鄭 嶸， 劉志鵬， 陳 晴， 范金土，3， 傅白璐， 楊 馨， 林 靖

（1.東華大學(xué)上海國際時(shí)尚科創(chuàng)中心， 上海 200051； 2.北服·愛慕人體工學(xué)研究中心， 北京 100029；3.香港理工大學(xué)紡織及服裝學(xué)系， 香港 999077）

1 引言

隨著出艙活動(dòng)（Extra Vehicular Activity，EVA）任務(wù)不斷由近地軌道向月球、火星及深空探測方向發(fā)展，理想的星際航天服應(yīng)具備更小、更機(jī)動(dòng)、更輕、適體、舒適、便于穿脫、滿足長時(shí)間作業(yè)等特點(diǎn)。 機(jī) 械 反 壓（Mechanical Counter Pressure，MCP）概念航天服因相對質(zhì)量低、消耗少、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、舒適性佳等特點(diǎn)，被認(rèn)為是一種有可能替代全壓防護(hù)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)星際探測要求的潛力結(jié)構(gòu)。

20 世紀(jì)60 年代，Iberall 最先將Becker 彈性力學(xué)中的應(yīng)變橢球體原理應(yīng)用在MCP 加壓服的研究上，提出人體非延長線網(wǎng)絡(luò)（Lines of No?ex?tension，LoNEs）約束層理論，即人體在運(yùn)動(dòng)中皮膚表面存在既不伸長也不縮短的網(wǎng)絡(luò)，建議在身體表面覆蓋一層模擬人體LoNEs 的網(wǎng)格狀約束層，以此提供機(jī)械反壓。 但受當(dāng)時(shí)研究條件限制，僅定性描述了LoNEs，并未量化。 后續(xù)研究人員通過生物力學(xué)和人體測量研究發(fā)展了LoNEs理論，如Bethke 等利用三維激光掃描技術(shù)測量膝關(guān)節(jié)屈曲時(shí)腿部的表面積和體積，提出了一種定量測量皮膚應(yīng)變場的映射技術(shù)來獲得腿部LoNEs 的方法；Wessendorf 等利用動(dòng)態(tài)捕捉系統(tǒng)測量了膝關(guān)節(jié)在蹲位運(yùn)動(dòng)中的皮膚應(yīng)變，計(jì)算出該區(qū)域非張力線的局部方向；Domingues 等通過4 個(gè)紅外攝像機(jī)和有限元軟件研究了踝關(guān)節(jié)在屈曲-伸展和倒置-伸展過程中的皮膚應(yīng)變數(shù)據(jù)，獲得7 組非延長線；Obropta 等及Barrios等針對肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的動(dòng)作靜止?fàn)顟B(tài)，提出了使用多個(gè)立體相機(jī)實(shí)施3D?DIC（Three?Dimensional Digital Image Correlation） 高分辨測量皮膚應(yīng)變場變化的方法。

在MCP 航天服樣機(jī)研制方面，自Webb等于1968 年首次設(shè)計(jì)出基于MCP 原理的太空活動(dòng)服（Space Activity Suit， SAS），如何通過彈性材料張力等方法在皮膚表面產(chǎn)生29.6 kPa的均勻壓力，解決皮膚表面因加壓不均所引起的人體生理異常反應(yīng)，如皮膚腫脹、循環(huán)不良、呼吸能力下降等，改善穿脫耗時(shí)等問題始終是MCP 航天服設(shè) 計(jì) 面 臨 的 巨 大 挑 戰(zhàn)。 Webb 等指 出MCP 航天服的關(guān)鍵問題是如何使機(jī)械反壓的壓力作用更接近皮膚自然受力狀態(tài)，并建議在生物力學(xué)分析的基礎(chǔ)上通過提高剪裁精度和發(fā)展新型彈性材料來解決該問題。 Newman 等設(shè)計(jì)了BioSuit，發(fā)展了Iberall 提出的LoNEs 約束層理論，并沿體表非延長線采用高強(qiáng)度材料（如凱夫拉材料）來控制服裝形態(tài)，在LoNEs 之間采用彈性材料（類氨綸織物等）產(chǎn)生機(jī)械反壓。 為解決加壓不均勻、穿脫困難等問題，Holschuh 等提出了彈性織物與形狀記憶合金相結(jié)合的概念，即穿著BioSuit 后通過加熱使形狀記憶合金收縮，從而對人體施加機(jī)械反壓。

