金信琴 張蒙

關(guān)鍵詞：電刺激訓(xùn)練 肌肉含量人機(jī)工程學(xué) 健身產(chǎn)品

引言

隨著年齡的增長(zhǎng)，人體各項(xiàng)生理機(jī)能都會(huì)衰老，肌肉萎縮和退行性生理變化尤為明顯。主要表現(xiàn)為骨骼肌體積、肌纖維數(shù)量和橫截面積減少，骨骼肌力量下降，骨骼肌耐力下降。此外，老年人肌肉力量的下降會(huì)導(dǎo)致疼痛，肢體僵硬和運(yùn)動(dòng)功能下降，肌肉的退行性變化會(huì)影響人的代謝功能，嚴(yán)重影響老年人的生活質(zhì)量。權(quán)威研究表明，在導(dǎo)致老年人跌倒的因素中，下肢的肌肉力量占據(jù)絕對(duì)重要的位置，腿部肌肉的無力是導(dǎo)致跌倒的最危險(xiǎn)的因素。因此，延緩肌肉萎縮、增加肌肉含量是預(yù)防老年人摔倒有效方法。

目前能夠增強(qiáng)老年人下肢肌肉力量的產(chǎn)品根據(jù)使用目的一般分為兩大類：一種為醫(yī)療康復(fù)產(chǎn)品，主要用于加速疏通人體經(jīng)絡(luò)，增強(qiáng)肢體力量訓(xùn)練，幫助中風(fēng)偏癱的老年人恢復(fù)自理，這種產(chǎn)品多數(shù)以腳踏車的形式呈現(xiàn)，用戶通過腳蹬的方式進(jìn)行鍛煉;第二種則是休閑健身產(chǎn)品，作為體育鍛煉的輔助產(chǎn)品，以例如漫步機(jī)、蹬力器、健騎機(jī)、壓腿杠等產(chǎn)品形式呈現(xiàn)。有些老年用戶并不明白使用方式，盲目使用健身產(chǎn)品時(shí)會(huì)出現(xiàn)肌肉拉傷、關(guān)節(jié)損傷、磕碰等傷害的發(fā)生。因此，作為老年人的健身產(chǎn)品，使用過程中的安全性是產(chǎn)品必須具備的要素，此外，經(jīng)常使用腳踏車進(jìn)行鍛煉會(huì)造成膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)性損傷，嚴(yán)重的可能會(huì)出現(xiàn)膝關(guān)節(jié)積液，造成膝關(guān)節(jié)功能的障礙。所以，從老年人的需求出發(fā)，設(shè)計(jì)出適合老年人的健身產(chǎn)品是十分重要的。

本文運(yùn)用問卷調(diào)研與人機(jī)工程學(xué)的方法，對(duì)老年人的健身方式以及使用的健身產(chǎn)品進(jìn)行了調(diào)研分析，設(shè)計(jì)出能夠增強(qiáng)下肢肌肉力量并符合人體尺寸的老年人健身產(chǎn)品。

一、用戶研究

（一）調(diào)查對(duì)象

去養(yǎng)老院進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，調(diào)查對(duì)象為60-75歲的老年人，30名男性，30女性，一共是60名，平均年齡為68歲，對(duì)有無堅(jiān)持健身習(xí)慣，行走時(shí)步態(tài)的穩(wěn)定情況，選擇健身的產(chǎn)品，一次健身可持續(xù)的時(shí)間，健身器材的舒適性與安全性等各方面性能改進(jìn)需求等5個(gè)方面進(jìn)行了調(diào)查調(diào)研。

