王雅嫻， 李艷梅

(上海工程技術大學 紡織服裝學院， 上海 201620)

低速沖擊下的吸能緩沖類防護服裝，針對的主要目標群體為運動員群體或者老年人群體。人體在受到外力撞擊時，其外力所產(chǎn)生的載荷會對人體骨骼造成不可逆的損傷，如特殊勞動工種。同時，相關研究顯示，在運動競技領域，如摔跤、馬術運動、輪滑等，當人體肢體落地時，地面會對骨骼產(chǎn)生瞬時沖擊力，當所受沖擊力較大，則會損傷骨骼；而對于老年群體，由于其平衡能力較差，且骨密質(zhì)隨著年齡增長越發(fā)稀疏，當該群體摔倒后，極易造成骨骼斷裂，進而引發(fā)一系列并發(fā)癥甚至死亡。據(jù)調(diào)查，在我國，跌倒致死居于死因排行第4位，而對于65歲以上的老年人而言，居于首位[1]。由于外力撞擊導致骨骼受損所耗費的治療周期極長，且所需費用較高，因而如何預先減少外力所產(chǎn)生的損傷已成為國內(nèi)外研究人員關注的重點。

本文主要以低速沖擊條件下的吸能緩沖服裝為研究對象，闡述了對于該類服裝防護方式的選擇、防護性能測試方法的研究進展，概括了當前所采用的測試標準，最后提出有關吸能緩沖服裝研究的發(fā)展趨勢。

1 防護方式的選擇

1.1 基于預先檢測的可觸發(fā)式防護

可觸發(fā)式防護，其原理源于汽車安全氣囊， 當受到外力撞擊時，氣囊通過自身壓縮，吸收部分外力，對相關部位進行防護減少損害。可觸發(fā)式防護方式重點在于前端傳感器的開發(fā)、算法的優(yōu)化，該實現(xiàn)方式概括為2種，一種為自動式觸發(fā)，核心為通過傳感器監(jiān)測人體運動狀態(tài)，以閾值預判是否發(fā)生特殊情況，例如以基于微機電系統(tǒng)(microelectro mechanical systems，MEMS)[2]的加速度計及陀螺儀進行動作預判，并采用舵機帶動連桿刺穿瓶體，氣囊在333 ms內(nèi)充氣保護人體臀部。日本研究人員[3]研發(fā)了一種新型夾克，該夾克通過識別加速度及角速度變化判別人體摔倒，下發(fā)指令致火藥點燃并迅速釋放氣瓶氣體，氣囊可在120 ms內(nèi)完成充氣，保護人體頭部及臀部，有效縮短反應時間，但誤判率較高，并具有一定的危險性。李慧奇等[4]開發(fā)的穿戴式跌倒防護系統(tǒng)，內(nèi)置九軸慣性傳感模塊檢測運動狀態(tài)，在人體摔倒前預先0.3～0.5 s檢測跌倒事件，觸發(fā)氣囊，最終結果表明髖骨峰值沖擊力較未防護時減小70%，充分發(fā)揮氣囊的壓縮性能，安全性也得到提高。另一種為手動式觸發(fā)，如Prop公司于2008年日本展會展出的可穿戴式氣囊，常態(tài)下氣囊處于未充氣狀態(tài)，但當摔倒事件發(fā)生時，需人為觸發(fā)氣囊開關，缺乏及時有效性。

當前國內(nèi)外針對可觸發(fā)式產(chǎn)品的研究依然不足，無論是瑞典的Hovding新型頭盔、法國Helite的Hip Air(可穿戴式安全氣囊)或是Active Protective[5]腰帶式安全氣囊，均未完全面向市場。王國杰[6]設計研發(fā)的安全氣囊防護系統(tǒng)，在最終測試環(huán)節(jié)只進行了假人實驗，安全性能未知，因而對于氣囊系統(tǒng)，需進一步消除安全隱患，同時前端預測算法的優(yōu)化依然值得探討，預測精準度仍需提高，面向市場仍需進一步完善。