自Iberall 提出LoNEs 網(wǎng)絡(luò)約束層以來，New?man 團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域做了有益探索，定量驗(yàn)證了LoNEs 在身體局部區(qū)域的分布，且正在逐步解決更精細(xì)的體表網(wǎng)格標(biāo)記和數(shù)據(jù)采集精度的問題，但目前尚未獲得準(zhǔn)確的全身LoNEs 網(wǎng)絡(luò)分布圖，也未形成一套成熟的、有效連接皮膚應(yīng)變與航天服結(jié)構(gòu)以提供均勻機(jī)械反壓的研究方法。同時(shí)，數(shù)據(jù)結(jié)果僅為少數(shù)個(gè)體數(shù)據(jù)，在單一個(gè)體的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)和群體測量的可靠性方面還有待驗(yàn)證，無法明確動(dòng)作靜止?fàn)顟B(tài)和連續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的應(yīng)變數(shù)據(jù)是否存在差異。

考慮到皮膚為各向異性，年齡、人種、形體特征和動(dòng)作角度會(huì)在一定程度上影響皮膚的應(yīng)力應(yīng)變情況，本文擬結(jié)合人體測量數(shù)據(jù)、皮膚彈性與硬度測試，將關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍較大的手臂作為研究對象，根據(jù)人體工學(xué)、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)、服裝結(jié)構(gòu)及材料的相關(guān)原理，選擇18 ～24 歲男性志愿者，重點(diǎn)針對航天員登月典型動(dòng)作狀態(tài)下的皮膚應(yīng)變展開研究，探討基于MCP 航天服的人體手臂LoNEs網(wǎng)絡(luò)的有效繪制方法，探索LoNEs 網(wǎng)絡(luò)與皮膚延展伸縮之間的關(guān)系，為與袖片結(jié)構(gòu)紙樣的進(jìn)一步銜接研究奠定基礎(chǔ)。

2 人體測量

為了獲得更有效的實(shí)驗(yàn)樣本，參考軍用標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)中國航天員的身高范圍及主要人體尺寸，招募了70 名中碼男性，身高為（175±2.5）cm，BMI（21.5±2.5）kg／m，18 ～24 周歲，身體無殘疾，無大病史，使用三維掃描儀、二維Shapline 測量儀、馬丁測量儀、Cutometer MPA 580 皮膚彈性測試儀、TECLOCK FO GS-744G 硬度計(jì)對身體尺寸和形態(tài)進(jìn)行測量。 選取16 項(xiàng)人體手臂測量項(xiàng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測量項(xiàng)目包括：人體基本體格測量項(xiàng)5項(xiàng)、手臂體表尺寸測量項(xiàng)7 項(xiàng)、人體手臂皮脂厚度測量項(xiàng)1 項(xiàng)、皮膚彈性測量項(xiàng)2 項(xiàng)和體表硬度測量項(xiàng)1 項(xiàng)。 按覆蓋90%的置信區(qū)間，得到175 cm身高段男性各項(xiàng)測量項(xiàng)的均值，如表1 所示，以此為依據(jù)通過歐氏距離計(jì)算每一位志愿者的相關(guān)測量項(xiàng)目與其均值距離的總和，選擇分?jǐn)?shù)相對小的、距離均值中心近的5 名志愿者作為皮膚應(yīng)變與LoNEs 網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)對象。

