基于FBS 模型的下肢殘疾者游泳假肢設(shè)計研究

盧菲菲，周婧怡

（長春理工大學(xué)，長春 130000）

游泳是一種低強度沖擊的訓(xùn)練活動，可以在不損傷殘肢軟組織的情況下增強耐力，是一種有效的全身有氧運動，作為一種運動和康復(fù)手段，在下肢截肢者中被廣泛接受。首先，水的浮力能夠減輕截肢者的鍛煉難度，可以讓下肢截肢者從日常生活中負(fù)擔(dān)的沉重重力中解脫出來。其次，游泳與其他運動相比，肢體缺失的人可以在不依靠假肢的情況下獨立參與游泳。然而，下肢截肢者通常不戴假肢游泳，實際上不使用假肢游泳將會存在諸多問題，例如，游泳時平衡感不好，可能會造成身體失衡，進(jìn)而導(dǎo)致受傷；截肢部分暴露在他人面前；下水困難，容易滑倒等。因此，為了使膝下截肢者在學(xué)習(xí)游泳或在進(jìn)行常規(guī)游泳運動時更具安全性，本文根據(jù)消費者日益增長的需求，基于功能-行為-結(jié)構(gòu)（Function-Behavior-Structure，F(xiàn)BS）拓展模型的設(shè)計方法，通過在市場上觀察到的游泳假肢技術(shù)在運動時考慮到的特定需求，由新需求引出新功能，建立游泳假肢的需求-功能-原理-行為-結(jié)構(gòu)映射機制，從而實現(xiàn)游泳假肢的創(chuàng)新設(shè)計。

1 下肢殘疾者的特征分析

1.1 生理特征

殘疾人更容易出現(xiàn)二次健康問題，如抑郁、焦慮、肥胖、疼痛、疲勞和尿路感染，而運動對其康復(fù)和預(yù)防至關(guān)重要。然而，下肢殘疾者參加游泳活動受到包括個人和環(huán)境因素在內(nèi)的多因素限制，患者膝關(guān)節(jié)肢體缺失，其下肢肌肉組織和下肢本體感覺能力都受到重大損失，在下肢截肢后，個體使用下肢假體的能力取決于殘余肌肉組織的強度。腿部力量與殘肉的長度、截面積成正比，膝下截肢者是指失去了膝蓋以下腿部的人，截肢的程度決定了最終佩戴的人工假肢的要求。腿部肌肉力量的喪失會對個體操作假肢的能力產(chǎn)生負(fù)面影響。同樣，研制的假肢重量過大，也會導(dǎo)致因截肢者腿部力量的喪失而導(dǎo)致其功能下降。

1.2 心理特征

下肢截肢不僅在生理上會帶來諸多不便，而且在心理上也是一種障礙。為了恢復(fù)肌肉活動和回歸社會生活，對截肢者來說，進(jìn)行體育鍛煉的可能性是非常重要的，包括改善健康、改善身體形象、增強自信、增加成就感和融入社會的能力。截肢患者，不僅必須忍受因失去肢體而導(dǎo)致的功能喪失，還必須忍受與周圍人不同而受到的社會歧視。因此，截肢的個體經(jīng)常會感受到自尊和自我價值感的下降，截肢個體的自我形象傾向于關(guān)注因失去肢體而導(dǎo)致的身體局限性，而不是身體的能力。

1.3 下肢殘疾者游泳的行為特征

1.3.1 下肢殘疾者游泳的行為方式

下肢殘疾者由于身體受限導(dǎo)致的心理問題可以通過鍛煉的方式得到緩和，在研究過程中發(fā)現(xiàn)，下肢截肢的患者如果希望參加游泳等水下活動，有以下幾種選擇。①不戴假肢游泳；②使用海灘兩棲假肢；③直接連接到游泳鱔狀的假肢；④在水中穿有踝關(guān)節(jié)的游泳假肢。而現(xiàn)有的游泳假肢在設(shè)計時需考慮尺寸、可調(diào)節(jié)性、穩(wěn)定性、材質(zhì)和使用方式的差異性等。只有將這些都考慮齊全，下肢殘疾者才能安全、方便、有效地運用假肢進(jìn)行游泳鍛煉。

