方佳璐，陳明艷，黃紫荊

(溫州大學(xué) 美術(shù)與設(shè)計(jì)學(xué)院，浙江 溫州 325000)

近年來(lái)，游泳導(dǎo)致的溺水事故頻發(fā)，成為世界十大主要死因之一，其中我國(guó)兒童和青少年每年因溺水身亡的人數(shù)達(dá)5萬(wàn)多[1-2]。溺水者往往因難以呼救而錯(cuò)失僅有的4 min救生黃金時(shí)間，因此，自救泳衣開(kāi)發(fā)顯得尤為重要。為加強(qiáng)游泳者的自救能力，提高救援效率，減少事故發(fā)生，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)一鍵充氣上浮的漂浮自救泳衣，滿(mǎn)足游泳者安全、舒適的需求是關(guān)鍵。

在我國(guó)服裝業(yè)探索功能化泳衣的進(jìn)程中，張以涵等[3]開(kāi)發(fā)的救生圈采用內(nèi)置壓力感應(yīng)器，通過(guò)按動(dòng)報(bào)警按鈕自動(dòng)打開(kāi)頸圈的兩側(cè)安全氣囊，使溺水者頭部浮于水面；同時(shí)打開(kāi)聲光報(bào)警系統(tǒng)發(fā)送求救聲和位置信號(hào)。該救生裝備為未來(lái)救生功能服發(fā)展帶來(lái)啟示，但內(nèi)置芯片在水下不穩(wěn)定因素較大，若浸水信號(hào)受影響會(huì)造成安全系數(shù)降低。符式培等[4]在智能自救泳衣中加入經(jīng)優(yōu)化增強(qiáng)防水防信號(hào)屏蔽的GPS全球定位、GSM全球移動(dòng)通信模塊，以便更好地進(jìn)行求助，安裝自動(dòng)充氣裝置，泳衣快速充氣，并將通信技術(shù)與服裝相聯(lián)。該設(shè)計(jì)雖將充氣裝置與服裝相結(jié)合，但經(jīng)優(yōu)化的模塊成本高，不易于市場(chǎng)推廣。別凱文[5]采用“壓縮氣瓶+針刺”原理研發(fā)了便攜式自動(dòng)充氣的救生裝置，危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)用刺針扎破含有壓縮氣體的氣瓶封口，迅速釋放大量氣體起到充氣作用，該救生裝置采用簡(jiǎn)單機(jī)械原理，充氣部分不受信號(hào)與外界環(huán)境干擾。但該附著式的裝置存在體積大、不便攜的缺陷，妨礙游泳者自由運(yùn)動(dòng)。陳超[6]開(kāi)發(fā)的應(yīng)急自動(dòng)充氣裝置泳衣，將內(nèi)置點(diǎn)火器與疊氮化鈉相連，使得泡沫塊發(fā)生作用，實(shí)現(xiàn)防水服帶人上浮，達(dá)到應(yīng)急充氣目的，但疊氮化鈉爆炸充氣原理本身就具有一定的危險(xiǎn)性，不適合用于服裝，故未能市場(chǎng)化。目前，充氣救生裝置相關(guān)研究較少，現(xiàn)有研究也存在裝置體積大，成本高，救生功能在水下不穩(wěn)定及充氣方法不安全等問(wèn)題，無(wú)法真正投產(chǎn)與市場(chǎng)化。

近年來(lái)，可穿戴智能設(shè)備成為研發(fā)的熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)[7]。服裝被賦予定位追蹤、醫(yī)療診斷、抑菌防毒、發(fā)熱發(fā)光等功能。相比于保健類(lèi)功能性服裝，功能泳衣研發(fā)未得到重視，且研發(fā)尚不成熟；市場(chǎng)上現(xiàn)有的泳衣很少有上浮應(yīng)急裝置的安全功能，存在一定程度的安全隱患，傳統(tǒng)泳衣亟待創(chuàng)新開(kāi)發(fā)。為此，本文將安全功能的充氣系統(tǒng)融入泳衣中，旨在開(kāi)發(fā)以人為本的救生泳衣，保證游泳者在危急時(shí)漂浮于水面防止溺水，減少不幸事故的重演。

