基于仿生結(jié)構(gòu)的柔性可穿戴外服舒適性評價

鄧詠梅,陳炳基

(1.西安工程大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院,陜西 西安 710048;2.愛慕內(nèi)衣有限公司，北京 110000)

0 引 言

根據(jù)國家統(tǒng)計局2006年第二次全國殘疾人抽樣調(diào)查結(jié)果顯示,中國殘疾人數(shù)達到8 296萬,占總?cè)藬?shù)的6.34%[1],其中中風(fēng)是造成長期殘疾的主要原因。在全世界超過3 300萬中風(fēng)患者中有1/3來自中國,且中國中風(fēng)發(fā)病率以10%的速度上升[2-3]?！吨袊难懿蟾?016》推算中國腦卒中患者高達1 300萬,其中約1/3腦卒中幸存者由于神經(jīng)功能損傷導(dǎo)致偏癱,喪失獨立的運動能力[4]。傳統(tǒng)的治療方法大多為物理療法,需要長時間的恢復(fù)訓(xùn)練,但效果卻不盡人意,有超過80%的中風(fēng)患者在經(jīng)過大量治療后仍存在殘余的步態(tài)障礙[5]。

柔性可穿戴外服設(shè)備是一種穿戴于人體上,為人體提供助力,協(xié)助人體行走的助力設(shè)備。有良好的可穿戴性與著裝舒適性,具有質(zhì)量輕、體積小、彈性好等特點。在醫(yī)療康復(fù)領(lǐng)域,柔性可穿戴外服因其與使用者預(yù)期動作有較高的吻合度和較強的適應(yīng)性,多應(yīng)用于腦中風(fēng)患者的步態(tài)康復(fù),并且使其能夠在拐杖的輔助下實現(xiàn)正常行走。同時,可通過穿戴下肢外骨骼設(shè)備增加負(fù)載量,為體力勞動者提供幫助,減少對人體的損傷。

現(xiàn)階段隨著科技水平的不斷提升,國內(nèi)外關(guān)于柔性可穿戴外服的研究逐漸從剛性機械結(jié)構(gòu)向柔性材料轉(zhuǎn)移；可穿戴外服也呈現(xiàn)出由剛變?nèi)?，由繁變簡的轉(zhuǎn)變,在注重功效性的同時,其穿著的舒適性也開始得到研究人員的廣泛關(guān)注[6-10]。柔性可穿戴外服的低成本、低質(zhì)量、高便攜等特性，使它開始逐漸得到廣泛的應(yīng)用。本文在分析人體下肢與服裝結(jié)構(gòu)關(guān)系的基礎(chǔ)上設(shè)計了1款基于功能型織物的柔性可穿戴外服。通過著裝實驗對其穿著舒適性進行主觀評價分析，結(jié)合現(xiàn)有外服設(shè)備的助力條件對柔性可穿戴外服可產(chǎn)生的助力效果進行評估。

1 原型設(shè)計與實現(xiàn)

Exosuits系列裝置[11-13]大多采用柔順、輕便、舒適的功能型紡織品?；谌梭w解剖學(xué)對下肢主要關(guān)節(jié)部位(下軀干、髖關(guān)節(jié)、大腿、膝關(guān)節(jié)、小腿、踝關(guān)節(jié)、足等)肌群進行分析,依據(jù)柔性可穿戴外服設(shè)計原則,并結(jié)合人體與服裝的關(guān)系,進行外服原型的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制作,得到柔性可穿戴外服原型樣衣。

1.1 下肢輔助關(guān)節(jié)部位選取

人體解剖學(xué)對人體按照3個基本平面與基本軸進行劃分[14], 依據(jù)人體劃分方法, 下肢關(guān)節(jié)的運動分為伸展/屈曲運動、外展/內(nèi)收運動和外旋/內(nèi)旋運動[15]。

