、无 PVC涂层织物。为提高宠物狗夜行衣的舒适性,姜茂欣等15采取无袖窿设计配合织带调节,设计了一款可发光的夜行衣,增加宠物狗穿着舒适感。为验证穿着服装后动物运动量和运动形态的变化,Timothy等16建立了狗的三维运动模型,测量狗的躯干运动,并评估狗在穿着和未穿着马甲时运动的变化。结果表明,两种情况下狗在步行或小跑时,穿着马91第 2 期沙 莎 等:提高动物福利的可穿戴产品研究进展甲的狗躯干活动会减少,且步态与未穿马甲时也有显著差异。因此,动物服装结构设计是否合理直接影响动物的活动量。动物除了日常穿着服装的舒适性的需求,同时也有生理安全性需求。如:从雌性狗生理卫生和日常防止性骚扰的角度,开发了宠物狗生理裤。该生理裤的版型开发不仅基于上述需求,且穿脱方便,节省了饲主为宠物狗换装的时间。图 3 狗 T 恤的设计Fig.3 Design of T-shirts for dogs1.2.2 基于恶劣环境安全需求的动物可穿戴产品犬类尤其是工作犬有着一般仪器设备所不能替代的优势,在日常执勤、处突、搜爆、缉毒、消防等方面发挥巨大的作用17。在执行这些任务时,需要有特殊的服装材料,为工作犬提供保护和辅助,如防弹背心、消防背心、特制的防寒和防热靴等。热应激症状是工作犬因工作或训练环境温度过高,导致不能维持机体正常代谢,产生心跳加快、呼吸困难、恶心、呕吐等症状。为了缓解这一症状,传统方法是在工作犬马甲中加入蓄冷袋降温18,但蓄冷袋时效较短,且厚度和重量增加了工作犬的负担。为此,王明凯等17提出利用蒸发水降温技术,设计一种“湿多孔表面循环蒸发降温”面料,通过纺织面料中的孔隙结构实现快速吸水和储水,如图 4 所示。当温度低于犬的体温时,便吸收热量,面料中的水分子动能增加,从而形成水分子蒸发并带走工作犬自身的热量起到降温作用。该面料可实现较环境温度低 612 的优良效果,但由于是采取蒸发降温的工作原理,因此在高湿度的情况下降温效果稍微欠佳。Benito 等19对蓄冷袋型和蒸发型马甲进行了对比,发现蒸发型马甲不仅重量仅为蓄冷袋型的三分之一,降温效果也明显优于蓄冷袋型马甲。图 4 蒸发降温马甲面料工作原理Fig.4 Working principle of evaporative cooling vest fabrics02现代纺织技术第 32 卷 关于防弹背心,除了防止弹片、金属碎片和利器对工作犬造成伤害的同时,还需要具备调节温度的功能,避免温度过热使工作犬产生不适20-21,且穿着后重量会改变犬的重心,使犬走路时失去平衡16。因此,目前的工作犬防弹衣材料需要具有防弹和降温功能的同时,还应减轻自身重量。关于消防马甲,“rocketnews24”网站曾报道日本首款针对消防犬的专用防火服,但国内针对这一领域的研究报道还很少见,所用材料普遍以阻燃面料添加相变材料22和气凝胶材料23为主,与消防员的消防服材料相似。目前犬用靴,一般采用硅胶材料,除了在极端温度环境下保护犬以外,还应在地面结冰环境下,具备防滑功能。此外,在冬季持续的低温下,奶牛容易发生冷应激,且牛犊正处于发育期,自身消化、免疫系统和适应环境能力都相对较弱,因此冬季更需要加强奶牛抗寒保暖的工作。为奶牛穿上保暖越冬背心可以帮助奶牛抗寒。背心款式简单,外层采用防水牛津布起到隔绝雨雪的作用。里料是防雨绸,中间棉层为保温喷胶棉24。此背心能够有效保暖,改善奶牛冬季冷应激问题,避免泌乳牛乳头冻伤,同时减少犊牛生病几率,提高其存活率。目前的动物服装材料虽然能在特殊环境下给动物提供一定的保护和辅助,但其功能性仍需根据动物生理特点和环境进行改进。未来动物的服装材料应在降低克重的同时兼具工作场景所需的其他功能。常见的冷热应激等问题也可以尝试通过服装材料进行预防和治疗。2 基于监测行为特征的动物疾病诊断可穿戴产品 动物行为监测产品的监测对象主要集中在畜禽类动物。针对畜类动物,主要对其反刍时间、运动步数、躺卧时间和饮食时间等进行监测。2.1 基础生理行为异常诊断的可穿戴产品国内为数不多的动物行为监测主要采用分析视频和声音的方式。但视频方法图像信息量大,计算复杂度高;声音监测由于很多动物处于嘈杂环境,监测准确率低。为此,研究学者采用可穿戴式产品对动物行为进行监测来提高准确率。奶牛反刍情况对指导奶牛的养殖具有重要意义25。反刍是奶牛重要的物理消化过程,它与奶牛的健康、生产和发情都有一定的关系。王莉薇26通过声音传感器和加速度传感器对奶牛反刍进行监测。声音传感器模块用于实现奶牛反刍原始声音信号采集。奶牛的反刍声音包含“吞咽”声、“逆呕”声和再次“咀嚼”声;加速段传感器模块选用集三轴加速度计和三轴陀螺仪为一体的高精度模块,实现奶牛反刍姿态规律的监测。