1 漂浮自救泳衣的充氣裝置原理

1.1 充氣裝置總體結(jié)構(gòu)

充氣裝置采用即時(shí)開(kāi)啟、充氣成型的氣囊裝置，包括氣囊、旋鈕閥門(mén)和盛放小蘇打的第一腔室(與閥門(mén)的左通孔相連)，盛放醋酸溶液的第二腔室(與閥門(mén)的右通孔相連)。充氣裝置切面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 充氣裝置切面結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Inflatable device cutaway structure diagram

1.2 充氣反應(yīng)原理

充氣反應(yīng)原理為小蘇打與醋酸產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體。本文設(shè)計(jì)充氣原料安全，成本低廉，且氣囊體積小，質(zhì)量輕，較市面上的一般救生裝置更易攜帶，方便游泳者日常游泳運(yùn)動(dòng)。其反應(yīng)式為CH3COOH+NaHCO3=CH3COONa+H2O+CO2↑。

當(dāng)穿戴者旋動(dòng)閥門(mén)，第二腔室中的醋酸溶液流至第一腔室，與小蘇打發(fā)生反應(yīng)，迅速釋放出二氧化碳?xì)怏w，氣囊迅速充氣膨脹，增大浮力上浮，使人體漂浮水面實(shí)現(xiàn)自救目的。

1.3 閥門(mén)通氣原理

閥門(mén)通氣采用簡(jiǎn)單機(jī)械原理，初始為關(guān)閉狀態(tài)阻斷氣囊內(nèi)2個(gè)腔室的流通。當(dāng)游泳者遇險(xiǎn)時(shí)，旋動(dòng)閥門(mén)使2個(gè)腔室導(dǎo)通，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生氣體。閥門(mén)啟閉結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易操作，適合危急時(shí)使用，且旋鈕閥為常規(guī)件，市場(chǎng)上易購(gòu)易加工。

1.4 氣囊及腔室材質(zhì)選擇

氣囊靠?jī)?chǔ)存氣體膨脹，其材質(zhì)需要絕對(duì)防水性和密閉性，可選擇丁苯橡膠(SBR)[8]、氧化石墨烯納米帶-碳納米管/熱塑性聚氨酯彈性體橡膠(TPU)復(fù)合材料[9]、聚氯乙烯(PVC)[10]等潛水材料，具有良好的不漏水、不透氣，易于儲(chǔ)存氣體的特性，且彈力強(qiáng)，易于膨脹，抗化學(xué)腐蝕特性，十分適合作氣囊材料。第一腔室用透氣的小布袋儲(chǔ)存小蘇打；第二腔室用氣囊相同的材料做小袋儲(chǔ)存醋酸溶液。

1.5 氣囊端口設(shè)計(jì)

將氣囊及內(nèi)腔室的端口與丁苯橡膠SBR圓軟管膠接，圓軟管外口緊套在閥門(mén)通孔口固定，以保證閥門(mén)與氣囊及內(nèi)腔室之間的密封性，防止第一腔室和第二腔室內(nèi)的溶液、粉末及氣囊內(nèi)的氣體泄漏。閥門(mén)外置可裝卸，圓軟管口可重復(fù)將小蘇打注入到布袋內(nèi)腔室，醋酸注入到潛水料內(nèi)腔室。

2 漂浮自救泳衣的氣囊設(shè)計(jì)

2.1 氣囊設(shè)計(jì)