王林[16]利用數(shù)字仿真軟件Life MOD對人體步行過程進行仿真,得出下肢各個肌肉的力曲線,發(fā)現(xiàn)大腿部位的股直肌出力最大,是人體步行過程中重要的肌肉;股內(nèi)側(cè)肌與股二頭肌是膝關(guān)節(jié)運動的重要肌群,脛前肌的發(fā)力情況最為復(fù)雜,對人體步行的穩(wěn)定與協(xié)調(diào)有著重要意義。

因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,將主要參考髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)以及踝關(guān)節(jié)等相關(guān)部位的肌肉受力延展走向,進行各個模塊的織物結(jié)構(gòu)設(shè)計,同時選定膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)作為研究的主要關(guān)節(jié)。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計原則 在柔性可穿戴外服的結(jié)構(gòu)設(shè)計中,在滿足人體著裝舒適性的前提下,要實現(xiàn)各個部件之間位移的最小化,將輔助力量最大限度地傳遞給人體。文獻[17]提出關(guān)于柔性可穿戴外服設(shè)計的六大原則:利用人體幾何學(xué)最大限度地提升結(jié)構(gòu)剛度；將設(shè)備固定在人體剛度最大的部位;材料具有高硬度且舒適性高;力的傳遞路徑是符合人體結(jié)構(gòu)的最短距離;減小服裝和人之間的剪切力；增加人體與外衣的接觸面積，減小正常壓力與摩擦力。在此基礎(chǔ)上,原型采用功能型織物，通過立體和平面裁剪的方法剪裁而成,在緯度方向上采用魔術(shù)貼和尼龍繩扣進行連接,在保證安全性和舒適性的前提下,牢固地固定在腰部、小腿等部位。

1.2.2 原型結(jié)構(gòu)設(shè)計 基于人體骨骼肌肉組織的分布延展形態(tài)以及人體生物力學(xué)特征,在分析人體與服裝的相互關(guān)系的基礎(chǔ)上,進行男性標(biāo)準(zhǔn)人體號型175/96A柔性可穿戴外服原型結(jié)構(gòu)設(shè)計，其規(guī)格尺寸分別為腰圍86.5 cm,臀圍98.5 cm,前中長11 cm,后中長15.5 cm,側(cè)縫長15.5 cm,大腿圍57 cm,小腿圍37 cm, 足長28 cm,足寬10.5 cm。柔性可穿戴外服原型整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,原型腰帶及小腿環(huán)帶細部結(jié)構(gòu)及尺寸如圖2所示。

圖1 柔性可穿戴外服原型整體結(jié)構(gòu)

(a)腰帶 (b)小腿環(huán)帶

1.3 面料選取

平紋棉織物、滌棉織物具有良好的彈性、耐磨性和舒適性,夾網(wǎng)布可用于增加面料強度實現(xiàn)較好的支撐效果。因此可由平紋棉織物、滌棉織物和夾網(wǎng)布等作為柔性可穿戴外服的主要面料，如圖3所示。通過面料性能分析,得出3種織物的具體規(guī)格參數(shù)。同時利用YG026PC-500電子織物強力機測試服用面料的彈性性能。得到3種服用織物的拉伸性能，服用織物主要規(guī)格參數(shù)見表1。其中，平紋棉織物主要用于腰帶、連接帶、小腿環(huán)帶等主體部位；平紋滌棉織物為柔性可穿戴外服原型，主體結(jié)構(gòu)采用包邊面料；PVC夾網(wǎng)布主要用在腰帶、連接帶、小腿環(huán)帶等主體部位的夾層。

表1 服用織物主要規(guī)格參數(shù)

