金佳勤，于 淼，王 俠，張春明，孫亞寧

(青島大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，山東 青島 266071)

跑步是一項(xiàng)周期性有氧運(yùn)動(dòng)，由于跑步時(shí)長時(shí)間重復(fù)同一動(dòng)作，極易造成膝關(guān)節(jié)的過度使用性損傷[1-4]。為了減少運(yùn)動(dòng)損傷，科研人員潛心于各種緊身型運(yùn)動(dòng)褲的開發(fā)。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，以柔性壓力傳感器為代表的可穿戴設(shè)備已成為健康監(jiān)測領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。壓阻式壓力傳感器具有種類豐富、器件單一、導(dǎo)出機(jī)制簡單、能耗低等特點(diǎn)，是目前最受歡迎的壓力傳感器之一[5]?，F(xiàn)階段針對緊身運(yùn)動(dòng)服的研究集中于人體壓力舒適性、服裝壓對人體生理機(jī)能的影響以及服裝壓的影響因子等方面[6-7]，將智能可穿戴技術(shù)與緊身運(yùn)動(dòng)服相結(jié)合，對服裝壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的研究較少[8]。

文中結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)和市場需求，將柔軟性、延展性、輕便性、安全性、功能性和可拆卸性作為膝關(guān)節(jié)壓力監(jiān)測運(yùn)動(dòng)褲的設(shè)計(jì)目標(biāo)，使運(yùn)動(dòng)褲在滿足膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對膝關(guān)節(jié)立體受力情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測，以期在自身健康監(jiān)測、遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷及康復(fù)檢測方面取得更好的效果[9]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料

1.1.1原料 經(jīng)編彈性針織面料(1#，2#)，廣州偉卓布行有限公司提供；Coolmax?纖維針織面料，美國杜邦公司生產(chǎn)。面料規(guī)格參數(shù)見表1。

1.1.2儀器 YG(B)606G型紡織品熱阻和濕阻測試儀，溫州大榮紡織儀器有限公司制造；YG461E-III型全自動(dòng)透氣量儀，寧波紡織儀器廠制造；YG(B)216-II型織物透濕量儀，溫州際高檢測儀器有限公司制造；KES-F織物風(fēng)格儀，上海羅中科技發(fā)展有限公司制造；YG065H-250型電子織物強(qiáng)力儀，萊州電子儀器有限公司制造。

表1 面料規(guī)格

1.2 方法

1.2.1熱濕舒適性測試 根據(jù)GB/T 11048—2018《紡織品生理舒適性穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測定(蒸發(fā)熱板法)》[10]，采用織物保溫儀測試面料(1#，2#)的傳導(dǎo)系數(shù)。每組實(shí)驗(yàn)測3次，取平均值(下同)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境：溫度(25±5) ℃，相對濕度(65±5) %，靜置24 h。

參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測定》[11]，采用透氣量儀對面料(1#，2#)的透氣性進(jìn)行測試；依據(jù)GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗(yàn)方法 第1部分：吸濕法》[12]，采用織物透濕量儀對面料(1#，2#)的透濕率進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)環(huán)境：溫度(25±5) ℃，相對濕度(65±5) %。

1.2.2接觸舒適性能測試 運(yùn)用織物風(fēng)格儀測試面料(1#，2#)的彎曲剛度、彎曲滯后矩、動(dòng)摩擦平均系數(shù)、摩擦系數(shù)平均偏差、表面粗糙度。實(shí)驗(yàn)環(huán)境：溫度(25±5) ℃，相對濕度(65±5) %。

1.2.3拉伸彈性性能測試 參照ASTMD3107— 2007《彈力紗機(jī)織物拉伸性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》[13]，采用織物強(qiáng)力儀對面料(1#，2#)的伸長率和形變率進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)環(huán)境：溫度(25±5) ℃，相對濕度(65±5) %。

1.3 結(jié)果與討論

1.3.1熱濕舒適性 面料的熱濕舒適性測試結(jié)果見表2。

表2 面料熱濕舒適性測試結(jié)果

由表2可以看出，面料2#熱阻值比1#的小，說明面料2#熱傳遞效率高，且其透氣率、透濕率比1#大。因此，面料2#熱濕舒適性更好，能夠滿足人體在正常運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度下的透氣、透濕及散熱等需求，適合作為運(yùn)動(dòng)褲的主面料。

