范俊華，周莉，張龍琳

（西南大學(xué)，重慶 400715）

隨著科技的發(fā)展和中國智能制造的迅速崛起，當(dāng)前很多行業(yè)都融入了產(chǎn)業(yè)尖端科技，智能穿戴設(shè)備也應(yīng)運(yùn)而生，極地環(huán)境下的智能運(yùn)動(dòng)設(shè)備也層出不窮，包括能監(jiān)測心率的運(yùn)動(dòng)智能手環(huán)，能緩解脊柱受力的智能背包，能幫助腰部、膝蓋受力的外骨骼設(shè)備，能調(diào)節(jié)溫度的智能防寒服等。但是這些產(chǎn)品都還存在著諸如品類不多、效果不穩(wěn)定等問題，也沒有系統(tǒng)的評價(jià)體系。本研究以極地防寒服為研究對象，從研究背景、研究理論、智能穿戴、人機(jī)交互等幾方面做出防寒裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)建體系，為防寒服產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供一些可借鑒的思路。

1 研究背景

地球的極地范圍一般稱為“極地”，在地球的南北兩端，即南極和北極。極地科考、極地極限運(yùn)動(dòng)及極地旅游的日益普及，也是對極地環(huán)境下的裝備提出更多樣化的需求。其中，提升極地防寒服裝設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化及促進(jìn)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，顯得格外迫切。

極地主要是指位于地球南北極極圈以內(nèi)的陸地和海域等，極地自然條件惡劣，地質(zhì)條件復(fù)雜，其主要特點(diǎn)為氣溫酷寒、干燥、大風(fēng)和強(qiáng)輻射，還有冰山、浮冰的環(huán)境以及強(qiáng)風(fēng)暴雪、地震頻發(fā)等。人類探索的極地環(huán)境溫度大約在-55～10℃，極地探索項(xiàng)目有極地體育運(yùn)動(dòng)、極地科考、極地旅游等。雖然極地項(xiàng)目只是小眾參與，但是每年都有新科技力量的加入。隨著物聯(lián)網(wǎng)的普及，極地防寒服可以與智能運(yùn)動(dòng)穿戴設(shè)備、智慧保健、電子傳感器等高新技術(shù)相結(jié)合。

國內(nèi)相關(guān)研究中，周燕[1]分析了關(guān)于智能服裝在醫(yī)療檢測、運(yùn)動(dòng)、休閑娛樂、軍工等相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展過程中需要攻克的難點(diǎn)及發(fā)展趨勢；蘇文楨、盧業(yè)虎[2]通過對氣凝膠防寒服的研制與性能評價(jià)的實(shí)驗(yàn)，得出了將氣凝膠應(yīng)用到防寒服中是可行的結(jié)論，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值；吳海燕[3]關(guān)于柔性傳感器與新型面料的制備技術(shù)及發(fā)展前景的研究，為服裝業(yè)的轉(zhuǎn)型提供了技術(shù)支撐。

國外相關(guān)研究中，Meng 等[4]提出了一種簡化的織物動(dòng)態(tài)模型和實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量真實(shí)感的虛擬試衣集成方案，通過復(fù)雜時(shí)間模擬的方式演示系統(tǒng)運(yùn)行情況、虛擬試穿及布料模擬?？萍蓟欠b未來發(fā)展的重要方向。

本研究在防寒服裝設(shè)計(jì)體系中，采用根據(jù)人體肌肉變化做出的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和利用智能數(shù)據(jù)庫做出的與智能設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式，更好地為目標(biāo)消費(fèi)者提供更精確的設(shè)計(jì)體驗(yàn)。檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的途徑是反饋評價(jià)，評價(jià)部分從環(huán)境因素、人體因素及智能應(yīng)用評價(jià)三方面進(jìn)行，給出全面綜合的評價(jià)體系。

2 設(shè)計(jì)理論

2.1 人體肌能在極地環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)需求研究

根據(jù)調(diào)查研究，極地運(yùn)動(dòng)對人體肌肉的要求主要有：登山探險(xiǎn)、滑雪運(yùn)動(dòng)、科考研究等活動(dòng)均需要強(qiáng)有力的胸大肌、股四頭肌、股二頭肌、臀大肌、臀小肌和腓腸肌等，運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元下受累的體征如圖1（圖片來自https://m.toutiao.com/is/daNTfnq/）所示，主要包括肌無力、萎縮和肌束顫動(dòng)，這些均可檢測。胸大肌無力無法提供足夠的牽引力，腹肌薄弱則會造成脊椎負(fù)擔(dān)，肱頭肌無力會致使肢體無力、顫抖甚至無法完成伸縮運(yùn)動(dòng)等。肌肉疲勞會引發(fā)肌肉勞損等不健康狀態(tài)，還會增加危險(xiǎn)系數(shù)，開發(fā)有效延遲疲勞或有效緩解疲勞的穿戴設(shè)備勢在必行。本研究根據(jù)肌肉疲勞特征做的簡單有效措施是利用面料的斜向拉伸結(jié)構(gòu)來改良拉伸。