表1 70 名志愿者的手臂尺寸測量結(jié)果Table 1 Arm measurements of 70 volunteers

3 手臂皮膚表面應(yīng)變網(wǎng)格研究

人體運(yùn)動(dòng)時(shí)，體表皮膚會(huì)發(fā)生不同程度的應(yīng)變。 為更好地觀察皮膚動(dòng)作狀態(tài)下的延展與伸縮變化，觀察LoNEs 網(wǎng)絡(luò)的分布可能性，在人體正常站立狀態(tài)，手臂自然下垂時(shí)以肘突線為基準(zhǔn)繪制皮膚表面網(wǎng)格線。 隨手臂動(dòng)作，網(wǎng)格標(biāo)記線會(huì)發(fā)生變化，記錄不同動(dòng)作狀態(tài)下手臂皮膚表面所繪制網(wǎng)格的變化，通過計(jì)算網(wǎng)格的線長和面積變化得到皮膚表面的應(yīng)力變化情況，為LoNEs 網(wǎng)絡(luò)的有效繪制奠定預(yù)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

3.1 實(shí)驗(yàn)過程

3.1.1 實(shí)驗(yàn)動(dòng)作

結(jié)合肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)的活動(dòng)范圍和航天員登月的基本常用動(dòng)作，設(shè)定實(shí)驗(yàn)的11 個(gè)動(dòng)作（圖1）。 用4 個(gè)數(shù)字表示動(dòng)作狀態(tài)，前2 位表示肩部活動(dòng)角度：00 為肩外展0°，13 為肩外展30°，23 為肩屈曲30°；后2 位表示肘部活動(dòng)角度：00、30、60、90、99 分別表示肘屈曲0°、30°、60°、90°和極限度。 由此，0000 表示手臂自然下垂?fàn)顟B(tài)；1390 表示肩外展30°，肘屈曲90°。 其中1390 為滿足航天員登月活動(dòng)要求的基本活動(dòng)角度。

圖1 測試動(dòng)作關(guān)節(jié)活動(dòng)角度說明Fig.1 Testing postures with different joint angles

3.1.2 體表實(shí)驗(yàn)網(wǎng)格繪制

考慮到手臂實(shí)驗(yàn)與未來袖片紙樣設(shè)計(jì)的有效關(guān)聯(lián)，在人體正常站立手臂自然下垂?fàn)顟B(tài)下，標(biāo)記10 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，包括腋窩點(diǎn)（a）、前腋點(diǎn)（b）、肩點(diǎn)（d）、后腋點(diǎn)（f）、沿臂根線取前腋點(diǎn)和肩點(diǎn)的中點(diǎn)（c）、沿臂根線取后腋點(diǎn)和肩點(diǎn)的中點(diǎn)（e）、肘突點(diǎn)、肘窩點(diǎn)、橈骨莖突點(diǎn)和尺骨莖突點(diǎn)。 橫向標(biāo)記線以肘位線為基準(zhǔn)線，上下各3 cm 間隔畫水平線，向上接近上臂最大圍，向下接近手腕圍；縱向線以a、b、c、d、e、f 為起始點(diǎn)，分別連接肘突點(diǎn)和肘窩點(diǎn)內(nèi)外側(cè)各三等分的點(diǎn)，以及橈骨莖突點(diǎn)和尺骨莖突點(diǎn)內(nèi)外側(cè)各三等分的點(diǎn)，共6 條；最后畫每個(gè)格子的對角線，如圖2 所示。

圖2 手臂標(biāo)記線示意圖Fig.2 Map of arm marking lines

3.1.3 三維掃描及二維照相測量

體表實(shí)驗(yàn)網(wǎng)格繪制完成后，采用手持三維掃描儀掃描11 個(gè)實(shí)驗(yàn)動(dòng)作，并使用二維Shapline 測量儀進(jìn)行照相及輪廓測量。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