1.3.2接觸舒適性 面料的接觸舒適性測試結(jié)果見表3。

表3 面料接觸舒適性測試結(jié)果

由表3可以看出，兩種面料的彎曲滯后矩均較低，產(chǎn)生彎曲變形后易恢復(fù)，而面料2#的抗彎剛度更低，手感更佳，適合作為樣褲的主體面料。兩種面料經(jīng)向的摩擦系數(shù)和粗糙度比緯向的小，其中面料1#表面更為粗糙，適合局部配伍，以減少與下肢的接觸面積。

1.3.3拉伸彈性性能 面料的拉伸彈性性能測試結(jié)果見表4。

表4 面料拉伸彈性性能測試結(jié)果

由表4可以看出，面料1#的定負(fù)荷伸長率明顯小于面料2#的，且面料1#的定負(fù)荷急彈性變形率大于面料2#的，故面料1#在外力作用下不易產(chǎn)生形變且形變后易恢復(fù)，說明其拉伸彈性、形變回復(fù)能力良好，更適合分配在膝關(guān)節(jié)等活動(dòng)較為頻繁、形變程度較大的部位，從而有效增大服裝壓，提高防護(hù)功能。

2 樣褲設(shè)計(jì)

2.1 運(yùn)動(dòng)褲設(shè)計(jì)

根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)自由度與人體各區(qū)域溫度及出汗分布情況，采用區(qū)域分割的方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)褲設(shè)計(jì)：①跑步過程中，人體會(huì)產(chǎn)生很多熱量和汗液，運(yùn)動(dòng)服極易被浸濕，因此選取具有透濕、透氣、速干以及降溫功效的運(yùn)動(dòng)服面料；②跑步過程中，人體后腰中部是熱量和汗液聚集的部位，選用Coolmax?面料[14-15]，因其具有許多毛細(xì)血管效應(yīng)強(qiáng)的細(xì)小芯吸管道，且纖維的比表面積大，能夠使織物表面的汗液快速蒸發(fā)，保持皮膚干爽，提高主觀舒適性；③在運(yùn)動(dòng)過程中，體表皮膚會(huì)根據(jù)運(yùn)動(dòng)趨勢在縱、橫向上發(fā)生不同程度的拉伸形變，膝關(guān)節(jié)外側(cè)皮膚的拉伸形變大于膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)皮膚的[16]，且均為縱向拉伸形變量大于橫向拉伸形變量，因此膝關(guān)節(jié)采用上下不對稱式外長里短的圓弧形設(shè)計(jì)，搭配彈性較大的面料1#，滿足膝關(guān)節(jié)的壓力舒適性需求，并對膝關(guān)節(jié)起一定的保護(hù)作用；④除膝關(guān)節(jié)和后腰中部，剩余區(qū)域選取熱濕舒適性、接觸舒適性良好的面料2#；⑤為提高視覺效果，臀部運(yùn)用心形設(shè)計(jì)，以提升翹點(diǎn)、改善臀型，臀部兩側(cè)與后腰中部為一體式設(shè)計(jì)，可拉長腿部弱化胯寬，達(dá)到增高顯瘦的效果[9]。

在此基礎(chǔ)上得到研究所需運(yùn)動(dòng)褲基礎(chǔ)樣板，具體如圖 1所示。

緊身褲規(guī)格尺寸為：160/68A。褲長90 cm，腰圍65 cm，臀圍84 cm，褲口寬12 cm。在運(yùn)動(dòng)褲膝關(guān)節(jié)前片對應(yīng)位置的反面縫制略大于柔性壓力監(jiān)測傳感器尺寸的橢圓形內(nèi)貼口袋，內(nèi)貼口袋只縫合3/4，上部1/4不縫合作為袋口，便于柔性壓力監(jiān)測傳感器的放置與取出。

2.2 柔性壓力監(jiān)測傳感器設(shè)計(jì)