1.4 柔性可穿戴外服原型制作

(1)外服主體面料為平紋棉織物,包邊面料為平紋滌棉織物。

上面說到的一些原材料中，質(zhì)量控制主要是體現(xiàn)在含泥量方面，按照已有的標(biāo)準(zhǔn)慣例來看，在砂石的含泥量中不得大于3%，而碎石的含泥量也不能超過2%，假若是不小心超過了這個已有的標(biāo)準(zhǔn)，那將會對整個建筑工程的質(zhì)量帶來尤為嚴(yán)重的危害。并且除了上文說的要保證碎石、砂石等原材料的含泥量外，也需要做好對于骨料的質(zhì)量控制，骨料看重的是他的含水量，這個因素將直接影響著混凝土的強度，在選擇骨料的時候應(yīng)該選擇熱膨脹系數(shù)比較小，且含泥量相對較低的骨料。在材料的質(zhì)量控制中，要對混凝土進行嚴(yán)格把控，這也是整個建筑材料的質(zhì)量核心，混凝土質(zhì)量與規(guī)格的達標(biāo)是對整個建筑材料的保證，更是有利于提升建筑工程整體的施工質(zhì)量和建設(shè)水平。

(2)外服主要部位采用平紋棉織物+PVC夾網(wǎng)布+平紋棉織物面料的三明治結(jié)構(gòu)。

(3)采用立體裁剪和平面裁剪相結(jié)合的制作工藝。

外服原型結(jié)構(gòu)及細部如圖3所示。

圖3 柔性可穿戴外服原型實物

2 原型穿著評價

2.1 原型穿著主觀評價

2.1.1 實驗?zāi)康?通過讓志愿者分別穿著外服樣衣并搭配不同的牛仔褲、休閑褲及運動短褲，測試并記錄穿著樣衣適體性的主觀感受。

2.1.2 主觀評價方法選擇 據(jù)心理物理學(xué)顯示,數(shù)量估計是一個簡單而且應(yīng)用廣泛的心理量的表示方法。李克特量表包括5級量表、7級量表和10級量表等不同的表現(xiàn)形式[18]。李克特量表表明被調(diào)查者對某一事物的態(tài)度、看法、評價或者意向。

針對柔性可穿戴外服穿著舒適性的問題,運用心理學(xué)量表法,以服裝壓迫感和穿著束縛感等作為心理學(xué)評價標(biāo)尺，并采用李克特7級量表進行主觀評價,涉及壓迫感、束縛感、滑脫感、重量感、柔軟感、總體滿意度等6個評價項目。

2.1.4 結(jié)果分析與驗證 (1)結(jié)果統(tǒng)計。5名志愿者在自然狀態(tài)下穿著柔性可穿戴外服感覺舒適的情況下,通過對比穿著樣衣前后圍度的變化,發(fā)現(xiàn)穿著舒適的放松量處于1.5～2.5 cm之間。同時,根據(jù)表2設(shè)定的7級評價標(biāo)尺,記錄5位志愿者在穿著實驗過程中處于不同目標(biāo)狀態(tài)時主觀感受的數(shù)據(jù)結(jié)果。

表2 感覺測試評價等級標(biāo)尺

(2)分析與驗證。非參數(shù)Kendall協(xié)同系數(shù)W檢驗法是對多個相關(guān)樣本進行的檢驗方法,其零假設(shè)是由于評判者的評判標(biāo)準(zhǔn)不一致,經(jīng)常檢驗對主觀評價者之間評分是否具有一致性[19]。為了驗證評價者評價結(jié)果的一致性,對3種穿著搭配進行Kendall協(xié)同系數(shù)檢驗。當(dāng)顯著性水平a<0.05時,為零假設(shè)，表示志愿者之間的評價結(jié)果有一致性。Kendall協(xié)同系數(shù)檢驗見表3。

表3 Kendall協(xié)同系數(shù)檢驗

從表3可以看出,牛仔褲、休閑褲和運動短褲的Kendall協(xié)同系數(shù)值檢驗結(jié)果Sig.<0.05,說明評價結(jié)果具有一致性。

通過SPSS 17.0對主觀調(diào)查問卷進行描述性統(tǒng)計分析,總體感覺描述性統(tǒng)計結(jié)果見表4,綜合評價指標(biāo)折線圖如圖4所示。