（二）調(diào)研結(jié)果

對(duì)60名調(diào)研對(duì)象進(jìn)行調(diào)查結(jié)果如下：

60名調(diào)查對(duì)象中，40%的人走路時(shí)抬腿動(dòng)作出現(xiàn)障礙，身體呈現(xiàn)拖拉的姿態(tài)，步伐距離縮短、頻率變慢、速度降低、動(dòng)作不充分等狀況;13%的調(diào)查對(duì)象每天堅(jiān)持健身半個(gè)小時(shí)以上;83.5%的人認(rèn)為應(yīng)對(duì)現(xiàn)有鍛煉腿部肌肉器材的材料進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，應(yīng)避免鍛煉時(shí)與金屬材質(zhì)的健身器材發(fā)生無意識(shí)的碰撞進(jìn)而出現(xiàn)安全問題;77.5%的人認(rèn)為目前的主動(dòng)進(jìn)行抗阻訓(xùn)練的健身產(chǎn)品不適合體能較弱的老年群體;90%經(jīng)常鍛煉身體的調(diào)查對(duì)象選擇的健身產(chǎn)品是社區(qū)內(nèi)的公共健身設(shè)備，如漫步機(jī)、健騎機(jī)等簡(jiǎn)單器械。

上述的調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)常參加下肢肌肉鍛煉的老年人行動(dòng)更自如，步態(tài)更穩(wěn)健;大多數(shù)老年人選擇鍛煉身體的器材來自于小區(qū)或公園的健身器材，但這些器材是對(duì)所有群眾開放使用的，在結(jié)構(gòu)和功能上并不一定完全適合老年人使用，現(xiàn)有健身產(chǎn)品的堅(jiān)硬金屬材質(zhì)會(huì)給老年用戶帶來一種不安全感，在使用時(shí)需要掌握使用方法及使用姿勢(shì)等，這些問題會(huì)使更多的體能較弱的老年人不愿意選擇現(xiàn)有的健身產(chǎn)品，主動(dòng)選擇抗阻訓(xùn)練。

二、老年人需求分析

對(duì)老年人健身產(chǎn)品所具有的特性進(jìn)行分析，本文從安全、使用、心理等方面需求進(jìn)行分析，歸納總結(jié)出需求分析，如表1。

通過對(duì)老年人的安全需求、使用需求、心理需求及其他需求的分析調(diào)研，查閱相關(guān)文獻(xiàn)得知，傳統(tǒng)抗阻訓(xùn)練，利用健身器械產(chǎn)生的重力加速度，長(zhǎng)時(shí)間抗阻逐漸地增加訓(xùn)練強(qiáng)度來提高下肢肌肉力量，抗阻訓(xùn)練是對(duì)負(fù)荷的時(shí)間積累效果，這種增加肌肉力量的效果不明顯，而且在肌肉工作時(shí)輸出功率相對(duì)較低。隨著年齡的增長(zhǎng)，老年人的下肢肌肉流失萎縮，能夠負(fù)重的重量越來越小，不能夠再像年輕人一樣采取傳統(tǒng)的抗阻訓(xùn)練的方法訓(xùn)練，不正確地使用市面上常見的健身器械有導(dǎo)致骨折或關(guān)節(jié)磨損的情況發(fā)生，所以要尋找一種新的訓(xùn)練方式。通過查閱文獻(xiàn)得知電刺激力量訓(xùn)練是一種新興訓(xùn)練方法，在提高運(yùn)動(dòng)員的身體素質(zhì)方面得到廣泛使用。它是一種脈沖電流，通過電刺激產(chǎn)生特定的頻率，波形和強(qiáng)度，模擬大腦中發(fā)生的神經(jīng)沖動(dòng)，并根據(jù)人類意識(shí)產(chǎn)生肌肉的規(guī)則等長(zhǎng)舒張或等長(zhǎng)收縮，以實(shí)現(xiàn)改善肌肉萎縮的訓(xùn)練方法。與主動(dòng)抗阻訓(xùn)練進(jìn)行對(duì)比，被動(dòng)式電刺激力量訓(xùn)練的效果、安全性、舒適性、以及使用的可持續(xù)性需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)進(jìn)行論證。

二、設(shè)計(jì)流程以及研究方法

三、對(duì)比實(shí)驗(yàn)及分析

（一）實(shí)驗(yàn)方案

1.實(shí)驗(yàn)對(duì)象：調(diào)查對(duì)象為60-70歲的老年人，5名男性，5名女性，一共10名，平均年齡為64.5歲。

2.實(shí)驗(yàn)過程：被試者分別以四種不同的方式進(jìn)行下肢肌肉的訓(xùn)練。四種訓(xùn)練方式分別為：（1）騎單車20分鐘;（2）采用電刺激力量法訓(xùn)練20分鐘;（3）采用橢圓儀訓(xùn)練20分鐘;（4）采用坐式大腿伸展器健身20分鐘。每次訓(xùn)練間隔10分鐘。