Shen 等27通过奶牛鼻带上压力传感器测量奶牛咀嚼中的压力值变化规律,进而对其反刍行为进行测量与评价,如图 5 所示。但此类产品由于穿戴时会引起不适,容易引起动物应激,且存在产品续航低、干扰重等问题。图 5 奶牛压力传感产品Fig.5 Dairy cows noseband pressure equipment此外,准确掌握奶牛发情期将有效提高奶牛受孕率和繁殖率28。项建廷等29设计一种奶牛计步器,利用三轴加速度传感器和温度传感器测定奶牛的运动步数及体温,并通过奶牛运动模型的建立,判断奶牛个体是否处于发情期。Tsai 等30通过 TinyYOLOv3 深层神经网络搭建了一种奶牛头部的检测算法,根据牛头的位置跟踪实现奶牛喝水行为与饮水量的监测,最终实现奶牛的热应激等异常健康状态的自动检测,检测精度为 98.7%。孕期母羊的健康状况会直接影响仔羔的生存状态。利用自动化、智能化方法实时、准确地监测母羊产前行为信息,对提高母羊的生产力和繁殖效率及母羊和羔羊的健康水平具有十分重要的意义。刘艳秋等31设计了可穿戴的以三轴加速传感器为核心的母羊产前采食和饮水行为监测装置,对母羊产前运动行为平均识别率达到了 89.12%。2.2 运动与交互高级行为异常识别的可穿戴产品 除了动物的基础生理行为之外,步态行为、互12第 2 期沙 莎 等:提高动物福利的可穿戴产品研究进展动行为、群体聚集行为等也可以有效反映动物精神状态和健康状况32。Escalante 等通过加速度传感器采集的母猪运动数据,对母猪的行走、站立等行为进行自动分类,进 而 分 析 母 猪 健 康 状 态。Deniz 等33开发了一套嵌入式系统通过可穿戴产品集成在牛身上,用于实时采集牛发出的声音信号,并对啃咬声音、咀嚼声音进行分类识别,可实现针对牛觅食状态的监控,进而判断其健康状况,分类准确率约为 78%。可穿戴产品对动物行为提高了监测采集数据的准确率,但产品价格高、电源续航低等问题是目前动物行为监测的瓶颈。3 基于监测生命体征的动物疾病诊断可穿戴产品 动物疾病诊断的可穿戴产品主要通过监测动物的基础体温、其他体征等指标诊断动物疾病。3.1 监测体温的可穿戴产品体温异常通常是动物患病时最明显的表现,因此监控动物体温可以有效地掌握动物身体健康状态。可穿戴式产品和植入式产品经常用于动物的体温测量。穿戴式传感器精度虽然不及植入式传感器,但产品较易固定,因此较为常用。李赞34把传感器镶嵌在柔性材质里面,利用柔性材质的特点,实现了导电、可弯曲和延展性能,使传感器能够更贴合皮肤,保证了测温的准确性,进而通过于猪耳后颈动脉流经的皮肤上进行温度测量。为了降低环境影响,在温度传感节点设计了接触层、导热层、绝热层,并在每层内部署一个温度传感器,通过 3 个测量值校准得到最终的测量值,并通过猪体表温度测量值反演计算得到猪只核心体温,实现猪只体温的不间断准确测量。乳腺炎是奶牛和母羊的常见病症,因此,监测乳房温度变化可以用于乳腺炎的早期诊断。如Sathiyabarathi 等35用非入侵的方式测量奶牛两侧乳房温度,用来诊断奶牛的早期乳腺炎,诊断灵敏度和特异性均达到 95%以上。3.2 监测其他体征的可穿戴产品张宏等36研制出一种穿戴式猪用心电监测系统,采用 SoC 芯片节点将收集到的心电数据实时转发到服务器,系统便根据采集的猪心电信号自动计算得到猪的心率。季雪渊等设计一种穿戴式背心用于采集猕猴心电、呼吸、体位体动信号,如图 6 所示。分别采用体表电位提取技术采集动物的心电信号,采用呼吸感应体积描记技术来提取胸腹呼吸运动,通过三维加速度传感器的三轴输出量来获得体位体动信号。图 6 内部嵌入传感器的动物背心Fig.6 Animal vest with a sensor embedded inside呼吸频率监测也能起到动物疾病诊断目的。奶牛在正常情况下呼吸频率是 20 次min,当奶牛出现健康问题时,呼吸频率会出现明显的变化。尤其是严重热应激时,奶牛的呼吸频率可达到 120160 次min,因此监测奶牛的呼吸频率同样可以帮助工作人员实时地掌握奶牛的生理状况。范霖等37将可穿戴产品置于鼻子周围,采集奶牛呼吸时鼻子周围湿度变化,通过传感器将湿度变化值传给呼吸监测系统,达到监测奶牛呼吸的目的。4 讨 论目前基于动物福利的可穿戴产品虽然研究成果丰富,但实际产品监测时所受外界养殖环境的干扰较大,且干扰因素复杂。目前的可穿戴产品在抗干扰、提高续航能力、减小甚至消除动物穿戴时的应激反应、避免频繁更换等方面仍存在问题。22现代纺织技术第 32 卷4.1 存在问题目前动物可穿戴产品主要用于满足动物情感及生理需求、动物行为监测、动物生命体征监测 3 方面,研究仍存在以下问题:a)在满足动物情感需求方面,目前的研究主要是针对宠物,国内外缺少对畜禽情感需求的研究。