1.3.2 下肢殘疾者游泳的行為規(guī)律

對于運動員而言，可能是追求速度，但對于普通人而言，在水中保持身體的平衡則更加重要。人類的游泳運動與其他水生動物相比是非常獨特的，因為人類沒有任何適合游泳的特征，如流線型的身體或鰭。取而代之的是，人類利用其四肢大范圍地移動和多角度的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，以一種特殊的方法游泳。Swum 團(tuán)隊開發(fā)了一款“水下游泳人體模擬模型”SWUM（Swimming human Model）軟件，SWUM 是為人類游泳的力學(xué)分析而開發(fā)的，在SWUM 中，游泳者的身體被表示為一系列21 個截斷的橢圓錐，該工具可以用來分析人類游泳中的各種動力學(xué)問題，如游泳形態(tài)差異的影響，關(guān)于游泳速度和身體的絕對運動優(yōu)化計算，通過仿真求解，分析人體在水下運動時的腿部特征。對自由泳、仰泳、蝶泳等泳姿進(jìn)行比較分析[1]。比如蛙泳時腿部動作可分為4 個步驟：收腿、翻腳、夾蹬水、停。

而截肢對游泳影響最明顯的是劃水時身體會不對稱，如面朝下的自由泳左臂前伸劃臂時，右臂則會更大程度地向外劃水。為了彌補左側(cè)殘肢的推進(jìn)力不足[2]，所以使截肢者輕松地走到游泳池，重建對稱性泳姿進(jìn)行游泳，加強殘肢肌肉的鍛煉，是在嘗試截肢者運動的可及性以及恢復(fù)尊嚴(yán)方面向前邁出的重要一步。

2 基于FBS 模型的下肢殘疾者游泳假肢研究方法和設(shè)計思路

2.1 FBS 模型概念

FBS（Function-Behavior-Structure）模型是由GERO 等人在1990 年首次提出的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計方法論，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計領(lǐng)域。該模型強調(diào)設(shè)計一個產(chǎn)品包括一系列基本步驟：“功能”（F）是產(chǎn)品設(shè)計滿足用戶需求的設(shè)計意圖或目的；“行為”（B）是用戶與產(chǎn)品間的交互形式，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)如何實現(xiàn)其功能；“結(jié)構(gòu)”（S）是人工制品及其構(gòu)成組件之間相互的組合、位置關(guān)系，是設(shè)計的結(jié)果。

2.2 基于FBS 模型的產(chǎn)品開發(fā)流程

基于FBS 模型的游泳假肢設(shè)計開發(fā)流程如下。

2.2.1 需求確定功能

對患者和醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行實地調(diào)研，并結(jié)合文獻(xiàn)研究分析膝下截肢人群的生理和心理特征，根據(jù)用戶需求對產(chǎn)品功能進(jìn)行分析，提取關(guān)鍵設(shè)計要求，得出游泳假肢的基本功能需求，并歸納其所對應(yīng)的設(shè)計目標(biāo)，作為游泳假肢的功能設(shè)計要素。

2.2.2 功能映射行為

從功能出發(fā)，將已確定的游泳假肢功能映射到期望行為（Be）中，將期望行為進(jìn)行評估得到實際操作行為（Bs），兩者結(jié)合做進(jìn)一步分析。

2.2.3 行為映射結(jié)構(gòu)

對功能行為進(jìn)行分析之后，映射分析出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析出用戶與游泳假肢之間的交互行為，綜合得出結(jié)構(gòu)模塊，確保設(shè)計的完整性[3]。

最后，將這個分析過程進(jìn)行歸納總結(jié)，生成基于FBS 的游泳假肢創(chuàng)新方案，如圖1 所示。該模型為接下來的設(shè)計與開發(fā)提供了詳細(xì)的參考[4]。

圖1 基于FBS 的游泳假肢設(shè)計過程

2.3 下肢殘疾者游泳假肢設(shè)計的FBS 模型構(gòu)建

2.3.1 需求確定功能

識別用戶需求后，結(jié)合文獻(xiàn)研究和用戶調(diào)研進(jìn)行分析，總結(jié)出四大用戶需求，見表1。

表1 游泳假肢功能需求

1）基本需求。通過患者游泳時，滿足患者的基本使用需求。首先產(chǎn)品應(yīng)具有基本的運動功能，可以輔助患者進(jìn)行收腿、蹬腿、鞭腿、打水等運動，其次作為輔助運動的醫(yī)療器具，產(chǎn)品需滿足殘疾人在運動過程中的數(shù)據(jù)收集和智能分析需求。

2）安全性需求。作為可穿戴醫(yī)療器具，游泳假肢在設(shè)計中最重要的是安全性設(shè)計。設(shè)計時需滿足患者在游泳過程中的安全性需求，如水下呼救感應(yīng)功能，緊急停止功能。

3）易用性需求：該產(chǎn)品滿足患者操控的易用性需求，主要體現(xiàn)在滿足患者在使用過程中的便利性需求，如穿脫方便，便于調(diào)節(jié)，其次體現(xiàn)在人機交互界面足夠人性化，簡單易懂，清晰明了。

