鄧詠梅,陳炳基

(1.西安工程大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院,陜西 西安 710048;2.愛(ài)慕內(nèi)衣有限公司，北京 110000)

0 引 言

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局2006年第二次全國(guó)殘疾人抽樣調(diào)查結(jié)果顯示,中國(guó)殘疾人數(shù)達(dá)到8 296萬(wàn),占總?cè)藬?shù)的6.34%[1],其中中風(fēng)是造成長(zhǎng)期殘疾的主要原因。在全世界超過(guò)3 300萬(wàn)中風(fēng)患者中有1/3來(lái)自中國(guó),且中國(guó)中風(fēng)發(fā)病率以10%的速度上升[2-3]。《中國(guó)心血管病報(bào)告2016》推算中國(guó)腦卒中患者高達(dá)1 300萬(wàn),其中約1/3腦卒中幸存者由于神經(jīng)功能損傷導(dǎo)致偏癱,喪失獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)能力[4]。傳統(tǒng)的治療方法大多為物理療法,需要長(zhǎng)時(shí)間的恢復(fù)訓(xùn)練,但效果卻不盡人意,有超過(guò)80%的中風(fēng)患者在經(jīng)過(guò)大量治療后仍存在殘余的步態(tài)障礙[5]。

柔性可穿戴外服設(shè)備是一種穿戴于人體上,為人體提供助力,協(xié)助人體行走的助力設(shè)備。有良好的可穿戴性與著裝舒適性,具有質(zhì)量輕、體積小、彈性好等特點(diǎn)。在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域,柔性可穿戴外服因其與使用者預(yù)期動(dòng)作有較高的吻合度和較強(qiáng)的適應(yīng)性,多應(yīng)用于腦中風(fēng)患者的步態(tài)康復(fù),并且使其能夠在拐杖的輔助下實(shí)現(xiàn)正常行走。同時(shí),可通過(guò)穿戴下肢外骨骼設(shè)備增加負(fù)載量,為體力勞動(dòng)者提供幫助,減少對(duì)人體的損傷。

現(xiàn)階段隨著科技水平的不斷提升,國(guó)內(nèi)外關(guān)于柔性可穿戴外服的研究逐漸從剛性機(jī)械結(jié)構(gòu)向柔性材料轉(zhuǎn)移；可穿戴外服也呈現(xiàn)出由剛變?nèi)?，由繁變?jiǎn)的轉(zhuǎn)變,在注重功效性的同時(shí),其穿著的舒適性也開(kāi)始得到研究人員的廣泛關(guān)注[6-10]。柔性可穿戴外服的低成本、低質(zhì)量、高便攜等特性，使它開(kāi)始逐漸得到廣泛的應(yīng)用。本文在分析人體下肢與服裝結(jié)構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了1款基于功能型織物的柔性可穿戴外服。通過(guò)著裝實(shí)驗(yàn)對(duì)其穿著舒適性進(jìn)行主觀評(píng)價(jià)分析，結(jié)合現(xiàn)有外服設(shè)備的助力條件對(duì)柔性可穿戴外服可產(chǎn)生的助力效果進(jìn)行評(píng)估。

1 原型設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Exosuits系列裝置[11-13]大多采用柔順、輕便、舒適的功能型紡織品?；谌梭w解剖學(xué)對(duì)下肢主要關(guān)節(jié)部位(下軀干、髖關(guān)節(jié)、大腿、膝關(guān)節(jié)、小腿、踝關(guān)節(jié)、足等)肌群進(jìn)行分析,依據(jù)柔性可穿戴外服設(shè)計(jì)原則,并結(jié)合人體與服裝的關(guān)系,進(jìn)行外服原型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制作,得到柔性可穿戴外服原型樣衣。

1.1 下肢輔助關(guān)節(jié)部位選取

人體解剖學(xué)對(duì)人體按照3個(gè)基本平面與基本軸進(jìn)行劃分[14], 依據(jù)人體劃分方法, 下肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)分為伸展/屈曲運(yùn)動(dòng)、外展/內(nèi)收運(yùn)動(dòng)和外旋/內(nèi)旋運(yùn)動(dòng)[15]。