基于3.1 節(jié)的手臂實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)行如下分析：

1）將手臂三維掃描數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維分析軟件，測量11 個(gè)動(dòng)作狀態(tài)下應(yīng)變網(wǎng)格中每個(gè)格子在橫向、縱向、左斜、右斜4 個(gè)方向上的長度變化。

2）計(jì)算10 個(gè)動(dòng)作（除動(dòng)作0000 以外）下每個(gè)應(yīng)變網(wǎng)格線的長度與0000 手臂自然下垂?fàn)顟B(tài)相比的伸縮率（Elongation， E）變化，以1390 為例，＝［（-）］×100%。 根據(jù)長度伸縮率繪制得到如圖3 所示1390 動(dòng)作下手臂皮膚表面長度應(yīng)變情況， 不同的伸縮率用不同的顏色表示。 其中越接近紅色代表皮膚運(yùn)動(dòng)過程中拉伸越大，越接近深藍(lán)色代表運(yùn)動(dòng)過程中收縮越大。

圖3 1390 動(dòng)作下手臂皮膚網(wǎng)格長度變化示意圖Fig.3 Strain of the arm mesh under 1390 posture

3）針對手臂應(yīng)變網(wǎng)格中的每一條線段，分別計(jì)算10 個(gè)動(dòng)作狀態(tài)與手臂自然下垂?fàn)顟B(tài)相比的長度伸縮率的變化情況，分析每條線段在10 個(gè)動(dòng)作狀態(tài)下的變化趨勢，不同的分類用不同顏色表示（表2）。 如某條線段在做10 個(gè)動(dòng)作時(shí)的伸縮率絕對值均在5%以內(nèi)，表示該線段皮膚表面完全不變，用表中對應(yīng)的綠色標(biāo)注，依此繪制得到圖4 所示的皮膚表面伸縮變化示意圖。

圖4 手臂皮膚網(wǎng)格長度變化（10 個(gè)動(dòng)作與靜止疊加）Fig.4 Strain of the arm mesh under 10 postures as compared with static posture 0000

表2 皮膚應(yīng)變網(wǎng)格線段長度變化率定義Table 2 Definition of change rate of line length in arm mesh strain

4）以滿足航天員登月活動(dòng)要求的基本活動(dòng)角度動(dòng)作1390 為參考，與手臂自然下垂?fàn)顟B(tài)0000 作對比，以三維掃描儀原點(diǎn)為參考，分別計(jì)算2 個(gè)動(dòng)作狀態(tài)下每個(gè)皮膚網(wǎng)格的4 個(gè)端點(diǎn)、對角線交點(diǎn)及相關(guān)區(qū)域體表點(diǎn)云數(shù)據(jù)的坐標(biāo)點(diǎn)，由此計(jì)算每個(gè)網(wǎng)格上側(cè)、下側(cè)、左側(cè)、右側(cè)的面積伸縮率（圖5），＝［（-）］×100%；繪制得到1390 動(dòng)作下手臂皮膚表面積的變化情況（圖6），伸縮率用不同顏色表示，越接近紅色代表皮膚運(yùn)動(dòng)過程中延展率越大，越接近深藍(lán)色代表運(yùn)動(dòng)過程中收縮率越大。

圖5 手臂皮膚網(wǎng)格面積測試區(qū)域示意圖Fig.5 Proportion definition of each arm mesh

圖6 手臂皮膚網(wǎng)格面積變化（1390 動(dòng)作與靜止疊加）Fig.6 Strain of the arm mesh under 1390 posture as compared with static posture

綜上，通過分析人體三維掃描數(shù)據(jù)，得到手臂皮膚表面延展區(qū)域和非延展區(qū)域三維網(wǎng)格模型。通過此模型可以看出，人體胳膊肘關(guān)節(jié)處變化率最大，最大延展率達(dá)到55.94%；肘窩處收縮率最大，最高收縮率達(dá)到51.66%；綠色表示面積無伸縮或極小伸縮率，面積伸縮率在-5%～5%；肱二頭肌和肱三頭肌區(qū)域（格子主要為綠色、淡黃色和淡藍(lán)色）變化相對較小，但有一定變化的區(qū)域。