研究畜禽的情感需求,才能更好提升动物福利。而宠物情感,主要针对的是宠物分离焦虑的问题。但常见的宠物心理问题,仍未得到充分解决。这些问题仍需要在动物可穿戴产品材料、结构、色彩等方面去探索可行的治疗方法。b)在满足生理需求的穿戴产品方面,目前的动物可穿戴产品主要对象是宠物猫、狗,而不同品种宠物狗的体型差异大,这就使得生产宠物狗服装时需要生产多种号型的产品,各号型生产数量难以把握,容易造成经济损失给生产和销售带来困难。在服装材料方面,目前的动物服装材料尚不能满足工作犬在各种特殊环境中的功能需求。当前采用的工作犬服装面料通常与工作犬协作人员穿着服装面料相同,但狗和人的生理特征有着非常大的区别,因此远不能满足工作犬的实际穿着需求。c)在监测动物行为的可穿戴产品方面,大多数加入了声音传感器和加速度传感器。这类监测方式监测精度高,但产品普遍存在续航低,经常更换的问题。而养殖场动物数量多,经常更换设备给工作人员带来极大不便。d)用于监测动物生命体征的产品,通常采用穿戴式传感器测量动物体温,可以取得较高的准确度,受到环境影响比较小,但由于动物应激反应可能导致传感器的位移,进而影响测量精度,同时产品高成本和续航问题也是影响其应用的主要原因之一。4.2 展望基于上述问题,针对动物福利的穿戴产品发展趋势可以总结为:a)动物可穿戴产品应更深入地针对动物的心理需求进行结构和功能设计,缓解目前宠物常见的心理问题;在满足动物穿着舒适性的前提下,将弹性服装面料与尺寸可调整的服装结构设计结合,使单个号型可以覆盖相近号型的动物体型,提高单个号型的覆盖率。b)根据动物实际工作与生存环境的需求和生理特点开发相关功能性服装面料,以此提高动物福利,为其带来更好的保护和辅助。c)采用基于能量转换的自供电可穿戴材料可以减少动物穿戴服装的更换频率。也可以探索研究功能材料代替穿戴产品中的传感器,如温致变色材料监测温度等,将解决高成本和频繁更换动物穿戴服装的问题。d)针对宠物疾病预防方面,除了定期预防接种外,也可通过提高宠物服装抗菌性能预防寄生虫滋生,减少和消除病原细菌。这也是今后宠物服装发展趋势之一。5 结 语目前,基于动物福利的可穿戴产品尚不普遍,而穿戴产品具备的功能是宠物、工作犬及畜牧类动物所需要的,因此未来可穿戴服装运用于动物用品产业会有广阔的前景。动物可穿戴服装的许多瓶颈问题,可以通过开发功能面料来代替穿戴服装中单纯依靠传感器来采集信息。需要纺织材料方向科研工作者努力将目前只有穿戴产品能够采集到的信息,用纺织材料将信号转换显示出来。要使我国的动物产业得到蓬勃发展,满足动物心理和生理需求、监测动物行为和生命体征的可穿戴产品及功能性面料必须加快研究的步伐。将先进的纺织材料应用于不同工种工作犬防护和辅助、畜牧养殖动物的健康监测等提升动物福利的有效手段,也是降低监测产品成本、提升续航时间的有效方法。参考文献:1 王宁飞,常禹,吴彦雄,等.现代畜牧业发展及动物福利伦理研究J.中国动物保健,2022,24(10):75-76,80.WANG Ningfei,CHANG Yu,WU Yanxiong,et al.Modern animal husbandry development and animal welfare ethics researchJ.China Animal Health,2022,24(10):75-76,80.2 李奇峰,李嘉位,马为红,等.畜禽养殖疾病诊断智能传感技术研究进展J.中国农业科学,2021,54(11):2445-2463.LI Qifeng,LI Jiawei,MA Weihong,et al.Research progress of intelligent sensing technology for diagnosis of livestock and poultry diseases J.Scientia Agricultura Sinica,2021,54(11):2445-2463.3 杨雪涛.新型宠物服装的开发研究D.无锡:江南大学,2008.32第 2 期沙 莎 等:提高动物福利的可穿戴产品研究进展YANG Xuetao.Development and Research of the New Style Pet ClothesD.Wuxi:Jiangnan University,2008.4 汪佳惠,陈懿,陈欣怡,等.基于问卷调查的宠物服饰消费行为及心理需求分析J.化纤与纺织技术,2023,52(1):70-73.WANG 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