王林[16]利用數(shù)字仿真軟件Life MOD對(duì)人體步行過(guò)程進(jìn)行仿真,得出下肢各個(gè)肌肉的力曲線,發(fā)現(xiàn)大腿部位的股直肌出力最大,是人體步行過(guò)程中重要的肌肉;股內(nèi)側(cè)肌與股二頭肌是膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的重要肌群,脛前肌的發(fā)力情況最為復(fù)雜,對(duì)人體步行的穩(wěn)定與協(xié)調(diào)有著重要意義。

因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,將主要參考髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)以及踝關(guān)節(jié)等相關(guān)部位的肌肉受力延展走向,進(jìn)行各個(gè)模塊的織物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),同時(shí)選定膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)作為研究的主要關(guān)節(jié)。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則 在柔性可穿戴外服的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,在滿足人體著裝舒適性的前提下,要實(shí)現(xiàn)各個(gè)部件之間位移的最小化,將輔助力量最大限度地傳遞給人體。文獻(xiàn)[17]提出關(guān)于柔性可穿戴外服設(shè)計(jì)的六大原則:利用人體幾何學(xué)最大限度地提升結(jié)構(gòu)剛度；將設(shè)備固定在人體剛度最大的部位;材料具有高硬度且舒適性高;力的傳遞路徑是符合人體結(jié)構(gòu)的最短距離;減小服裝和人之間的剪切力；增加人體與外衣的接觸面積，減小正常壓力與摩擦力。在此基礎(chǔ)上,原型采用功能型織物，通過(guò)立體和平面裁剪的方法剪裁而成,在緯度方向上采用魔術(shù)貼和尼龍繩扣進(jìn)行連接,在保證安全性和舒適性的前提下,牢固地固定在腰部、小腿等部位。

1.2.2 原型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 基于人體骨骼肌肉組織的分布延展形態(tài)以及人體生物力學(xué)特征,在分析人體與服裝的相互關(guān)系的基礎(chǔ)上,進(jìn)行男性標(biāo)準(zhǔn)人體號(hào)型175/96A柔性可穿戴外服原型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其規(guī)格尺寸分別為腰圍86.5 cm,臀圍98.5 cm,前中長(zhǎng)11 cm,后中長(zhǎng)15.5 cm,側(cè)縫長(zhǎng)15.5 cm,大腿圍57 cm,小腿圍37 cm, 足長(zhǎng)28 cm,足寬10.5 cm。柔性可穿戴外服原型整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,原型腰帶及小腿環(huán)帶細(xì)部結(jié)構(gòu)及尺寸如圖2所示。

圖1 柔性可穿戴外服原型整體結(jié)構(gòu)

(a)腰帶 (b)小腿環(huán)帶

1.3 面料選取

平紋棉織物、滌棉織物具有良好的彈性、耐磨性和舒適性,夾網(wǎng)布可用于增加面料強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)較好的支撐效果。因此可由平紋棉織物、滌棉織物和夾網(wǎng)布等作為柔性可穿戴外服的主要面料，如圖3所示。通過(guò)面料性能分析,得出3種織物的具體規(guī)格參數(shù)。同時(shí)利用YG026PC-500電子織物強(qiáng)力機(jī)測(cè)試服用面料的彈性性能。得到3種服用織物的拉伸性能，服用織物主要規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。其中，平紋棉織物主要用于腰帶、連接帶、小腿環(huán)帶等主體部位；平紋滌棉織物為柔性可穿戴外服原型，主體結(jié)構(gòu)采用包邊面料；PVC夾網(wǎng)布主要用在腰帶、連接帶、小腿環(huán)帶等主體部位的夾層。

表1 服用織物主要規(guī)格參數(shù)

1.4 柔性可穿戴外服原型制作

(1)外服主體面料為平紋棉織物,包邊面料為平紋滌棉織物。

上面說(shuō)到的一些原材料中，質(zhì)量控制主要是體現(xiàn)在含泥量方面，按照已有的標(biāo)準(zhǔn)慣例來(lái)看，在砂石的含泥量中不得大于3%，而碎石的含泥量也不能超過(guò)2%，假若是不小心超過(guò)了這個(gè)已有的標(biāo)準(zhǔn)，那將會(huì)對(duì)整個(gè)建筑工程的質(zhì)量帶來(lái)尤為嚴(yán)重的危害。并且除了上文說(shuō)的要保證碎石、砂石等原材料的含泥量外，也需要做好對(duì)于骨料的質(zhì)量控制，骨料看重的是他的含水量，這個(gè)因素將直接影響著混凝土的強(qiáng)度，在選擇骨料的時(shí)候應(yīng)該選擇熱膨脹系數(shù)比較小，且含泥量相對(duì)較低的骨料。在材料的質(zhì)量控制中，要對(duì)混凝土進(jìn)行嚴(yán)格把控，這也是整個(gè)建筑材料的質(zhì)量核心，混凝土質(zhì)量與規(guī)格的達(dá)標(biāo)是對(duì)整個(gè)建筑材料的保證，更是有利于提升建筑工程整體的施工質(zhì)量和建設(shè)水平。