4 手臂皮膚表面非延長線網(wǎng)絡(luò)繪制研究

通過3.1 及3.2 節(jié)得到了手臂皮膚表面的應(yīng)變數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了人體表面確實(shí)存在非延展區(qū)域。在此基礎(chǔ)上應(yīng)用應(yīng)變橢球體理論，尋找皮膚表面的實(shí)驗(yàn)標(biāo)記圓（應(yīng)變單圓）在運(yùn)動(dòng)過程中變?yōu)闄E圓時(shí)共軛直徑（非延長線）的存在狀態(tài)及夾角的變化（圖7），探索皮膚表面非延長線網(wǎng)絡(luò)的有效繪制方法。

圖7 共軛直徑定義Fig.7 Definition of conjugate diameter

4.1 實(shí)驗(yàn)過程

4.1.1 非延長線繪制的起始區(qū)域確認(rèn)

人體皮膚的延展率變化非常小或不發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)變單圓的形變量很小或不發(fā)生形變，很難準(zhǔn)確尋找到2 條特定的共軛直徑。 如果錯(cuò)誤地繪制了共軛直徑，就會(huì)影響人體非延長線的正確延展，因此找到合適的皮膚區(qū)域作為起始人體非延長線的繪制區(qū)域尤為關(guān)鍵。

為確定人體手臂非延長線的起始繪制區(qū)域，通過李少游研究可知：當(dāng)物體受應(yīng)變力作用發(fā)生形變時(shí)，衡量形變程度的量是通過應(yīng)變來進(jìn)行判斷的。 從小的應(yīng)變到大的應(yīng)變，不僅僅反映量的變化，同時(shí)也體現(xiàn)物體性質(zhì)的變化。 在大應(yīng)變中，應(yīng)變和應(yīng)力的關(guān)系相對復(fù)雜，一般為非線性關(guān)系，不符合胡克定律，只有在小應(yīng)變中，兩者關(guān)系才為線性關(guān)系，符合胡克定律。

為了驗(yàn)證手臂各個(gè)區(qū)域在運(yùn)動(dòng)過程中，應(yīng)變與應(yīng)力之間是否符合線性規(guī)律，設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)：基于人體工學(xué)及解剖學(xué)，選取人體手臂的7 個(gè)區(qū)域，包括袖山、肱二頭肌、肱三頭肌、肘點(diǎn)周圍、肘窩周圍、腕曲肌群和腕伸肌群作為理論驗(yàn)證區(qū)域。 實(shí)驗(yàn)過程如下：①志愿者手臂保持自然下垂?fàn)顟B(tài)，分別在上述區(qū)域內(nèi)繪制一個(gè)直徑為3 cm 的單圓；②志愿者手臂保持極限運(yùn)動(dòng)姿勢不動(dòng)，觀察圓的共軛直徑夾角（圖7）的變化；③通過二維圖像記錄結(jié)果（表3）。

通過分析比較表3 中不同區(qū)域共軛直徑的夾角可知，袖山區(qū)域、肱二頭肌區(qū)域、肱三頭肌區(qū)域、碗屈肌群區(qū)域和腕伸肌群區(qū)域?qū)儆谑直坌?yīng)變區(qū)域，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系符合胡克定律，且為線性關(guān)系，通過手臂運(yùn)動(dòng)，可以找到應(yīng)變單圓的共軛直徑；肘點(diǎn)和肘窩區(qū)域?qū)儆谑直鄞髴?yīng)變區(qū)域，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系不符合胡克定律，且為非線性關(guān)系，通過手臂運(yùn)動(dòng)，找不到應(yīng)變單圓的2 條共軛直徑。 所以在繪制人體手臂非延長線時(shí)，不能將肘點(diǎn)和肘窩附近區(qū)域作為繪制人體手臂非延長線的起始區(qū)域。