3.主觀評(píng)價(jià)：被試者在每組實(shí)驗(yàn)結(jié)束后分別對(duì)四種訓(xùn)練方式的訓(xùn)練效果、舒適性、安全性進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)。主觀評(píng)價(jià)分為1.10共10個(gè)等級(jí)，“1”表示各項(xiàng)指標(biāo)非常不滿意;“10”表示各項(xiàng)指標(biāo)非常滿意。

4.實(shí)驗(yàn)設(shè)備：健身自行車、坐式大腿伸展器MB30、橢圓儀、電刺激力量訓(xùn)練裝置，實(shí)驗(yàn)過程如圖2為坐式大腿伸展器訓(xùn)練測(cè)試圖，圖3為橢圓儀訓(xùn)練測(cè)試圖，圖4為健身單車訓(xùn)練測(cè)試圖，圖5為電刺激力量訓(xùn)練測(cè)試圖。

（二）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過本次實(shí)驗(yàn)得出4種健身產(chǎn)品的主觀評(píng)價(jià)評(píng)分平均值分別為：

（三）研究方法：將每種鍛煉方式主觀評(píng)價(jià)得分相加得出平均值，其中將主觀評(píng)價(jià)得分按不同分類相加得出平均值。其中五代表4種健身產(chǎn)品的安全性主觀評(píng)價(jià)評(píng)分的平均值代表4種健身產(chǎn)品的效果主觀評(píng)價(jià)評(píng)分的平均值;代表4種健身產(chǎn)品的舒適性主觀評(píng)價(jià)評(píng)分的平均值;代表4種健身產(chǎn)品的可持續(xù)使用時(shí)間的主觀評(píng)價(jià)評(píng)分的平均值。根據(jù)以上數(shù)據(jù)繪制出柱狀圖。其中如圖6所示是安全性柱狀對(duì)比圖;如圖7所示是健身效果柱狀對(duì)比圖;如圖8所示是舒適性柱狀對(duì)比圖;如圖9所示是可持續(xù)性柱狀對(duì)比圖。

（四）實(shí)驗(yàn)結(jié)論：由柱狀圖對(duì)比可以清晰地得出結(jié)論：采取被動(dòng)的電刺激鍛煉方式的安全性較強(qiáng);電刺激力量訓(xùn)練的效果也是非?？捎^的;電刺激訓(xùn)練的舒適性優(yōu)于傳統(tǒng)的抗阻訓(xùn)練;電刺激訓(xùn)練方式的主要優(yōu)點(diǎn)在于僅作用于需要增肌的局部、外周，而不會(huì)造成全身疲勞，解決了高強(qiáng)度肌肉力量訓(xùn)練中負(fù)荷與身體恢復(fù)之間的矛盾，消除了其他人體系統(tǒng)的疲勞，并能最大限度地發(fā)揮肌肉活躍性。與抗阻訓(xùn)練方法相比，電刺激訓(xùn)練方法可以較長(zhǎng)時(shí)間保持肌肉收縮和舒張。力量損失緩慢、消耗能量較少，使用人員在感到疲勞之后仍然能夠堅(jiān)持訓(xùn)練。本實(shí)驗(yàn)注重用戶體驗(yàn)，為老年人的健身產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

