周楠， 蔣曉文， 王雪婷

(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)

隨著人們生活品質(zhì)的提升和體育運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，運(yùn)動(dòng)健康、運(yùn)動(dòng)防護(hù)等相關(guān)問題受到廣泛關(guān)注[1]。越來(lái)越多的人有意識(shí)地在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中佩戴防護(hù)護(hù)具以避免或減輕損傷[2]。運(yùn)動(dòng)防護(hù)裝備需求的增加，推動(dòng)著服裝防護(hù)性能研究的進(jìn)一步發(fā)展。

運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，業(yè)余及職業(yè)運(yùn)動(dòng)員的關(guān)節(jié)、肌肉及韌帶都有可能因慢性過(guò)度使用或急性暴力作用受到損傷[3]。意外損傷(如摔傷、扭傷等)占到2%；運(yùn)動(dòng)性損傷(如準(zhǔn)備活動(dòng)不充分、技巧動(dòng)作不準(zhǔn)確等)造成的人體損害占比98%[4]。因此，依據(jù)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)原理研制減震緩震、舒緩拉伸服裝，是運(yùn)動(dòng)防護(hù)服的未來(lái)發(fā)展方向。文中從運(yùn)動(dòng)服裝的舒適性及防護(hù)功能等角度對(duì)其研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，以期為運(yùn)動(dòng)防護(hù)服裝研究設(shè)計(jì)提供思路。

1 防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，人體關(guān)節(jié)、肌肉、皮膚等發(fā)生形變,服裝應(yīng)變?yōu)轳薨?、滑移、延展等束縛人體活動(dòng)。運(yùn)動(dòng)防護(hù)服裝在運(yùn)動(dòng)人員訓(xùn)練、比賽中起著至關(guān)重要的作用[5]，防護(hù)服裝產(chǎn)生限制運(yùn)動(dòng)自由及不舒適的接觸壓力都是影響有效運(yùn)動(dòng)的重要因素。因此，結(jié)合運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和人體各部位壓力分布,設(shè)計(jì)出合理的服裝結(jié)構(gòu),可提高人體運(yùn)動(dòng)的舒適性。

運(yùn)動(dòng)防護(hù)服結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮服裝合體性的要求，使服裝款式和結(jié)構(gòu)符合人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律[6]。服裝合體性強(qiáng)調(diào)服裝貼合人體體型,服裝結(jié)構(gòu)、尺寸規(guī)格與人體一致[7]。添加省道、結(jié)構(gòu)分割線及褶裥等是使服裝產(chǎn)生合體效果的常用手段[8-9]，如在滑雪服的肘部和膝部設(shè)計(jì)分割線[10]，提高活動(dòng)功能性，具體如圖1所示。設(shè)計(jì)騎行服時(shí)，因人體活動(dòng)時(shí)前屈幅度較大，一般在后片變化結(jié)構(gòu)：通過(guò)分析騎行自行車時(shí)人體的運(yùn)動(dòng)特征，采用袖肘部前彎的造型及上衣前短后長(zhǎng)的設(shè)計(jì)[11]，具體如圖2所示；摩托車騎行姿勢(shì)中屈體動(dòng)作較多，前傾時(shí)前片腰部堆積、后片顯得稍短，采取前片適當(dāng)減短、后片加長(zhǎng)的處理[12]。

基于生物力學(xué)研發(fā)的運(yùn)動(dòng)防護(hù)服裝對(duì)相應(yīng)部位韌帶、肌肉加壓，有助于肌肉運(yùn)動(dòng)，支撐關(guān)節(jié)，舒緩過(guò)度拉伸，提高競(jìng)技水平。文獻(xiàn)[13-15]通過(guò)肌電測(cè)試、壓力測(cè)試實(shí)驗(yàn)研究服裝緊身程度、壓力分布規(guī)律與運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)、人體舒適性指標(biāo)之間的關(guān)系，旨在提高防護(hù)服在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的舒適性與防護(hù)性。陳金鰲[16]發(fā)現(xiàn)在高強(qiáng)度跑步運(yùn)動(dòng)中，高度緊身負(fù)荷加快肌肉力竭，中度緊身負(fù)荷一定程度上有利于維持運(yùn)動(dòng)人員的有氧運(yùn)動(dòng)。張同會(huì)等[17]依據(jù)不同騎行狀態(tài)下人體14個(gè)部位服裝壓力值，設(shè)計(jì)騎行褲的款式、結(jié)構(gòu)，有效舒緩運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的肌肉損傷。