表3 手臂各部位共軛直徑角度Φ 的變化Table 3 Changes of conjugate diameter Φ at different areas of the arm

排除皮膚延展率變化極大區(qū)域?qū)τ诶L制人體手臂非延長線的干擾，在剩下的區(qū)域中，確定皮膚延展率變化相對較大的區(qū)域——上臂肱二頭肌和肱三頭肌區(qū)域作為繪制人體手臂非延長線的起始區(qū)域。

4.1.2 四方連續(xù)應(yīng)變模塊繪制方法

在Iberall 的實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)變單圓處于相對離散的狀態(tài)（圖8），可以看到趨勢，但并未形成有效、準(zhǔn)確的非延長線網(wǎng)絡(luò)。 在點(diǎn)對點(diǎn)（圖9 中的粉紅色圓）的繪制方法基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了四方連續(xù)的繪制方法，以確保人體手臂非延長線的準(zhǔn)確性和連貫性，具體繪制方法如下：①5 名志愿者手臂保持自然下垂?fàn)顟B(tài)，用3D 打印的印戳蘸取適量顏料，繪制兩兩相切且直徑為3 cm 的應(yīng)變單圓，布滿整個(gè)手臂上肢，如圖9 中粉紅色的圓所示；②在第一層應(yīng)變單圓兩兩相切的空隙處，再繪制一層應(yīng)變單圓（圖9 中淡藍(lán)色的圓），此時(shí)應(yīng)變單圓的排列方式近似于四方連續(xù)的排列方式，最終完成應(yīng)變模塊的建立（圖10）。 此繪制方法的目的是讓手臂皮膚所有區(qū)域都覆蓋單位應(yīng)變模塊，從而盡可能找到手臂皮膚上連貫的非延長線。

圖8 Iberall 非延長線網(wǎng)絡(luò)示意圖［9］Fig.8 Iberall experiment of LoNEs［9］

圖9 應(yīng)變單圓建立示意圖Fig.9 Diagram for establishing strain circles

圖10 手臂應(yīng)變模塊繪制完成圖Fig.10 Finished drawings of the arm strain module

4.1.3 共軛直徑與非延長線的繪制

結(jié)合四方連續(xù)繪制方法，在手臂自然下垂?fàn)顟B(tài)下追加5 條基準(zhǔn)參考線：橫向?yàn)橹馕痪€；縱向以肩點(diǎn)、腋窩點(diǎn)、前腋點(diǎn)、后腋點(diǎn)、肘突點(diǎn)、肘窩點(diǎn)、橈骨莖突點(diǎn)和尺骨莖突點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，繪制4 條縱向線。 在1390 動(dòng)作下找到每個(gè)圓的2 條共軛直徑（圖11），將所有共軛直徑通過點(diǎn)對點(diǎn)的方式連成線，經(jīng)過圓順初步得到一系列的非延長線，共5條，如圖12 所示。 使用不同顏色的無彈性標(biāo)記帶標(biāo)記初步得到的非延長線，讓肩關(guān)節(jié)和肘部屈曲不同的角度，如果標(biāo)記帶不能保持不變，調(diào)整標(biāo)記帶的位置，最終使所有標(biāo)記帶在不同屈曲角度下均保持不變，從而獲得手臂的非延長線，如圖13所示。 非延展線網(wǎng)絡(luò)繪制完成后，使用手持掃描儀對肘關(guān)節(jié)相關(guān)基本活動(dòng)姿態(tài)進(jìn)行掃描，并通過Shapeline 拍照計(jì)測。