四、老年人健身產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

（一）技術(shù)基礎(chǔ)：肌肉電刺激（Electrical Muscle Stimulation，以下簡(jiǎn)稱EMS）的原理。就是模仿人體大腦生物電信號(hào)激發(fā)肌肉的運(yùn)動(dòng)，EMS設(shè)備向人體輸送微小的電流信號(hào)微小的電流信號(hào)頻率在40Hz到2500Hz范圍，通過電流的方式為肌肉群負(fù)重相當(dāng)于在每個(gè)肌肉群上掛了不同重量的沙袋。傳統(tǒng)的健身方式要刺激到深層的肌肉群至少需要一個(gè)小時(shí)，而EMS這種健身方法在微小電流的作用下，同時(shí)刺激淺層肌肉群和深層肌肉群，最大優(yōu)勢(shì)在于高效、短時(shí)。EMS為使用者提供了一種無負(fù)荷的健身方式，這樣就可以避免傳統(tǒng)健身方法對(duì)膝關(guān)節(jié)造成的損傷或由于使用方式不當(dāng)造成肌體損傷。最早是1786年意大利醫(yī)生和動(dòng)物學(xué)家Luigi Galvani在青蛙實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的，后來被用來防止航天員在長(zhǎng)期無重力情況下發(fā)生肌肉萎縮以及運(yùn)動(dòng)員的日常訓(xùn)練。人體將這些微小的電流信號(hào)自動(dòng)識(shí)別為人體生物電信號(hào)刺激肌肉收縮舒張運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到增強(qiáng)肌肉的目的。選擇現(xiàn)有成熟技術(shù)避免出現(xiàn)新的技術(shù)問題，技術(shù)路線圖如圖10所示。

（二）產(chǎn)品設(shè)計(jì)定位

1.產(chǎn)品的使用環(huán)境：正常工作環(huán)境、家庭環(huán)境，并且便于攜帶;可實(shí)現(xiàn)在任意場(chǎng)合使用，不受時(shí)間空間限制，可隨時(shí)隨地進(jìn)行鍛煉，簡(jiǎn)化整個(gè)鍛煉過程。

2.功能定位：（1）整體采用柔}生材料，使產(chǎn)品與下肢皮膚緊密貼合，打開裝置即將電信號(hào)傳遞給下肢肌肉，對(duì)肌肉進(jìn)行訓(xùn)練，在使用產(chǎn)品的同時(shí)還可以跟同伴聊天以及讀書看報(bào)等，提高訓(xùn)練過程中的趣味性和時(shí)間的利用率。（2）應(yīng)用低頻電流引起肌肉收縮或松弛，電波刺激神經(jīng)系統(tǒng)模擬大腦信號(hào)刺激肌肉運(yùn)動(dòng)。（3）根據(jù)用戶實(shí)際情況選擇適合自己的訓(xùn)練頻率強(qiáng)度達(dá)到提高下肢肌肉力量的效果。（4）可充電設(shè)計(jì)，方便外出攜帶;體積小占用空間較小。（5）電刺激訓(xùn)練過程中變換頻率一方面是為了避免枯燥，另一方面是因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間保持同一頻率會(huì)使神經(jīng)肌肉系統(tǒng)產(chǎn)生適應(yīng)。（6）使用時(shí)間隨訓(xùn)練階段遞增即為了遵循漸進(jìn)性原則。

（三）產(chǎn)品的功能原理設(shè)計(jì)：此款健身產(chǎn)品整體由硅膠片、電機(jī)盒、磁扣、導(dǎo)電銀網(wǎng)、水凝貼片組成。用戶只需要把本產(chǎn)品貼于下肢小腿皮膚處。人為操控打開啟動(dòng)裝置并選擇合適的使用頻率，產(chǎn)品系統(tǒng)將電信號(hào)傳導(dǎo)到磁扣處并經(jīng)過導(dǎo)電銀網(wǎng)以及水凝膠片傳遞到小腿肌肉處，肌肉或肌腱接受到外源刺激后，促進(jìn)肌纖維進(jìn)行反復(fù)的收縮和舒張狀態(tài)，達(dá)到增加肌肉力量的目的，同時(shí)還會(huì)增加神經(jīng)肌肉協(xié)調(diào)能力、姿勢(shì)控制的穩(wěn)定能力，促使肌肉恢復(fù)活躍度，從而達(dá)到延緩肌肉萎縮的目的。產(chǎn)品的運(yùn)行原理圖如圖11所示。