本文泳衣將主要?dú)饽医Y(jié)構(gòu)設(shè)置在上半身的領(lǐng)圈與臂圈部位，使游泳者頭部始終浮于水面，防止水從口鼻進(jìn)入。頭頸也是人體最脆弱的部位，當(dāng)人體和周邊環(huán)境發(fā)生撞擊時(shí)，氣囊可起到一定的緩沖保護(hù)作用[11]。此外氣囊也設(shè)置于泳衣本體的腰部與褲腿口部位，即游泳者遇險(xiǎn)時(shí)，在其頸部、軀干及四肢均增強(qiáng)漂浮力，不僅能使游泳者上浮，且受力均勻，避免游泳者身體單側(cè)或歪斜下沉。

氣囊設(shè)計(jì)分為上下2個(gè)雙“工”字形相連的氣囊。上半身為領(lǐng)圈與臂圈相連的雙“工”字形氣囊，如圖2(a)所示。由于頭頸部是防溺水最重要部位，為保證呼吸系統(tǒng)浮于水面防止溺水，本文泳衣設(shè)計(jì)為上半身氣囊的體積最大，投放原料最多，充氣量最大。下半身為腰部與褲口相連的雙“工”字形相連的氣囊，如圖2(b)所示。防止溺水的關(guān)鍵因素是讓人體浮于水面保證呼吸系統(tǒng)正常，因此，增加漂浮力要考慮到人體的重心平衡問(wèn)題。故與上半身的充氣量相比，下半身氣囊的充氣量減少，不僅保證氣囊裝置給人體補(bǔ)充足夠浮力，也使溺水者頭部浮于水面，避免側(cè)翻歪斜，保證安全性。

圖2 氣囊樣板圖Fig.2 Pattern of upper (a) and lower (b) body airbag

2.2 氣囊裝置方法

在泳衣上除確定氣囊位置，還要考慮其裝置方法。領(lǐng)圈和腰圈氣囊以魔術(shù)貼粘貼于泳衣本體為主，臂圈和腿圈氣囊以魔術(shù)貼或搭扣固定為輔，即方便氣囊的拆裝更換，又可重復(fù)使用泳衣，體現(xiàn)泳衣的實(shí)用耐久性。

2.3 氣囊開(kāi)啟方法

充氣系統(tǒng)分為上下2個(gè)部分，為保障遇險(xiǎn)時(shí)的人身安全，游泳者按先上后下的順序迅速開(kāi)啟閥門(mén)旋鈕充氣，先開(kāi)啟上半身氣囊確保呼吸系統(tǒng)露出水面，再開(kāi)啟下半身氣囊輔助提供更大浮力。

3 氣囊充氣量及原料配方

3.1 氣囊體積計(jì)算

GB/T 32227—2015《船用工作救生衣》中規(guī)定成年救生功能服裝所提供的浮力需達(dá)到74 N。文獻(xiàn)[12]提到按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格生產(chǎn)的救生衣，都有其浮力標(biāo)準(zhǔn)：一般成年為74 N，兒童為49 N，這樣才能確保胸部以上浮出水面。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，用下式計(jì)算本文泳衣氣囊體積：

式中：F為浮力，N；ρ為水的密度，值為1 g/cm3；g為重力常數(shù)，值為9.8 N/kg。

經(jīng)計(jì)算得到本文救生泳衣的浮力滿(mǎn)足GB/T 32227—2015要求，成人與兒童救生泳衣的氣囊體積需分別為7 500和5 000 cm3。

3.2 充氣氣體質(zhì)量計(jì)算

根據(jù)氣囊體積，由氣囊中二氧化碳?xì)怏w平均密度約為0.001 35 g/cm3，用下式計(jì)算得到二氧化碳的質(zhì)量：

M=ρv

式中，v為氣囊體積，cm3。

經(jīng)計(jì)算得到成人和兒童救生泳衣分別約需要10.13、6.75 g二氧化碳。

3.3 原 料

根據(jù)化學(xué)方程式計(jì)算生成30.13和6.75 g二氧化碳需要醋酸和小蘇打的量，得到成人泳衣滿(mǎn)足浮力標(biāo)準(zhǔn)至少需13.8 g醋酸和19.4 g小蘇打；而兒童泳衣至少需9.2 g醋酸和12.9 g小蘇打。