利用電阻應(yīng)變原理設(shè)計(jì)具有良好柔韌性、伸縮性、貼合度以及舒適性的立體柔性壓力監(jiān)測傳感器，間接測量跑步運(yùn)動(dòng)過程中膝關(guān)節(jié)壓力變化。

2.2.1柔性壓力監(jiān)測傳感器 在跑步運(yùn)動(dòng)過程中，膝部是人體承受壓力最大且使用最頻繁的部位之一，也是損傷概率最高的部位之一。膝關(guān)節(jié)損傷主要表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)后的區(qū)域性疼痛，主要分布如圖2所示。

圖2 膝關(guān)節(jié)損傷及疼痛區(qū)域分布Fig.2 Distribution of knee injury and pain area

文中根據(jù)膝關(guān)節(jié)損傷情況及疼痛發(fā)生區(qū)域分布進(jìn)行膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器設(shè)計(jì)，具體如圖 3所示。膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器及其內(nèi)部的壓力監(jiān)測元件設(shè)計(jì)和制作均自行完成。

圖3 膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器示意 Fig.3 Schematic diagram of flexible pressure monitoring sensor for knee joint

壓力監(jiān)測元件以強(qiáng)彈性化纖面料為基底，保證監(jiān)測元件的延展性，表面涂覆納米級的導(dǎo)電涂層(導(dǎo)電涂層厚度由電腦根據(jù)膝關(guān)節(jié)壓力值范圍模擬計(jì)算所得)。

柔性導(dǎo)體置于化纖面料和壓力監(jiān)測元件之間，以“+”字設(shè)計(jì)將柔性導(dǎo)體的所有監(jiān)測元件連接起來，每一塊壓力監(jiān)測元件下方有兩根柔性導(dǎo)線，一根連接外部線路，一根連接其他壓力監(jiān)測元件。壓力監(jiān)測元件下柔性導(dǎo)體排列如圖 4所示。圖4中置于壓力監(jiān)測元件下的柔性導(dǎo)體以兩個(gè)交叉的“F”形排列，監(jiān)測元件與柔性導(dǎo)體充分接觸以確保所測壓力數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

圖4 壓力監(jiān)測元件下柔性導(dǎo)體排列示意Fig.4 Schematic diagram of flexible conductor arrangement under pressure monitoring element

柔性導(dǎo)體和壓力監(jiān)測元件均固定于長直徑為15.6 cm、短直徑為15.2 cm的橢圓形化纖面料之上，化纖面料、壓力監(jiān)測元件和柔性導(dǎo)體共同構(gòu)成膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器。橢圓形化纖面料上均勻設(shè)有4個(gè)長5 cm、寬0.9 cm的省道，以提升膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器的貼體度，減小測量誤差。

2.2.2微控制元件 微控制元件包含具有16 KB～1 MB Flash、多種控制外設(shè)、USB全速接口和CAN的微控制器STM32F103以及4 cm×6 cm的22402A-18電路板，通過上下焊接方式組合在一起。微型控制元件利用柔性導(dǎo)線與傳感元件相連接，為傳感器提供驅(qū)動(dòng)電阻的同時(shí)，接收、放大傳感器所感知的外界壓力，并將傳感器內(nèi)部產(chǎn)生的電阻信號轉(zhuǎn)換成可被電腦識(shí)別的數(shù)字信號，傳輸?shù)诫娔X終端，最后完成壓力數(shù)值的實(shí)時(shí)記錄與導(dǎo)出。

自行設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)褲兩條，一條運(yùn)動(dòng)褲內(nèi)貼袋中放置膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器，另一條作為參照組。

3 樣褲性能測試和評價(jià)

3.1 實(shí)驗(yàn)對象

選取6名年齡為(24±2)歲、身體健康、有跑步運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷且無膝關(guān)節(jié)損傷的女大學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)對象，其腿型相似，平時(shí)均穿M碼褲子。受試者具體信息見表5。