圖1 運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元下受累的體征

程慧婕根據(jù)這些肌肉在運(yùn)動(dòng)中的皮膚形變，做出了對光標(biāo)位移軌跡跟蹤測試[5]，目前多數(shù)研究是通過選取幾個(gè)典型動(dòng)作代表單獨(dú)的運(yùn)動(dòng)過程，再測量各動(dòng)作的皮膚變化值。可以通過光學(xué)捕捉系統(tǒng)，建立一段時(shí)間內(nèi)人體各關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡模型，對任意時(shí)刻皮膚情況進(jìn)行研究討論，成為未來借助皮膚拉伸測量設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)服裝的有效辦法。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用此皮膚形變檢測方法與Style3D 相結(jié)合建模，幫助結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。

2.2 設(shè)計(jì)要素

2.2.1 面料設(shè)計(jì)

采用多種材料共同協(xié)同的設(shè)計(jì)方式，里層采用現(xiàn)代高科技針織棉面料，四川大學(xué)趙長生教授課題組制備了親疏水性可切換的雙向油水分離材料。運(yùn)用這種功能性針織速干、環(huán)保再生聚酯面料，可打造緊身版型，為拉伸、訓(xùn)練等運(yùn)動(dòng)提供全方位的健康幫助，可以同時(shí)滿足運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下對織物透氣性、導(dǎo)濕性、散熱性的需求。

中間保暖層利用石墨烯及氣凝膠，最大程度地做好續(xù)航保暖。外層面料以適應(yīng)性為基礎(chǔ)，著重突出消費(fèi)者更關(guān)注的防輻射、個(gè)性化、環(huán)保和可持續(xù)需求的功能性面料。

2.2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)極地運(yùn)動(dòng)中人體運(yùn)動(dòng)的姿勢分析，利用三維掃描設(shè)備收集皮膚形變數(shù)據(jù)，在結(jié)構(gòu)上采用多層、分解、重組解構(gòu)等方式，具體做法為：里層在膝蓋、大腿內(nèi)側(cè)、肘部、肩部運(yùn)用低摩擦材料，膝關(guān)節(jié)增加軟墊，結(jié)構(gòu)上采用斜裁方式，對人體肌肉具有一定提拉作用，達(dá)到有效緩解運(yùn)動(dòng)中肌肉疲勞的效果；外層在臀圍、上襠部位采用增加彈性面料滿足松量要求。以增加結(jié)構(gòu)線的方式達(dá)到多面料組合的實(shí)用性，又可以起到裝飾作用。

2.2.3 穿戴設(shè)備

對于防寒保暖設(shè)備、外骨骼裝備，運(yùn)動(dòng)保護(hù)類智能可穿戴設(shè)備通過監(jiān)控肌電信號，對運(yùn)動(dòng)時(shí)易出現(xiàn)的腰部損傷問題進(jìn)行提醒和保護(hù)，降低運(yùn)動(dòng)者受傷的概率[6]。

2.2.4 AI 智能設(shè)計(jì)

在臀部及大腿根部增加濕熱傳感器，實(shí)時(shí)感應(yīng)肌肉及環(huán)境狀態(tài)。當(dāng)人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱量大量聚集時(shí)，利用線路感應(yīng)器把熱量儲存起來，以供產(chǎn)熱不足時(shí)再釋放熱量保暖。在股二頭肌、股四頭肌、腓腸肌部位增加疲勞感應(yīng)傳感器，在肌肉形成勞損時(shí)進(jìn)行語音提醒。

3 設(shè)計(jì)體系

綜合上述設(shè)計(jì)理論，得出適合當(dāng)代多元化的設(shè)計(jì)體系，服裝設(shè)計(jì)系統(tǒng)運(yùn)行模式如圖2。

3.1 建立數(shù)據(jù)庫

根據(jù)項(xiàng)目類型及極地環(huán)境分析初建基本設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫，再根據(jù)彩色人體三維掃描設(shè)備對目標(biāo)消費(fèi)者的實(shí)際身體檢測數(shù)據(jù)，得出目標(biāo)消費(fèi)者對款式、面料、功能甚至外穿戴設(shè)備、功能監(jiān)測、人機(jī)交互等方面的需求，并做好信息存儲，建立消費(fèi)者信息數(shù)據(jù)庫。