(2)外服主要部位采用平紋棉織物+PVC夾網(wǎng)布+平紋棉織物面料的三明治結(jié)構(gòu)。

(3)采用立體裁剪和平面裁剪相結(jié)合的制作工藝。

外服原型結(jié)構(gòu)及細(xì)部如圖3所示。

圖3 柔性可穿戴外服原型實(shí)物

2 原型穿著評(píng)價(jià)

2.1 原型穿著主觀評(píng)價(jià)

2.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過(guò)讓志愿者分別穿著外服樣衣并搭配不同的牛仔褲、休閑褲及運(yùn)動(dòng)短褲，測(cè)試并記錄穿著樣衣適體性的主觀感受。

2.1.2 主觀評(píng)價(jià)方法選擇 據(jù)心理物理學(xué)顯示,數(shù)量估計(jì)是一個(gè)簡(jiǎn)單而且應(yīng)用廣泛的心理量的表示方法。李克特量表包括5級(jí)量表、7級(jí)量表和10級(jí)量表等不同的表現(xiàn)形式[18]。李克特量表表明被調(diào)查者對(duì)某一事物的態(tài)度、看法、評(píng)價(jià)或者意向。

針對(duì)柔性可穿戴外服穿著舒適性的問(wèn)題,運(yùn)用心理學(xué)量表法,以服裝壓迫感和穿著束縛感等作為心理學(xué)評(píng)價(jià)標(biāo)尺，并采用李克特7級(jí)量表進(jìn)行主觀評(píng)價(jià),涉及壓迫感、束縛感、滑脫感、重量感、柔軟感、總體滿意度等6個(gè)評(píng)價(jià)項(xiàng)目。

2.1.4 結(jié)果分析與驗(yàn)證 (1)結(jié)果統(tǒng)計(jì)。5名志愿者在自然狀態(tài)下穿著柔性可穿戴外服感覺(jué)舒適的情況下,通過(guò)對(duì)比穿著樣衣前后圍度的變化,發(fā)現(xiàn)穿著舒適的放松量處于1.5～2.5 cm之間。同時(shí),根據(jù)表2設(shè)定的7級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)尺,記錄5位志愿者在穿著實(shí)驗(yàn)過(guò)程中處于不同目標(biāo)狀態(tài)時(shí)主觀感受的數(shù)據(jù)結(jié)果。

表2 感覺(jué)測(cè)試評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)尺

(2)分析與驗(yàn)證。非參數(shù)Kendall協(xié)同系數(shù)W檢驗(yàn)法是對(duì)多個(gè)相關(guān)樣本進(jìn)行的檢驗(yàn)方法,其零假設(shè)是由于評(píng)判者的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)不一致,經(jīng)常檢驗(yàn)對(duì)主觀評(píng)價(jià)者之間評(píng)分是否具有一致性[19]。為了驗(yàn)證評(píng)價(jià)者評(píng)價(jià)結(jié)果的一致性,對(duì)3種穿著搭配進(jìn)行Kendall協(xié)同系數(shù)檢驗(yàn)。當(dāng)顯著性水平a<0.05時(shí),為零假設(shè)，表示志愿者之間的評(píng)價(jià)結(jié)果有一致性。Kendall協(xié)同系數(shù)檢驗(yàn)見(jiàn)表3。

表3 Kendall協(xié)同系數(shù)檢驗(yàn)

從表3可以看出,牛仔褲、休閑褲和運(yùn)動(dòng)短褲的Kendall協(xié)同系數(shù)值檢驗(yàn)結(jié)果Sig.<0.05,說(shuō)明評(píng)價(jià)結(jié)果具有一致性。

通過(guò)SPSS 17.0對(duì)主觀調(diào)查問(wèn)卷進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析,總體感覺(jué)描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表4,綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)折線圖如圖4所示。