表5 受試者基本信息

3.2 實(shí)驗(yàn)儀器

膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器，自制；氣囊式接觸壓力測試儀，北京力泰友聯(lián)科技有限公司制造；Moxy近紅外光實(shí)時(shí)無線無創(chuàng)肌氧監(jiān)測儀，世紀(jì)天鴻國際集團(tuán)股份有限公司制造；MSR145W溫濕度傳感器，廣州虹科電子科技有限公司制造。

3.3 實(shí)驗(yàn)方法

3.3.1壓力測試 采用氣囊式接觸壓力測試儀和膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器對穿著樣褲受試者的膝關(guān)節(jié)壓力進(jìn)行測試。實(shí)驗(yàn)環(huán)境：溫度(25±5) ℃，相對濕度(65±5)%。

3.3.2肌氧測試 采用近紅外光實(shí)時(shí)無線無創(chuàng)肌氧監(jiān)測儀對受試者穿著樣衣運(yùn)動(dòng)過程中腓腸肌、股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌的肌氧飽和度和總血紅蛋白變化情況進(jìn)行監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)環(huán)境：溫度(25±5) ℃，相對濕度(65±5)%。

3.3.3熱濕度測試 采用溫濕度傳感器對受試者穿著樣褲運(yùn)動(dòng)過程中腓腸肌、股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌的溫度變化情況進(jìn)行監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)環(huán)境：溫度(25±5) ℃，相對濕度(65±5) %。

3.4 效果評估

3.4.1壓力評估 為了檢驗(yàn)膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在受試者穿著樣褲靜止站立狀態(tài)下[9]，分別采用氣囊式接觸壓力測試儀和膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器對膝關(guān)節(jié)5個(gè)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行壓力測試，記為方法1和方法2，具體結(jié)果見表6。

表6 靜止站立時(shí)膝關(guān)節(jié)壓力測試結(jié)果比較

由表6可知，與氣囊式接觸壓力測試儀測試數(shù)據(jù)相比，膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器所測人體膝關(guān)節(jié)受壓數(shù)值存在一定的誤差。究其原因：①膝關(guān)節(jié)立體彎曲結(jié)構(gòu)導(dǎo)致傳感器不能完全貼合體表；②傳感器置于運(yùn)動(dòng)褲內(nèi)貼袋中，未與皮膚直接接觸，該誤差由運(yùn)動(dòng)褲和人體共同導(dǎo)致。運(yùn)用t檢驗(yàn)驗(yàn)證柔性壓力傳感器所測數(shù)據(jù)的有效性[9]，結(jié)果見表7。

由表 7可知，左右膝關(guān)節(jié)F值相伴概率均大于顯著水平0.05，說明自制膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器監(jiān)測結(jié)果可靠；當(dāng)方差相等時(shí)，T統(tǒng)計(jì)量的相伴概率均大于顯著水平0.05，不能拒絕方差相等的假設(shè)，即自制膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器與氣囊式接觸壓力測試儀所測得的壓力平均值不存在顯著差異。從樣本均值差的95%置信區(qū)間看，區(qū)間跨0，說明膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測傳感器監(jiān)測結(jié)果可靠。

3.4.2肌氧評估 受試者穿著樣褲運(yùn)動(dòng)過程中肌氧測試結(jié)果如圖 5所示。

表7 左右膝關(guān)節(jié)受壓獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)輸出結(jié)果

圖5 肌氧測試結(jié)果Fig.5 Muscle oxygen test results

由圖5可以看出，肌氧飽和度和總血紅蛋白的曲線變化趨勢相似，監(jiān)測的3個(gè)部位的曲線變化趨勢也相似。前15 min，血氧飽和度和總血紅蛋白隨著跑步速度的增加而減少；15 min時(shí)，其值下降到最低；15～40 min，隨著時(shí)間的推移，又逐漸回升至相對穩(wěn)定狀態(tài)；后10 min，逐步恢復(fù)到穩(wěn)定水平。這是由于前期加速，肌肉突然收縮，血管受到壓迫，肌肉血流量減少，肌氧飽和度和總血紅蛋白降低；隨著運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的穩(wěn)定，人體逐漸適應(yīng)，各器官重新分配血流量，肌氧飽和度和總血紅蛋白恢復(fù)至穩(wěn)定水平；恢復(fù)期其含量均高于初始水平，說明運(yùn)動(dòng)褲具有一定的緩解肌肉疲勞的作用[14]。