2 緩沖材料應(yīng)用

在運(yùn)動(dòng)防護(hù)服裝的設(shè)計(jì)中，材料的性能尤為重要。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的沖擊會(huì)使關(guān)節(jié)、肌腱和肌肉受到較大的機(jī)械力，產(chǎn)生生理應(yīng)激，損害人體。緩沖材料能夠減少碰撞所產(chǎn)生的沖擊力和振動(dòng)，達(dá)到保護(hù)人體的目的。

2.1 氣囊應(yīng)用

防護(hù)服裝設(shè)計(jì)中應(yīng)用緩沖氣囊目的是在機(jī)車騎行或極限運(yùn)動(dòng)中提供一種能迅速打開的安全氣囊，通過(guò)其緩沖或吸收沖擊負(fù)荷，降低意外損傷幾率或減輕骨骼、肌肉受傷程度。目前，氣囊觸發(fā)系統(tǒng)核心以傳感器感知角速度、加速度信號(hào)變化判斷是否啟動(dòng)氣囊[18]。摩托車裝備品牌Dainese推出D-air Misano1000防護(hù)夾克，服裝背部配備多個(gè)傳感器，以800次/s頻率監(jiān)測(cè)騎手狀態(tài)，同時(shí)內(nèi)置GPS等電子設(shè)備，當(dāng)監(jiān)控到騎手情況異常時(shí)，充氣系統(tǒng)即刻啟動(dòng)，氣囊可為騎手的背部、鎖骨和胸部提供保護(hù)，具體如圖3所示。In & Motion品牌推出的Spine VPD 2.0氣囊背心如圖4所示。圖4中的氣囊背心采用集成式傳感器監(jiān)測(cè)沖擊負(fù)荷，以1 000次/s的頻率監(jiān)測(cè)滑雪運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，判斷運(yùn)動(dòng)員即將遭受意外時(shí)，立刻釋放氣囊，為其脊椎、脖頸、胸口、下腹及臀部提供減震保護(hù)[19]。

2.2 新型材料應(yīng)用

2.2.1STF-紡織材料 正常狀態(tài)下剪切增稠液體(shear thickening fluid， STF)是一種分散膠體，其中自由懸浮著許多特殊的粒子，這種球形硅微粒是自然界中最堅(jiān)硬的非金屬材料之一。當(dāng)受到外力高速?zèng)_擊時(shí)，STF黏性迅速增加，變?yōu)閳?jiān)硬的固體，外力消失后又恢復(fù)為原來(lái)的柔韌狀態(tài)。

STF與紡織纖維的結(jié)合應(yīng)用廣泛。如采用STF浸漬Nylon，Kevlar等纖維制備防護(hù)性能優(yōu)良的STF-紡織材料[20-22]，在改善材料防刺、防彈性能的同時(shí)，減輕織物質(zhì)量提高其舒適性[23-25]。目前，STF在防刺穿材料、液體裝甲和防彈裝甲方面應(yīng)用最為廣泛[26]。由剪切增稠液體體系與高性能纖維混合制成的剪切增稠防刺布，具有面料薄、柔軟舒適、防刺性能優(yōu)的特點(diǎn)[27];液體裝甲是指利用STF處理過(guò)的高性能纖維織物，質(zhì)輕、體積小，防護(hù)性及柔韌性優(yōu)越；防彈裝甲進(jìn)行防彈保護(hù)時(shí)，STF與織物共同發(fā)揮作用，剪切增稠體系黏度增大可阻止織物中纖維與紗線之間相對(duì)滑移，織物通過(guò)變形吸收能量。運(yùn)動(dòng)服裝制作中應(yīng)用STF-紡織材料，不僅可以滿足人體相應(yīng)部位的防護(hù)需求，而且防護(hù)性能不會(huì)因動(dòng)作幅度過(guò)大而降低。

2.2.2D3O凝膠材料 正常情況下，D3O凝膠材料呈柔性、可彎曲狀態(tài)，一旦受到外力撞擊，常態(tài)下可自由運(yùn)動(dòng)的分子在0.001 s內(nèi)會(huì)迅速停止運(yùn)動(dòng)并交錯(cuò)在一起，使材料呈現(xiàn)堅(jiān)硬狀態(tài)，減緩?fù)獠孔矒袅Γ?dāng)外力消逝后凝膠又回復(fù)至柔軟狀態(tài)[28]。D3O凝膠材料的防護(hù)性能較其他防護(hù)類材料(如氯丁橡膠和聚乙烯)更為堅(jiān)固，且因常態(tài)下柔軟不束縛人體活動(dòng)而多被應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)防護(hù)領(lǐng)域[29]。目前，D3O在摩托車騎行服、滑雪服上應(yīng)用廣泛，加拿大和美國(guó)的部分運(yùn)動(dòng)員已開始使用D3O材料制作的競(jìng)技裝備。