4）情感需求。可穿戴醫(yī)療器具應(yīng)該時刻關(guān)注患者的情感需求。在使用過程中，其產(chǎn)品的外觀看上去容易讓患者接受，在公共場所暴露假肢進(jìn)行運動，尤其需考慮患者的心理情緒；形態(tài)符合游泳時的力學(xué)原理；材質(zhì)與患者下肢接觸時是否有不適感和刺痛感，材料在水中的浮力。

2.3.2 功能映射行為

首先，明確用戶需求，根據(jù)目標(biāo)用戶需求確定總功能，完成需求到功能的映射[5]，建立游泳假肢功能模型；其次，根據(jù)需求模塊對功能根據(jù)不同工作原理進(jìn)行劃分，由于游泳假肢的特殊性及復(fù)雜性，在構(gòu)建功能模塊時，除了考慮其主要的運動功能外，還需要考慮到控制功能、調(diào)節(jié)功能、智能化功能，一共四大模塊；最后，再根據(jù)已劃分的子功能映射出相應(yīng)的行為（Be）。

其中，運動功能是游泳假肢的核心功能，我們對該功能進(jìn)行具體的映射分析，首先要對游泳行為進(jìn)行功能拆解，患者使用假肢來進(jìn)行游泳運動的主要行為有：患者穿戴假肢，假肢為患者提供支撐力幫助患者行走到泳池邊，患者選擇合適的運動模式入水，最后利用游泳假肢為患者提供助力/阻力，使患者能夠在水中進(jìn)行自由泳、蛙泳等，如圖2 所示。

圖2 下肢殘疾者的游泳行為流程

2.3.3 行為映射結(jié)構(gòu)

針對游泳假肢不同的行為方式，對功能與行為進(jìn)行相關(guān)性分析，一個完整的產(chǎn)品有著多個結(jié)構(gòu)模塊，多個相似的行為模塊可能對應(yīng)著同樣一個整體結(jié)構(gòu)模塊，如圖3 所示，這樣有利于掌握產(chǎn)品的整體布局，所以在設(shè)計結(jié)構(gòu)模塊時需結(jié)合人機尺寸充分考慮其合理性，不會因為眾多的行為導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的雜亂。

圖3 基于FBS 模型的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)映射

3 下肢殘疾者游泳假肢設(shè)計的預(yù)期與展望

游泳假肢主要為膝下截肢的患者提供服務(wù)，對其設(shè)計與技術(shù)要求體現(xiàn)在以下幾個方面。

針對基本需求，使用游泳假肢的主要優(yōu)點是在游泳時產(chǎn)生顯著的推進(jìn)力，有助于加強殘肢肌肉的鍛煉和促進(jìn)功能對稱性。并且?guī)椭颊擢毩⒃谒幸苿?，或使截肢者能夠獨立使用樓梯或梯子離開游泳池。

針對產(chǎn)品的安全性，游泳假肢的使用過程中和人體互相接觸，因此在設(shè)計時尤其要注意接受腔的設(shè)計，既要考慮到假肢在不影響正常游泳時的舒適度問題，也應(yīng)考慮到下肢殘疾者在游泳過程中殘肢大幅度擺動和被水流沖擊時是否會導(dǎo)致假肢脫落的松緊度問題。若游泳過程中遇到特殊情況,可通過緊急求救按鈕進(jìn)行呼救,為殘疾人的游泳過程保駕護(hù)航[6]。

針對易用性需求，考慮到用戶有著非常強烈的獨立心態(tài)，既希望得到關(guān)愛，又希望贏得他人尊重[7]。因此，簡潔的外形、便于調(diào)節(jié)的功能和易懂的操作方法使游泳假肢更友好，可以大大提升用戶體驗，增加自信與成就感。

針對情感需求，用戶雖為特殊群體，但是并未脫離當(dāng)今的社會生活，游泳假肢應(yīng)該關(guān)注患者的情感需求，讓使用者的主體地位得到體現(xiàn)。如在造型方面采用大曲面、大倒角，整體呈現(xiàn)流線型，盡可能地隱藏機械部件，弱化設(shè)備的機械感，給人一種親切感，使其向友好型產(chǎn)品發(fā)展，且為那些可能因不戴假體出現(xiàn)在公共場合而感到尷尬的人提供一些安全感。

4 結(jié)束語

綜上所述，文章針對當(dāng)前市場上的游泳假肢的功能形態(tài)單一、安全性欠缺、使用方式的差異性未考慮等等問題，基于FBS 模型創(chuàng)建了游泳假肢模型，生成了一種可水陸兩用的產(chǎn)品新結(jié)構(gòu)，并總結(jié)了基于FBS 模型的游泳假肢的設(shè)計流程，強化了概念設(shè)計在設(shè)計前期過程中的價值地位，為相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)提供了一種新思路。