3.4 各部位氣囊充氣量及原料分配

頭頸是防溺水最重要的部位，必須合理分配充氣量，優(yōu)化浮力分布，上半身浮力大于下半身。各部位氣囊充氣量及原料分配如表1～2所示。

表1 各部位氣囊充氣量占比及充氣質(zhì)量分配表Tab.1 Proportion of airbag inflated volume in each part and distribution of inflated mass

表2 各部位氣囊所需原料分配表Tab.2 Distribution of raw materials required for airbags invarious parts g

4 漂浮自救泳衣的設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

游泳是全身性運(yùn)動(dòng)，為減少泳衣進(jìn)水質(zhì)量增加而阻礙游泳動(dòng)作，要充分考慮人體體型，采用貼體緊身的分割結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)泳衣緊身貼體的最佳效果，滿(mǎn)足游泳者舒適無(wú)拘束的游泳。依據(jù)性別、年齡層的不同，將分別設(shè)計(jì)成人男、女和兒童泳衣。

4.1.1 成人女泳衣功能設(shè)計(jì)

成人女泳衣設(shè)計(jì)為大圓領(lǐng)、刀背分割、插肩袖的上下連體緊身貼體結(jié)構(gòu)，可達(dá)到視覺(jué)顯瘦的穿著美感。側(cè)身片加熒光涂料，在泳衣本體的領(lǐng)圈、腰部、臂圈位置均采用魔術(shù)貼粘附充氣裝置，款式如圖3所示。

圖3 女泳衣款式圖Fig.3 Female swimsuit style drawing.(a) Front;(b) Back

4.1.2 成人男泳褲款式功能設(shè)計(jì)

成人男泳褲側(cè)身縱向分割，側(cè)片加熒光涂料，款式如圖4所示。

圖4 男泳褲款式圖Fig.4 Male swimming pats style drawing.(a) Front;(b) Back

4.1.3 兒童泳衣款式功能設(shè)計(jì)

兒童泳衣總體結(jié)構(gòu)與成人男泳褲、女泳衣結(jié)構(gòu)相同，但尺寸大小不同；由于兒童體型的曲線(xiàn)變化不大，不設(shè)分割結(jié)構(gòu)，褲口邊緣加裝飾邊以提高童趣美感和安全系數(shù)，款式如圖5所示。

圖5 兒童泳衣款式圖Fig.5 Children′s swimsuit style drawing.(a) Front;(b) Back

4.2 色彩設(shè)計(jì)

泳衣色彩區(qū)別于環(huán)境色易被識(shí)別，也會(huì)提高獲救率。為達(dá)到安全警示功能，泳衣色彩應(yīng)避開(kāi)泳池、海洋、湖泊、池塘等藍(lán)綠色系的環(huán)境色；其次，對(duì)比強(qiáng)烈、色彩鮮艷的泳衣易招致水生物的侵?jǐn)_和咬噬，應(yīng)該避免紅色、黃色系等高飽和度色彩[13]；再之，白色及淺色織物浸水后過(guò)于透明，視覺(jué)遮蔽效果差，不易為泳衣色彩之選[14]。避開(kāi)上述色彩，泳衣色彩以黑、深紫、深褐等深暗色為首選。

4.3 夜光部設(shè)計(jì)

在能見(jiàn)度低的夜間，夜光功能可更好地發(fā)揮服裝的警示作用。夜光涂層可將白天所吸收的光能蓄存于織物中，在黑暗處持續(xù)發(fā)光10 h以上，且亮度高，光源無(wú)毒無(wú)害無(wú)輻射[15]。為增加夜間安全性，加快救援速度，在泳衣側(cè)身片添加夜光涂料；如遇意外，施救人員能及時(shí)根據(jù)發(fā)光定位施救，節(jié)省施救時(shí)間及人力、物力和財(cái)力。