1.2 基于緩沖材料的非觸發(fā)式防護

非觸發(fā)式防護，偏向于特殊材料的應用。其防護機制通常采用能量分流和能量吸收二者中的一種或二者結合的方式。目前可用于吸能緩沖的材料分為如下幾類：硬質(zhì)分流型、軟質(zhì)吸能型、硬-軟組合型防護。

硬質(zhì)分流型防護，常見的材料包括輕質(zhì)塑料、硬質(zhì)凝膠[7]等，如標準型McDavid 足球防護褲[8]。該類防護材料主要通過分散關鍵部位的外力至周圍軟組織，減少人體骨骼損傷，但是硬質(zhì)材料極易損壞，且舒適性、柔韌性較差，易對肢體活動性產(chǎn)生阻礙，適用群體較少；因而近年來，研究重點偏向于軟質(zhì)吸能型防護方面。

軟質(zhì)吸能型防護主要通過材料本體吸收外部能量，減弱傳遞到骨骼的沖擊力，既包含基于紡織服裝本身的基礎織物，如通過選用最優(yōu)紗線及最優(yōu)組織織造，吸收部分撞擊外力[9]，又包括具有吸能作用的特殊材料，如聚氨酯、間隔織物[10-11]以及新型材料如D3O凝膠、剪切增稠(STF)[12]等。當前，軟質(zhì)吸能型防護材料多應用于褲子、背心、襯衫、外套等，如表1所示。

表1 應用軟質(zhì)吸能型防護材料的服裝Tab.1 Clothing for application of soft energy-absorbing protective materials

目前，國內(nèi)外針對軟質(zhì)材料本身抗沖擊性能[19]的提高進行了相關研究。研究人員對6種不同厚度及網(wǎng)眼結構的經(jīng)編間隔織物涂覆有機硅。間隔織物為三維織物，主要通過中間層間隔紗的可壓縮性吸收外部能量，由實驗可知涂覆有機硅的間隔織物剛度增加，承載外力的能力顯著提高，且織物厚度越厚、外層網(wǎng)眼結構尺寸越小，其峰值傳導力則越小[20]。對于軟質(zhì)材料的穿著舒適性研究略有不足，針對該方面的研究除主觀性評價之外，以探討其熱生理防護性能為主。有學者[21]通過“皮膚模型”對間隔織物進行了物理測試，說明對于間隔織物而言，織物表面的結構、間隔厚度、面密度對其熱舒適性有顯著影響。Wiah Wardiningsih等[22]為使舒適性更近于真實成品狀態(tài)，將防護材料置于21 cm×21 cm的口袋中，采用iSGHP熱-濕阻檢測儀器系統(tǒng)性地研究了不同材料、不同厚度防護材料的熱阻、濕阻及透氣性。相對于其他材料而言，間隔織物具有較大空隙，透氣性較佳，且經(jīng)STF處理的間隔織物緩沖性能顯著增加，具有一定柔軟度，穿著舒適性較好。

軟-硬組合型防護以硬質(zhì)材料作為外殼、軟質(zhì)材料作為內(nèi)襯，這種組合形式不僅可分散作用力到周圍，而且可衰減沖擊載荷，減少外力對骨骼的損害，是當前較為理想的防護組合。早前，國外有學者將丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)剛性外殼與閉孔聚氨酯材料結合制成髖骨保護器，其中的聚氨酯材料可有效衰減75%的沖擊力[23]。文獻[24]嘗試在硬質(zhì)弧形防護殼體中添加固體凝膠制成護膝，防護層總厚度控制在9～11 mm。Lee[25]以剪切增稠聚合物(shear thickening polymer，STP)和泡沫塑料結合，并最終確定6 mm或8 mm的STP結合5 mm的泡沫塑料可達到最佳防護效果。不可避免的是，凝膠、STP等材料本身具有一定的重量，所開發(fā)出的產(chǎn)品依從性較差。

無論是可觸發(fā)式防護還是非觸發(fā)式防護，對于相應材料應用于服裝領域時所帶來的穿著舒適性問題研究仍有不足，現(xiàn)有熱生理穿著舒適性能研究多數(shù)在靜態(tài)條件下進行測試，緩沖材料對皮膚的摩擦性能、壓迫性能尚未有系統(tǒng)性評價，且成衣的外觀問題、合體性問題仍需優(yōu)化。