表4 3種搭配總體感覺描述性統(tǒng)計分析

從表4和圖4可以看出,在志愿者的整體滿意度中,外服與運動短褲搭配的舒適性優(yōu)于與休閑褲和牛仔褲搭配。牛仔褲優(yōu)于休閑褲說明搭配服裝的緊身程度影響設(shè)備的著裝舒適性,服裝貼體性越好,與之搭配后舒適性越好。外服著裝搭配舒適性等級為運動短褲>牛仔褲>休閑褲。因此，此類柔性可穿戴外服應(yīng)添加緊身衣作為內(nèi)襯,使其在為使用者提供助力的同時穿著更加舒適。

圖4 總體滿意程度描述性統(tǒng)計分析折線圖

2.2 助力效果評估

根據(jù)現(xiàn)有柔性可穿戴外服的助力效果,得到柔性可穿戴外服進行助力所需的條件,進而評估本次所制作的柔性可穿戴外服原型能夠產(chǎn)生的助力效果。

在穿戴柔性設(shè)備進行助力行走時,設(shè)備本身的質(zhì)量也會對人體造成額外的能耗。文獻[20]通過實驗對人體運動時穿戴柔性設(shè)備與否進行對比,以及對運動能量消耗的對比計算,得到當(dāng)柔性可穿戴外服(含電源驅(qū)動)的整體質(zhì)量低于5 kg時，對人體運動造成的額外能耗最低。此外,美國國防高級研究計劃局研制的“勇士織衣”集成化智能柔性可穿戴外服作戰(zhàn)系統(tǒng)功率小于100 W,質(zhì)量不到9 kg,電池質(zhì)量約4.5 kg,充電1次后可持續(xù)工作24 h,士兵背負(fù)45 kg重物，以1.25 m/s速度在平地行走時,可以減少25%代謝消耗[21]。經(jīng)過測試,制作的這套設(shè)備總體質(zhì)量(不含電源驅(qū)動)為650 g,滿足要求。

踝關(guān)節(jié)是人體步態(tài)運動的主要關(guān)節(jié),在步態(tài)周期內(nèi)對踝關(guān)節(jié)提供助力,對人體整個步態(tài)運動起到有效的輔助作用。文獻[21]研制的電極牽引柔性可穿戴外服設(shè)備,在踝關(guān)節(jié)施加力量時,人體的代謝能量消耗比正常情況下有顯著的減少,其范圍在正常人體能耗的3.59%～22.83%之間[5]。由此,課題研究后續(xù)可在踝關(guān)節(jié)添加柔性織物彈力驅(qū)動器，可以在人體步態(tài)運動中為其提供一定助力,進而輔助行走,可減少一定的能耗。

綜上所述,通過對現(xiàn)有文獻資料的分析對比以及相關(guān)穿著評價實驗,本文設(shè)計的柔性可穿戴外服原型可以對人體步態(tài)運動產(chǎn)生輔助作用,其助力效果低于正常人體能耗的3.59%。

3 結(jié) 語

通過基于人體解剖學(xué)和人體生物力學(xué)對人體肌肉組織及其受力延展進行分析,并結(jié)合人體與服裝的相互關(guān)系設(shè)計出1款可以對穿戴者步態(tài)運動提供助力的柔性可穿戴外服。通過主觀評價法分析著裝搭配對其舒適性的影響,通過對壓迫感、束縛感、滑脫感、重量感及柔軟感的量化統(tǒng)計分析,得出外服在與運動短褲等貼體式衣物搭配時舒適度最佳。得出穿著柔性助力外服時搭配衣物的貼體性越好,其舒適性越高。但其具體助力效果仍需要后續(xù)完善并進行穿著實驗驗證。因此,本文主要提供了概念設(shè)計及驗證,未來將對柔性可穿戴外服的結(jié)構(gòu)進行進一步優(yōu)化,以便能夠產(chǎn)生更好的助力效果。