4.4 面料設(shè)計(jì)

泳衣面料應(yīng)具備防水、透氣、輕薄等性能，以防止面料因吸收水分而質(zhì)量增加。透氣性為運(yùn)動(dòng)人體提供舒適環(huán)境；輕薄面料能更好地發(fā)揮運(yùn)動(dòng)機(jī)能[16]。泳衣面料選擇錦綸/氨綸(80/20)混紡緯平針織物，經(jīng)密為246根/(10 cm)，緯密為214根/(10 cm)，織物面密度為207 g/m2。氨綸彈性?xún)?yōu)越，具有舒適性和平挺性，既能緊貼皮膚又無(wú)壓迫感，且耐酸堿、耐磨、耐老化性能也極佳；其吸濕性較差，避免了織物因吸濕質(zhì)量增加而阻礙游泳運(yùn)動(dòng)[17]。錦綸面料屬于輕型織物，成本較氨綸低，其耐磨性、耐用性極佳，彈性及彈性恢復(fù)性極好[18]。

4.5 其 他

針對(duì)兒童泳衣設(shè)計(jì)，可在領(lǐng)口附近安裝GPS追蹤器，與監(jiān)護(hù)人手機(jī)終端設(shè)備綁定，高精度定位便于游泳者遇險(xiǎn)時(shí)獲得施救；其次，由于GPS追蹤器的信號(hào)、性能等易受水浸濕影響，要做好防浸水設(shè)計(jì)。

4.6 成本分析

本文漂浮自救成人女泳衣成本為229.4元/件,成人男泳褲成本為206.6元/件，兒童泳衣的成本為297.4元/件。功能服裝產(chǎn)品因高額的生產(chǎn)成本導(dǎo)致價(jià)位過(guò)高而不易于市場(chǎng)化，本文泳衣控制成本，原料價(jià)格低廉，具有實(shí)現(xiàn)功能泳衣的量產(chǎn)和市場(chǎng)化發(fā)展推廣的潛力。

5 測(cè)試與分析

5.1 泳衣測(cè)試

本文以泳衣氣囊充氣效率及控制變量實(shí)驗(yàn)為主，以成人女泳衣為例，測(cè)試漂浮自救泳衣的浮力。

5.1.1 測(cè)試準(zhǔn)備

1)測(cè)試器材：三針五線(xiàn)繃縫機(jī)、熱熔膠機(jī)、閥門(mén)等設(shè)備。材料：TPU潛水面料150 cm，長(zhǎng)5 cm的SBR圓軟管4根,小蘇打153 g，30%醋酸溶液352 g，以及魔術(shù)貼、夜光涂料等。

2)受試者：5名身高為(160～165)/84A，體重為45～55 kg的女大學(xué)生作為受試者,以夜間游泳池為實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

3)泳衣及氣囊制作：采用上述實(shí)驗(yàn)器材制作泳衣及氣囊，在氣囊廠(chǎng)和泳衣廠(chǎng)進(jìn)行裁劈片，完成TPU氣囊、內(nèi)腔室與SBR圓軟管等膠接制作。腔室分別盛裝小蘇打和醋酸后，緊套在閥門(mén)通孔口固定，旋開(kāi)閥門(mén)鈕，檢測(cè)氣囊的氣密防漏性。

5.1.2 漂浮力測(cè)試

運(yùn)用主觀感受評(píng)價(jià)法，即利用等距標(biāo)尺法將受試者的主觀感受從“沒(méi)有”到“強(qiáng)烈”在線(xiàn)段上等距標(biāo)注，受試者在測(cè)試過(guò)程中，選擇一個(gè)區(qū)域來(lái)表達(dá)自己的主觀感受，評(píng)分標(biāo)尺如表3所示。