2 防護性能測試

由于涉及人體著裝狀態(tài)時的防護性能研究較為復雜，對于吸能緩沖服裝的防護性能，學者們多偏向于直接研究非著裝狀態(tài)下吸能緩沖材料本身的防護性能?？傮w而言，針對防護性能的測試大致為儀器模擬測試、真人測試、數(shù)值模擬。

2.1 儀器模擬測試

儀器模擬測試通常用來針對材料本身的抗沖擊性能進行測試，模擬人體碰撞作用下摔倒過程中峰值力的衰減[26]，表征該性能的指標主要有剩余沖擊力、沖擊加速度峰值、峰值持續(xù)時間等。測試系統(tǒng)主要包括落錘、負載傳感器、測速傳感器等。為模擬真實情況下的人體皮膚，通常會放置有機硅彈性體或者橡膠。

常見的沖擊測試形式有2類，一類為豎直式落錘測試，如Instron落錘沖擊儀[27]、上海工程技術大學的低速沖擊儀等。Tadano[28]等學者采用自主研發(fā)式落錘測試儀，系統(tǒng)研究了沖擊載荷與防護墊吸收撞擊力能力的關系，建立方程如下：

另一類為擺錘式，如髖部防護材料沖擊模擬測試[29-30]，主要包含錘體、負載傳感器、大轉(zhuǎn)子-股骨模型、模擬軟組織的材料、固定墻面，可用于模擬真實情況下人體摔倒時骨骼受到的沖擊力，準確性更高。

在未知材料的具體防護效能時，該方法可較好地規(guī)避風險。同時，該方法可通過模擬人體著地時的局部受力狀況，定量分析相應因素與材料抗沖擊性能之間的關系，但是，此方法僅局限于織物層面的測試，忽略了人體著裝狀態(tài)下的實際吸能緩沖效能。

2.2 真人測試

真人測試可用于研究著裝狀態(tài)下的材料隔沖性能，測試手段主要包括組合式傳感器系統(tǒng)、三維動態(tài)捕捉系統(tǒng)等。

文獻[31]的真人測試中，志愿者依墻而立，釋放沖擊擺錘對防護服裝大轉(zhuǎn)子位置撞擊，證明了使用防護墊減少骨骼損傷的可行性。Wiener等[32]將壓電傳感器置于防護墊下，志愿者從正常站立狀態(tài)摔倒在地面上，這也是首次定量研究側(cè)向摔倒的志愿者著衣狀態(tài)下防護墊的性能，但由于所用傳感器并未覆蓋到整個防護區(qū)域，最終只有5%的力可傳遞到傳感器上。為得出整個接觸區(qū)域上的受力，Choi W J等[33]研究人員以天花板上的電磁鐵吊索提高橫向志愿者的離地高度，約5 cm，然后釋放著衣狀態(tài)下的志愿者進行模擬骨盆實驗，以測力臺、二維掃描板組合，系統(tǒng)研究大轉(zhuǎn)子處峰值壓力的位置以及壓力的分布。國內(nèi)學者[34]對于防摔護膝也采用真人測試的方法，獲取相關部位的沖擊力，最優(yōu)化服用參數(shù)。

運動捕捉系統(tǒng)主要記錄物體在空間中的運動過程，揭示運動狀態(tài)對人體部位產(chǎn)生的影響[35]。黃燕超等[36]將運動生物力學與其結合，使用該系統(tǒng)捕捉人體已粘貼Marker點部位的空間運動軌跡，獲取其三維數(shù)據(jù)，并通過逆動力學原理轉(zhuǎn)換成運動參數(shù)，計算出關節(jié)的變化角度[37]、關鍵點移動的距離或瞬時速度值[38]等，建立織物參數(shù)與服裝防護性能之間的關系。李媛等[39]以基礎模型中的關節(jié)擊球動量峰值及變化率為指標參數(shù)，采用動態(tài)捕捉系統(tǒng)捕捉網(wǎng)球運動時的上肢動作，建立上肢護具面料的彈性、厚度、疊加方式、包覆方式與人體防護參數(shù)之間的關系，有益于實現(xiàn)吸能緩沖服裝對人體準確的防護。