（四）產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)的深入分析：本產(chǎn)品的定位具有便于攜帶、使用較為柔軟材料等特點(diǎn)，結(jié)合產(chǎn)品的用途為刺激下肢的肌肉群以達(dá)到增肌的效果以及作用部位，深入分析了人體小腿的形狀特點(diǎn)，不同的人的下肢尺寸略有差異，胖瘦不同的人、性別不同的人下肢尺寸也有差異。因此要設(shè)計(jì)成大小可調(diào)節(jié)以適應(yīng)不同用戶的需求，本產(chǎn)品的外型定位于人體的小腿的輪廓形狀，最外層具有可調(diào)節(jié)大小的魔術(shù)貼設(shè)計(jì)，采用“一片式”結(jié)構(gòu)，可以與用戶的下肢皮膚緊密貼合。準(zhǔn)確地將電信號(hào)傳遞給肌肉引起收縮或舒張運(yùn)動(dòng)。使整個(gè)產(chǎn)品包裹在小腿肌肉處，實(shí)現(xiàn)肌肉的訓(xùn)練目的。

（五）人機(jī)尺寸分析：在設(shè)計(jì)時(shí)考慮人機(jī)工程學(xué)的因素。通過查閱資料，國家標(biāo)準(zhǔn)GB 1000-1988《中國成年人人體尺寸》中男性的最大年齡為60歲，女性的最大年齡為55歲，缺乏60歲以上的老年人尺寸標(biāo)準(zhǔn)，因此，GB 1000-1988標(biāo)準(zhǔn)中的尺寸不能作為設(shè)計(jì)參考。通過查閱文獻(xiàn)中北京地區(qū)老年人的人體測(cè)量，對(duì)65歲以上的老年尺寸進(jìn)行了總結(jié)，得出相應(yīng)數(shù)據(jù)，我國男性小腿加足高長(zhǎng)度第15百分位為369mm，第50百分位為408mm，第95百分位為442mm;女性小腿加足高長(zhǎng)度第5百分位為306mm，第50百分位為377mm，第95百分位為412mm。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，通過函數(shù)公式計(jì)算并取平均值，其計(jì)算結(jié)果為：男性小腿加足高平均長(zhǎng)度為404mm，女性小腿加足高的平均長(zhǎng)度為360mm，所以要設(shè)計(jì)滿足不同老年用戶的健身產(chǎn)品的長(zhǎng)度定位為382mm，經(jīng)查閱資料得知，人體小腿維度為身高的17%～21%，上寬度的尺寸數(shù)值為350mm，下寬尺寸為180mm可以根據(jù)個(gè)人的小腿維度進(jìn)行調(diào)節(jié)。老年人健身產(chǎn)品三維建模圖如圖12，老年人健身產(chǎn)品細(xì)節(jié)圖如圖13所示。

總結(jié)

本文通過查閱大量文獻(xiàn)，針對(duì)當(dāng)下老年人所面臨的普遍問題，利用用戶研究和實(shí)驗(yàn)的方法來研究老年人普遍面臨的問題，開展設(shè)計(jì)并對(duì)產(chǎn)品的人機(jī)尺寸進(jìn)行的分析，對(duì)老年人使用健身產(chǎn)品時(shí)產(chǎn)生的問題進(jìn)行用戶調(diào)研和實(shí)驗(yàn)分析，基于人機(jī)工程學(xué)的原理設(shè)計(jì)出一種老年人用于增強(qiáng)下肢肌肉力量的健身產(chǎn)品，能夠降低老年人出行時(shí)走路不穩(wěn)進(jìn)而摔倒的概率。本設(shè)計(jì)改善了傳統(tǒng)抗阻訓(xùn)練的體能要求高，需要掌握使用時(shí)的基本的運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)，鍛煉后恢復(fù)時(shí)間久等缺點(diǎn)，符合老年用戶的健身需求。符合人機(jī)工程學(xué)以人為中心的要求與理念。由此可以看出，人機(jī)工程正在用其強(qiáng)大的理論基礎(chǔ)影響人們的工作、學(xué)習(xí)和生活，只有通過認(rèn)真的思考和研究，才能設(shè)計(jì)出更好的產(chǎn)品，更受用戶的歡迎的，不斷改善和提高人們的生活質(zhì)量。