表3 泳衣氣囊浮力評(píng)分標(biāo)尺Tab.3 Swimsuit buoyancy rating scale

在試穿測(cè)試前，告知受試者泳衣的基本情況與氣囊的開(kāi)啟方法。受試者穿戴泳衣浸入泳池實(shí)驗(yàn)，感受氣囊提供的浮力值，填寫(xiě)評(píng)分標(biāo)尺。

5.2 測(cè)試評(píng)價(jià)分析

每位受試者進(jìn)行6次實(shí)驗(yàn)，打開(kāi)上半身的閥門(mén)旋鈕實(shí)驗(yàn)3次，打開(kāi)上、下身的閥門(mén)旋鈕實(shí)驗(yàn)3次，分別感受氣囊的浮力值，根據(jù)表3填寫(xiě)浮力感受標(biāo)尺評(píng)分表，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表4所示。

表4 受試者浮力感受標(biāo)尺評(píng)分表Tab.4 Experimenter buoyancy feeling score table

第1次實(shí)驗(yàn)上半身腔室的小蘇打與醋酸質(zhì)量配比為13∶31，受試者的頭部能浮于水面，感受浮力一般(Ⅲ級(jí))；第2次加大上半身小蘇打與醋酸的量(按質(zhì)量配比為20∶46)，受試者頭部始終浮于水面，浮力較第1次加強(qiáng)；第3次與第2次質(zhì)量配比相同，受試者感受標(biāo)尺相近，均為Ⅲ～Ⅳ級(jí)；第4次上半身的質(zhì)量配比同第2、3次，下半身質(zhì)量配比為10∶23，受試者上半身能浮于水面，浮力感受加強(qiáng)為Ⅳ～Ⅴ級(jí)；第5次稍加大下半身質(zhì)量配比為15∶34，浮力感受更強(qiáng)烈，全身浮于水面；第6次與第5次配比相同，受試者感受標(biāo)尺相同，浮力均為V級(jí)。

綜上分析可知，腔室內(nèi)盛放小蘇打與醋酸量及配比關(guān)系是氣囊浮力值的關(guān)鍵，在基本配比上，可根據(jù)游泳者水性和需求加放小蘇打與醋酸量，在氣囊產(chǎn)生氣體，滿(mǎn)足游泳者的浮力需求。

6 結(jié) 論

本文漂浮自救泳衣研發(fā)應(yīng)用醋酸與小蘇打接觸快速生成二氧化碳?xì)怏w的化學(xué)原理，從水域環(huán)境下的人體狀態(tài)入手，合理分配氣囊位置和充氣量，使人體平衡上浮。設(shè)計(jì)了閥門(mén)、腔室組件所構(gòu)成的氣囊，旋鈕閥操作簡(jiǎn)單；將充氣系統(tǒng)與泳衣結(jié)合，解決了現(xiàn)有裝置體積大不便攜的問(wèn)題；對(duì)泳衣的款式結(jié)構(gòu)、面料、色彩、功能性、舒適性等方面進(jìn)行表征分析，滿(mǎn)足自救功用，實(shí)現(xiàn)人體對(duì)功能泳衣適穿性要求。采用氣囊與泳衣通過(guò)魔術(shù)貼粘貼法，降低工藝難度和生產(chǎn)成本，且可裝可卸，安全耐用；用熱熔膠機(jī)膠接氣囊、內(nèi)腔室與圓軟管，圓軟管緊套閥門(mén)通孔固定，可保證氣囊的氣密性。充氣裝置的原料價(jià)格低廉，便于實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)和市場(chǎng)化潛力，為功能泳衣的發(fā)展和市場(chǎng)推廣提供借鑒作用。未來(lái)可進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)加入心電監(jiān)測(cè)芯片，監(jiān)測(cè)人體心跳、呼吸頻率、血壓等其他生命體征，另可以加入電路元件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充氣，使功能泳衣開(kāi)發(fā)與應(yīng)用更廣泛。