表4 3種搭配總體感覺(jué)描述性統(tǒng)計(jì)分析

從表4和圖4可以看出,在志愿者的整體滿意度中,外服與運(yùn)動(dòng)短褲搭配的舒適性優(yōu)于與休閑褲和牛仔褲搭配。牛仔褲優(yōu)于休閑褲說(shuō)明搭配服裝的緊身程度影響設(shè)備的著裝舒適性,服裝貼體性越好,與之搭配后舒適性越好。外服著裝搭配舒適性等級(jí)為運(yùn)動(dòng)短褲>牛仔褲>休閑褲。因此，此類柔性可穿戴外服應(yīng)添加緊身衣作為內(nèi)襯,使其在為使用者提供助力的同時(shí)穿著更加舒適。

圖4 總體滿意程度描述性統(tǒng)計(jì)分析折線圖

2.2 助力效果評(píng)估

根據(jù)現(xiàn)有柔性可穿戴外服的助力效果,得到柔性可穿戴外服進(jìn)行助力所需的條件,進(jìn)而評(píng)估本次所制作的柔性可穿戴外服原型能夠產(chǎn)生的助力效果。

在穿戴柔性設(shè)備進(jìn)行助力行走時(shí),設(shè)備本身的質(zhì)量也會(huì)對(duì)人體造成額外的能耗。文獻(xiàn)[20]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)穿戴柔性設(shè)備與否進(jìn)行對(duì)比,以及對(duì)運(yùn)動(dòng)能量消耗的對(duì)比計(jì)算,得到當(dāng)柔性可穿戴外服(含電源驅(qū)動(dòng))的整體質(zhì)量低于5 kg時(shí)，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)造成的額外能耗最低。此外,美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局研制的“勇士織衣”集成化智能柔性可穿戴外服作戰(zhàn)系統(tǒng)功率小于100 W,質(zhì)量不到9 kg,電池質(zhì)量約4.5 kg,充電1次后可持續(xù)工作24 h,士兵背負(fù)45 kg重物，以1.25 m/s速度在平地行走時(shí),可以減少25%代謝消耗[21]。經(jīng)過(guò)測(cè)試,制作的這套設(shè)備總體質(zhì)量(不含電源驅(qū)動(dòng))為650 g,滿足要求。

踝關(guān)節(jié)是人體步態(tài)運(yùn)動(dòng)的主要關(guān)節(jié),在步態(tài)周期內(nèi)對(duì)踝關(guān)節(jié)提供助力,對(duì)人體整個(gè)步態(tài)運(yùn)動(dòng)起到有效的輔助作用。文獻(xiàn)[21]研制的電極牽引柔性可穿戴外服設(shè)備,在踝關(guān)節(jié)施加力量時(shí),人體的代謝能量消耗比正常情況下有顯著的減少,其范圍在正常人體能耗的3.59%～22.83%之間[5]。由此,課題研究后續(xù)可在踝關(guān)節(jié)添加柔性織物彈力驅(qū)動(dòng)器，可以在人體步態(tài)運(yùn)動(dòng)中為其提供一定助力,進(jìn)而輔助行走,可減少一定的能耗。

綜上所述,通過(guò)對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)資料的分析對(duì)比以及相關(guān)穿著評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn),本文設(shè)計(jì)的柔性可穿戴外服原型可以對(duì)人體步態(tài)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生輔助作用,其助力效果低于正常人體能耗的3.59%。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)基于人體解剖學(xué)和人體生物力學(xué)對(duì)人體肌肉組織及其受力延展進(jìn)行分析,并結(jié)合人體與服裝的相互關(guān)系設(shè)計(jì)出1款可以對(duì)穿戴者步態(tài)運(yùn)動(dòng)提供助力的柔性可穿戴外服。通過(guò)主觀評(píng)價(jià)法分析著裝搭配對(duì)其舒適性的影響,通過(guò)對(duì)壓迫感、束縛感、滑脫感、重量感及柔軟感的量化統(tǒng)計(jì)分析,得出外服在與運(yùn)動(dòng)短褲等貼體式衣物搭配時(shí)舒適度最佳。得出穿著柔性助力外服時(shí)搭配衣物的貼體性越好,其舒適性越高。但其具體助力效果仍需要后續(xù)完善并進(jìn)行穿著實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。因此,本文主要提供了概念設(shè)計(jì)及驗(yàn)證,未來(lái)將對(duì)柔性可穿戴外服的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化,以便能夠產(chǎn)生更好的助力效果。