圖11 共軛直徑繪制完成效果Fig.11 Finished drawings of arm conjugate diameters

圖12 1390 動(dòng)作下的非延長線網(wǎng)絡(luò)Fig. 12 Arm LoNEs under 1390 posture

圖13 非延長線網(wǎng)絡(luò)動(dòng)作驗(yàn)證Fig.13 Verification of LoNEs under different postures

4.2 結(jié)果與分析

采用上述方法完成了5 名測試者手臂非延長線網(wǎng)絡(luò)的繪制（圖14）。 由于5 名測試者的人體尺寸（表4）相對更接近70 名志愿者的平均值，從表4 與表1 中變異系數(shù)（CV）一列的比較來看，除身高一項(xiàng)，針對其他測量項(xiàng)，表4 的CV 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于表1，可理解為5 名測試者的人體尺寸數(shù)據(jù)是相對接近的。 從圖14 手臂非延長線網(wǎng)絡(luò)的完成效果來看，5 名測試者圍繞肌肉、關(guān)節(jié)的分布趨勢是一致的，但因手臂個(gè)體形態(tài)的差異，三維數(shù)據(jù)比對顯示5 套手臂非延長線網(wǎng)絡(luò)存在一定的差異，并非一一對應(yīng)，從機(jī)械反壓袖片的設(shè)計(jì)來看更適合針對個(gè)體單量單裁。 在未來的研究中，將嘗試通過Morphing 等手段建立身高（175±2.5）cm、BMI（21.5±2.5）kg／m組的代表性手臂與非延長線網(wǎng)絡(luò)，探討群體機(jī)械反壓袖片設(shè)計(jì)的可能性。

圖14 5 名測試者手臂非延長線網(wǎng)絡(luò)圖Fig.14 Arm LoNEs of 5 volunteers

表4 5 名測試者的手臂尺寸測量結(jié)果Table 4 Arm measurements in 5 volunteers

為進(jìn)一步分析在獲得人體手臂非延長線網(wǎng)絡(luò)、皮膚表面應(yīng)變網(wǎng)格數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，是否存在有效連接人體手臂皮膚應(yīng)變與航天服袖片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以提供均勻機(jī)械反壓的途徑，本研究基于人體測量數(shù)據(jù)最接近表1 平均值的1 名志愿者的三維掃描數(shù)據(jù)，疊加5 名志愿者皮膚表面網(wǎng)格的面積變化，通過三維掃描數(shù)據(jù)和逆向工程軟件對1390動(dòng)作狀態(tài)下的手臂皮膚表面應(yīng)變網(wǎng)格、表面積變化和非延長線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行疊加建模，結(jié)果如圖15 所示。

圖15 1390 動(dòng)作下手臂非延長線網(wǎng)絡(luò)與皮膚應(yīng)變重合圖Fig.15 Overlapping map of arm LoNEs and skin strain under 1390 posture

在此基礎(chǔ)上通過三維數(shù)據(jù)雕刻、和紙拓板、和紙展板等服裝CAD 設(shè)計(jì)手段，獲得0000 和1390動(dòng)作下含有非延長線和皮膚應(yīng)變網(wǎng)格的手臂動(dòng)、靜態(tài)二維基礎(chǔ)板（圖16），該基礎(chǔ)板為不含縮放的100%手臂平面展開紙樣（袖片原型）。 其中，非延長線網(wǎng)絡(luò)在0000 和1390 動(dòng)作下的基礎(chǔ)板如圖16（a）、（b）所示，其長度保持不變，皮膚表面的每一個(gè)網(wǎng)格從圖16（c）的靜止?fàn)顟B(tài)到圖16（d）的1390 動(dòng)作狀態(tài)，包含了皮膚表面的應(yīng)變及關(guān)節(jié)活動(dòng)帶來的網(wǎng)格面積變化。