2.2.3三維空間的復(fù)合材料 Dow Corning積極防護(hù)系統(tǒng)及其橫截面如圖5所示。

積極防護(hù)系統(tǒng)是由間隔織物和硅樹脂復(fù)合而成的三維空間結(jié)構(gòu)復(fù)合材料[30]，具有良好的舒適性和緩沖性。該材料在外力作用下，其受力區(qū)域的硅樹脂遭受沖擊變成堅(jiān)硬固體，并將沖擊力逐步分散至相鄰間隔紗，減緩沖擊負(fù)荷；外力消失后，硅樹脂快速轉(zhuǎn)化為柔性狀態(tài)。此外，該材料易裁剪、可縫紉、可水洗，且具有良好的穩(wěn)定性，在高溫或潮濕條件下，防護(hù)效果也不會(huì)受到影響。目前，這種材料在曲棍球、足球等接觸式運(yùn)動(dòng)防護(hù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

3 減震技術(shù)研發(fā)

運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，肌肉通過(guò)形變吸收外力、分散沖擊負(fù)荷，達(dá)到防護(hù)目的。運(yùn)動(dòng)防護(hù)服裝中應(yīng)用減震技術(shù)，可以輔助肌肉發(fā)力或衰減沖擊力，從而維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定、節(jié)省人體能耗。目前，Hex Pad技術(shù)、RPT技術(shù)和Warrior Tech技術(shù)在運(yùn)動(dòng)防護(hù)領(lǐng)域開始應(yīng)用。

3.1 Hex Pad技術(shù)

Hex Pad技術(shù)產(chǎn)品如圖6所示[31]。邁克達(dá)威品牌的護(hù)具設(shè)計(jì)中采用Hex Pad技術(shù)，旨在舒緩運(yùn)動(dòng)過(guò)程中外力沖擊，滿足運(yùn)動(dòng)防護(hù)性需求。肘部、膝部等關(guān)鍵部位的獨(dú)立六邊形聚乙烯襯墊搭建成蜂窩狀，質(zhì)輕貼身。該襯墊在均勻分散外力沖擊的同時(shí)，還能起到支持體力、配合人體發(fā)力的作用。目前，該技術(shù)常用于跑步、籃球等劇烈運(yùn)動(dòng)的防護(hù)裝備中。

3.2 RPT技術(shù)

G-FORM品牌的運(yùn)動(dòng)防護(hù)產(chǎn)品應(yīng)用其獨(dú)有的RPT技術(shù)，在發(fā)生碰撞時(shí)可吸收90%以上的沖擊力[32]，有效預(yù)防損傷及降低受傷程度。防護(hù)產(chǎn)品采用壓紋設(shè)計(jì)和減震襯墊，具有良好的防護(hù)性、耐壓性、耐磨性；其外觀溝壑依據(jù)人體骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，貼合人體曲線，具有良好的穿著舒適性，可提升運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技水平。目前，RPT技術(shù)已廣泛應(yīng)用于球類、競(jìng)速自行車、滑雪、登山等高強(qiáng)度、高危險(xiǎn)性項(xiàng)目的競(jìng)技裝備中，為肩部、脊柱、臀部、腿部、肘關(guān)節(jié)、膝蓋、脛骨等部位提供防護(hù)。

3.3 Warrior Tech技術(shù)

SPIDI品牌的護(hù)具如圖7所示[33]。SPIDI品牌的護(hù)具設(shè)計(jì)中運(yùn)用Warrior Tech技術(shù)，旨在騎行過(guò)程中意外發(fā)生時(shí)為騎手提供有效防護(hù)。該類護(hù)具的設(shè)計(jì)符合人體工學(xué)，其外觀采用獨(dú)特的3D方格設(shè)計(jì)，能夠有效分散沖擊負(fù)荷，3D方格貼合人體關(guān)節(jié)，滿足騎手對(duì)騎行姿勢(shì)的需求。此外，方格間的氣道設(shè)計(jì)可大幅減少與地面磨擦?xí)r的熱能。因此，Warrior Tech技術(shù)的應(yīng)用，為騎手提供了具有優(yōu)良防護(hù)性和舒適性的護(hù)具。

4 發(fā)展趨勢(shì)