真人測試一般只適用于低沖擊載荷測試，譬如擊球運動如排球、網(wǎng)球等，但是對于較高能量沖擊力的測試，存在一定的危險因素。另一方面，對于參與測試的志愿者選取要求也更為嚴苛。部分防護類服裝目標群體雖為老年群體，但從安全性角度考慮，通常實驗對象會選取健康年輕群體做進一步討論，與目標群體實際情況略有誤差。

2.3 數(shù)值模擬

隨著計算機技術的進步以及算法的迭代更新，數(shù)值模擬方法開始在各領域得到應用。近幾年，有許多學者將模型逐漸應用在服裝防護領域。從最基本的模型來看，有學者[40]將人體肢體受力簡化為彈簧振子模型，并考慮服裝面料因素，進一步構建“骨骼-肌肉-輔助防護層”模型，通過數(shù)值求解，分析織物材料各因素對其系統(tǒng)防護性能的影響。

除此以外，采用有限元法建立模型也是當前較多學者關注的重點。此方法多應用于汽車碰撞領域，可用來模擬車門用多軸向經(jīng)編復合材料的抗沖擊性能[41]，也可建立生物力學損傷模型，較準確模擬人體肢體軟組織損傷、骨骼損傷的真實情況，通過觀察模擬撞擊前后關鍵部位前后的形態(tài)變化、應力變化，可客觀建立部位損傷機制[42]。在低速沖擊條件下，基于中國力學虛擬人[43]模型庫，研究人員[44]對人體側(cè)向摔倒骨盆-股骨整體進行有限元建模，證明外力沖擊下造成的斷裂點位于大轉(zhuǎn)子、股骨頸等處。在此基礎上，有學者以防護材料和人體骨骼共同建立模型，驗證了有限元模型可用來預測吸能緩沖服裝效果的可行性。孫培棟[45]利用獲取的志愿者的側(cè)方摔倒姿勢、沖擊瞬時速度等數(shù)據(jù)建立盆骨-軟組織-海綿泡沫的有限元模型，參數(shù)如表2所示。該模型不僅可預測高能量側(cè)方摔倒時關鍵部位的沖擊力，還可評價人體著裝狀態(tài)海綿的具體防護效能，與實際真人實驗值相近，可信度較高，但該模型僅預測一種防護材料的防護性能。

表2 盆骨-軟組織-海綿材料模型中材料參數(shù)Tab.2 Material parameters in the model of pelvic-soft tissue-sponge material

相對于儀器模擬測試而言，數(shù)值模擬能夠提高一定的效率，且能規(guī)避真人測試的風險，但由于人體本身結構的復雜性，數(shù)值模擬在技術層面上也是一種挑戰(zhàn)，且與人體真實情況下的運動狀態(tài)依舊存在一些誤差，在應用層面上仍需進一步優(yōu)化。

3 測試標準

當前，對于吸能緩沖服裝具體的防護效能測試尚未有統(tǒng)一的標準。國內(nèi)外做相關測試時可借鑒緩沖材料的減震性能測試方法如ASTM D575—1991 《橡膠壓縮特性的標準試驗方法》或者GB/T 8171—2008《使用緩沖包裝材料進行的產(chǎn)品機械沖擊脆值試驗方法》，也可采取遵循已有經(jīng)驗值的方式，或借鑒摩托車服的耐沖擊標準如BS EN 1621-1∶2012《摩托車手抗機械沖擊防護服 第1部分：沖擊防護裝置的要求和試驗方法》及BS EN 1621-2∶2014《摩托車駕駛員的防機械沖擊防護服 第2部分：摩托車手背部保護裝置的要求和測試方法》，也可遵循有有關髖部防護的生物力學國際聲明[46-47]等。