機(jī)械反壓航天服的設(shè)計(jì)過程中需要在人體皮膚表面產(chǎn)生均勻、一致的機(jī)械反壓，在未來研究中，擬通過Laplace 方程結(jié)合人體分區(qū)域壓縮因子（即本文研究中獲得的皮膚表面伸縮應(yīng)變數(shù)據(jù)），結(jié)合面料的彈性模量與層數(shù)，分區(qū)域計(jì)算圖16 中網(wǎng)格的縮率，獲得滿足1390 動(dòng)作狀態(tài)下的袖子分區(qū)域縮率紙樣，并通過智能針織結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探索皮膚表面均勻施壓問題的科學(xué)解決方案。

通過分析可知：人體在運(yùn)動(dòng)過程中，皮膚表面存在著相對既不伸長也不縮短的部分，即非延長線網(wǎng)絡(luò)（見圖15 中黑色曲線）。 在未來星際航天服的壓力防護(hù)設(shè)計(jì)中，圖15 的手臂三維模型可對應(yīng)展成包含皮膚表面應(yīng)變信息的二維袖片紙樣（圖16）；可采用高強(qiáng)度材料沿著非延長線分布，以控制服裝形態(tài)；在非延長線之間根據(jù)皮膚應(yīng)變情況采用可產(chǎn)生機(jī)械反壓作用的不同彈性材料，探索通過非延長線的形態(tài)控制和彈性材料的相互作用，實(shí)現(xiàn)對人體皮膚表面施加相對均勻、一致的機(jī)械反壓的可能性。

圖16 手臂1390／0000 動(dòng)靜態(tài)展開基礎(chǔ)紙樣-100%縮率Fig.16 100% basic patterns of arms under 0000 ＆1390 postures

本文研究中，受時(shí)間、樣本量、實(shí)驗(yàn)量、研究手段等的限制，現(xiàn)階段尚未進(jìn)行身高（175±2.5）cm、BMI（21.5±2.5）kg／m組的代表性手臂與非延長線網(wǎng)絡(luò)歸一可能性的探討實(shí)驗(yàn)，以及不同動(dòng)作引起肌肉變形對網(wǎng)格繪制結(jié)果是否會(huì)造成一定影響的綜合對比實(shí)驗(yàn)。 在下一階段的研究中，擬通過三維動(dòng)態(tài)掃描儀針對不同動(dòng)作對皮膚應(yīng)變網(wǎng)格繪制的影響展開深入研究，并結(jié)合面料彈性模量與均勻施壓機(jī)械反壓航天服袖子的設(shè)計(jì)研究一一開展。

5 結(jié)論

1）明確了人體手臂應(yīng)變模塊繪制方法、手臂非延長線起始繪制區(qū)域和繪制LoNEs 網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)作姿態(tài)是影響人體手臂非延長線網(wǎng)絡(luò)繪制準(zhǔn)確性的三大因素。

2）以人體手臂皮膚表面的微小應(yīng)變區(qū)域作為非延長線的起始繪制區(qū)域，以四方連續(xù)應(yīng)變模塊作為非延長線網(wǎng)絡(luò)繪制方法，以滿足航天員登月活動(dòng)要求的基本活動(dòng)角度作為共軛直徑的初始狀態(tài)，并通過極限動(dòng)作進(jìn)行驗(yàn)證，可有效提升人體手臂非延長線網(wǎng)絡(luò)繪制的準(zhǔn)確性。

3）手臂體表非延長線網(wǎng)絡(luò)與皮膚應(yīng)變疊加形成的三維模型可為多材料復(fù)合MCP 航天服袖子均勻加壓模型的設(shè)計(jì)方案提供參考依據(jù)。

4）未來的研究工作將探討手臂應(yīng)變模型與航天服袖片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的具體關(guān)聯(lián)，研究如何通過對LoNEs 網(wǎng)絡(luò)的控制和航天服彈性材料分區(qū)域的作用，實(shí)現(xiàn)在人體皮膚表面產(chǎn)生均勻、一致的機(jī)械反壓。