3.4.3溫濕度評估 受試者穿著樣褲運(yùn)動(dòng)過程中熱濕測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 平均體表溫度變化Fig.6 Average body surface temperature variation graph

由圖6可以看出，在跑步過程中，3個(gè)區(qū)域的肌肉溫度變化較平穩(wěn)，維持在31～34 ℃之間，人體的熱感覺舒適性較好，沒有出現(xiàn)突然升溫或降溫的現(xiàn)象。前25 min，隨著運(yùn)動(dòng)負(fù)荷和人體代謝活動(dòng)的增強(qiáng)，人體心率逐漸加快，產(chǎn)熱增加，毛細(xì)血管擴(kuò)張[17]，體溫有所增加；25 min后，人體適應(yīng)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度，其內(nèi)循環(huán)穩(wěn)定，人體產(chǎn)熱和出汗率保持相對穩(wěn)定，體溫也應(yīng)保持相對穩(wěn)定，但此處數(shù)據(jù)顯示體溫有所下降，說明運(yùn)動(dòng)褲透濕排濕性能良好，吸收體表部分熱量，達(dá)到降溫作用。

3.4.4主觀評估 文中運(yùn)用5等分量表法對樣褲進(jìn)行主觀評價(jià)。-2代表差，-1代表較差，0代表一般，1代表較好，2代表好[9]。

在跑步測試方案結(jié)束后，對受試者穿著樣褲的自身真實(shí)舒適感受進(jìn)行問卷調(diào)查，具體包括束縛感、悶熱感、黏體感、潮濕感、柔軟感、壓迫感、運(yùn)動(dòng)便利性以及綜合穿著舒適感等指標(biāo)，評價(jià)并打出相應(yīng)分值，取平均值。樣褲的主觀舒適性評估分析結(jié)果如圖7所示。

由圖7可以看出，樣褲滿足人體基本穿著舒適性要求。靜止站立時(shí)的穿著舒適性最好(跑步前大于跑步后)，其次是開始跑步的第2階段，再次是遞減負(fù)荷的第4階段，最后才是遞增負(fù)荷的第3階段。第2階段，運(yùn)動(dòng)褲產(chǎn)生形變使服裝壓增大，束縛感、壓迫感增加；第3階段，隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的增加，運(yùn)動(dòng)褲產(chǎn)生的服裝壓增大，束縛感和壓迫感增加更為明顯；第4階段，運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度逐漸減弱，壓迫感減弱明顯，但運(yùn)動(dòng)時(shí)間長，悶熱感增加明顯。隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和時(shí)間的增加，人體新陳代謝加快，會(huì)有大量汗液排出，導(dǎo)致悶熱感、潮濕感、黏體感等增加，尤其在第3階段和第4階段，隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和時(shí)間的增加，舒適性不斷下降；在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，樣褲的運(yùn)動(dòng)便利性始終良好。運(yùn)動(dòng)過程中，樣褲客觀評價(jià)結(jié)果均保持在1.5評分以上，整體舒適性穩(wěn)定，變化小，說明樣褲的款式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較合理。

圖7 主觀評估結(jié)果Fig.7 Subjective assessment result

4 結(jié) 語

隨著跑步運(yùn)動(dòng)的興起與流行，消費(fèi)者對緊身運(yùn)動(dòng)服的需求逐漸提升，在滿足基本穿著功能的同時(shí)期望獲取更多的附加功能。文中設(shè)計(jì)的智能運(yùn)動(dòng)褲能夠有效地獲取膝關(guān)節(jié)壓力值，結(jié)合步態(tài)分析系統(tǒng)，判斷運(yùn)動(dòng)姿勢的準(zhǔn)確性，通過反饋的數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整訓(xùn)練計(jì)劃，改變運(yùn)動(dòng)方式，降低損傷風(fēng)險(xiǎn)；將監(jiān)測元件微型化并與服裝有效的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)人體生理健康參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與傳輸。