對于借鑒緩沖材料減震性能的測試標準或?qū)τ谧裱?jīng)驗值作為標準，如人體骨骼的平均閾值為3 100 N[26]，當采取不同的測試方式、設備時，獲取的防護材料衰減外力的能力也會不同。在機器模擬測試中，所用剛體質(zhì)量的不同、模擬人體皮膚材料剛度和厚度的不同、沖擊速度的不同、防護材料面積和幾何形狀的不同均會影響最終所表征的材料吸能緩沖能力。

耐沖擊標準中對于摩托車騎行服局部關節(jié)部位的要求為：當施加50 J的撞擊能量時，防護材料穿透力的平均值小于35 kN，且撞擊區(qū)域穿透力峰值應小于50 kN；對于背部，要求施加同等能量的力時，防護材料穿透力的平均值應小于18 kN，撞擊區(qū)域穿透力峰值小于24 kN。而事實上，人體正常運動情況下，擊球或摔倒時關節(jié)部位所受到的力遠遠小于上述值，因而此標準并不適用。

對于髖部防護的生物力學國際聲明文件中，規(guī)定了測試時的儀器初始摔倒模擬速度分別為2.0、3.4、4.5 m/s，但是該測試僅針對髖部防護材料的測試有效，普適性較低。

4 結束語

低速沖擊條件下的吸能緩沖防護服裝是目前學者們關注的重點。本文概括了現(xiàn)有防護服采用的觸發(fā)式、非觸發(fā)式防護2種防護方式，分析了目前其防護效能測試的3種方法及幾項參考標準。基于當前現(xiàn)狀，本文提出以下幾點建議。

1)當前，多數(shù)防護產(chǎn)品停留在實驗室研究領域，已有防護產(chǎn)品的依從性較差，其產(chǎn)品整體美觀度有待提高，且有必要協(xié)同多領域開發(fā)研究，因此，優(yōu)化吸能緩沖材料與服裝的結合，通過三維人體掃描技術對吸能緩沖材料實現(xiàn)在服裝關鍵區(qū)域的定位；優(yōu)化結構設計，使其無突出外觀，增加產(chǎn)品的可接受度。

2)目前，大量研究都集中于研究吸能緩沖材料本身抗沖擊性能，但對于材料的服用性能及穿著舒適性能并沒有充分考慮，如透氣性能、透濕性能、壓縮性能等?，F(xiàn)如今的部分吸能緩沖服裝所采用的材料，要么增加厚度提高其抗沖擊能力如聚氨酯，要么增加重量提高其抗沖擊能力如凝膠，這對于人體本身的肢體活動性、服裝的依從性均會造成影響；因此，加大對吸能緩沖材料服用性能的研究，不僅從靜態(tài)層面測試，也應結合動態(tài)層面進行測試?？刹捎贸龊辜偃藦臒嵘泶┲孢m性、心理穿著舒適性、接觸舒適性等幾個方面綜合評價該類服裝的穿著舒適性，實現(xiàn)應用價值。

3)對于防護性能的測試，真人測試可在一定程度上模擬真實部位受力情況，但不同的實驗對象或不同的姿勢會對實驗結果產(chǎn)生誤差，且有一定的風險性；儀器模擬測試及數(shù)值模擬可規(guī)避實驗對象安全問題。儀器模擬測試雖能在一定程度上獲取真人測試中未得出的沖擊結果，但僅表示人體靜止條件下所受到的沖擊力。人體是一個運動的個體，通常情況運動狀態(tài)下的人體受到?jīng)_擊時其遭受的力遠遠大于靜止狀態(tài)時人體受到的沖擊力，因此數(shù)值模擬中的有限元方法可用于模擬真實情況下人體關鍵部位的受力情況，且應充分考慮“人—服裝”結合，提高模型的有效性、準確性、適用性。

4)針對當前相關領域內(nèi)材料或服裝的防護性能測試，尚未有統(tǒng)一、確定的準則，由此會影響吸能緩沖的確切效能，因此要求擁有統(tǒng)一的行業(yè)標準，具體評價吸能緩沖服裝關鍵區(qū)域減小峰值力的能力，實現(xiàn)行業(yè)規(guī)范化。