現(xiàn)階段，依據(jù)生物力學(xué)研發(fā)的運(yùn)動(dòng)防護(hù)服從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、緩沖材料和減震技術(shù)應(yīng)用著手，預(yù)防運(yùn)動(dòng)損傷和降低人體受到?jīng)_擊后的損傷程度。隨著高分子材料、智能化技術(shù)的快速發(fā)展以及運(yùn)動(dòng)過(guò)程中人們對(duì)競(jìng)技表現(xiàn)和安全防護(hù)需求的提高[34]，未來(lái)運(yùn)動(dòng)防護(hù)服裝應(yīng)向舒適性、功能化與智能化方向發(fā)展。

1) 協(xié)調(diào)舒適性與防護(hù)性的關(guān)系。目前，運(yùn)動(dòng)防護(hù)服的防護(hù)性能基本能夠滿足，但舒適性能還需要進(jìn)一步改善，提高運(yùn)動(dòng)防護(hù)服的舒適性能是未來(lái)研究趨勢(shì)之一。影響服裝壓力的因素主要是人體和服裝[35]，因此基于運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)、人體關(guān)節(jié)活動(dòng)及皮膚拉伸等因素建立不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下人體各部位舒適壓力閾值，并進(jìn)行服裝結(jié)構(gòu)調(diào)整，可有效提高服裝壓力舒適性[36]。此外，運(yùn)動(dòng)防護(hù)服的熱濕舒適性與服裝材料的透濕性、透氣性等因素有關(guān)[37-38]。采用化學(xué)、物理方法改善纖維及紗線形態(tài)結(jié)構(gòu)或利用復(fù)合方式(如涂層法、壓層法等)改進(jìn)面料，能夠顯著提高服裝的熱濕舒適性[39]。

2) 改進(jìn)纖維、織物加工技術(shù)。新材料、新織物的復(fù)合、加工、整理使運(yùn)動(dòng)服裝呈現(xiàn)出高性能化發(fā)展趨勢(shì)。高性能織物集高性能纖維與新技術(shù)工藝于一體[40]。高性能纖維應(yīng)依據(jù)纖維特性，從工藝和設(shè)備出發(fā)，采取合理的染整加工方法。因此，為實(shí)現(xiàn)纖維、織物的高性能化、高效化生產(chǎn)，應(yīng)對(duì)常規(guī)紡織工藝技術(shù)和加工裝備進(jìn)行創(chuàng)新[41]。

3)提高運(yùn)動(dòng)防護(hù)服智能化水平。目前，智能服裝的研究熱點(diǎn)主要集中在微電子系統(tǒng)、智能纖維技術(shù)方面。運(yùn)動(dòng)防護(hù)服中應(yīng)用微電子系統(tǒng)制備電子化智能防護(hù)服，使其不僅能夠預(yù)警、定位、監(jiān)控、感知周圍環(huán)境并對(duì)其變化或刺激作出反應(yīng)，還可兼顧保健和生命安全防護(hù)作用。運(yùn)動(dòng)防護(hù)服中合理運(yùn)用智能纖維(如相變纖維能夠感知環(huán)境溫度變化并進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，具有較好的調(diào)溫功能[42])，可制備舒適性能優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)防護(hù)服。智能化運(yùn)動(dòng)防護(hù)服更受運(yùn)動(dòng)愛好者及專業(yè)運(yùn)動(dòng)員的青睞，是未來(lái)運(yùn)動(dòng)防護(hù)服發(fā)展趨勢(shì)[43]。

5 結(jié)語(yǔ)

目前，運(yùn)動(dòng)防護(hù)服裝的研究重點(diǎn)是符合人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律、協(xié)助肌肉運(yùn)動(dòng)、減震防護(hù)等。基于運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)原理設(shè)計(jì)服裝結(jié)構(gòu)、研發(fā)材料與技術(shù)，不僅能夠保證運(yùn)動(dòng)防護(hù)服裝良好的防護(hù)性，還有利于實(shí)現(xiàn)更好的運(yùn)動(dòng)舒適性。當(dāng)下，體育運(yùn)動(dòng)快速發(fā)展，針對(duì)不同運(yùn)動(dòng)類型建立起運(yùn)動(dòng)防護(hù)參數(shù)的數(shù)據(jù)庫(kù)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)各種運(yùn)動(dòng)防護(hù)服裝也是運(yùn)動(dòng)防護(hù)服研究方向。未來(lái)依據(jù)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)等原理衍生出的運(yùn)動(dòng)防護(hù)產(chǎn)品兼具舒適性、功能化與智能化，可有效預(yù)防運(yùn)動(dòng)損傷和降低人體受到?jīng)_擊后的損傷程度，提升運(yùn)動(dòng)員競(jìng)技水平。