3.2 設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)內(nèi)容有款式設(shè)計(jì)、面料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，根據(jù)人體肌肉狀態(tài)監(jiān)測設(shè)計(jì)內(nèi)層包括松量、分割線、面料方向、輔助牽拉等。運(yùn)用CLO-3D、Style3D 軟件進(jìn)行款式設(shè)計(jì)，加上特定面料虛擬試穿，與消費(fèi)者進(jìn)行最后設(shè)計(jì)溝通，做出最終確定。

行走過程中的內(nèi)翻推力，在負(fù)重過程中表現(xiàn)為膝關(guān)節(jié)前平面過度運(yùn)動(dòng)，是膝骨關(guān)節(jié)炎的一個(gè)可改變的危險(xiǎn)因素。醫(yī)學(xué)上有一種方法，可以在行走和踩踏運(yùn)動(dòng)任務(wù)中識別出個(gè)體的肌肉激活信號。

在智能穿戴設(shè)計(jì)中，如上述設(shè)計(jì)依然不能滿足消費(fèi)者需要，還可以添加智能穿戴設(shè)計(jì)如智能眼鏡、智能手環(huán)、智能外骨骼、智能鞋等。結(jié)構(gòu)以保暖為主，利用多分割線、多面料的組合方式，使服裝在滿足松量要求的情況下調(diào)控服裝內(nèi)小環(huán)境，以保證舒適度，或增加智能穿戴設(shè)備，盡量減少肌肉勞損程度，更加科學(xué)、持久地保護(hù)人體健康。

3.3 AI 設(shè)定

AI 設(shè)定包括智能保暖設(shè)定、智能濕熱小環(huán)境調(diào)控、智能肌肉放松設(shè)定。當(dāng)氣候條件處于極冷環(huán)境（-55～-35℃）時(shí)，人體自身難以保持體溫，可以借助智能保暖設(shè)定散發(fā)的熱量滿足正常機(jī)能所需；當(dāng)氣候條件處于寒冷環(huán)境（-20～-10℃）時(shí)，在穿著極地防寒服并且在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，背部、胸部、臀部等部位會產(chǎn)生濕熱等不適現(xiàn)象，除了里料采用透濕散熱面料外，還可以增加智能濕熱小環(huán)境調(diào)控，使人體與服裝間的小環(huán)境處于干燥適度狀態(tài)；當(dāng)消費(fèi)者處于運(yùn)動(dòng)甚至疲勞狀態(tài)時(shí)，增加肌肉放松設(shè)定，可以在運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)下，對肌肉進(jìn)行按摩放松，緩解疲勞或減少疼痛，以提高工作效率。

3.4 移動(dòng)終端與人機(jī)交互

隨著智能手機(jī)和平板電腦等移動(dòng)終端的普及應(yīng)用，大多數(shù)可穿戴式智能設(shè)備依托移動(dòng)終端可以接收和分析數(shù)據(jù)。為使可穿戴設(shè)備與終端之間的信息處理達(dá)到較高的服務(wù)效率，需要對數(shù)據(jù)信息在可穿戴設(shè)備間、可穿戴設(shè)備與移動(dòng)終端間傳輸和交互的方式進(jìn)行研究，即多交互方式。

關(guān)節(jié)健康檢測：在容易受傷的關(guān)節(jié)部位增加健康監(jiān)測，并在關(guān)節(jié)開始處于勞損、嚴(yán)重勞損和不適宜運(yùn)動(dòng)的情況下給予提示，保證人體健康。

肌肉疲勞檢測：在肌肉處于肌顫等不適狀態(tài)下給予提示，如語音提示怎樣運(yùn)動(dòng)可以減少不適，甚至充當(dāng)智能私人教練，幫助消費(fèi)者正確運(yùn)動(dòng)。

消遣娛樂交互：對于極地旅游者，增加消遣娛樂交互，實(shí)時(shí)講解所在地的地質(zhì)地貌、歷史事件，并能進(jìn)行智能地質(zhì)檢測，進(jìn)行路線智能導(dǎo)航、數(shù)據(jù)存儲等。

3.5 遠(yuǎn)程監(jiān)控

將消費(fèi)者在極地時(shí)的狀態(tài)實(shí)時(shí)傳輸給遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，在出現(xiàn)生命體征異常時(shí)拉響報(bào)警系統(tǒng)，及時(shí)實(shí)施救援措施。樣衣制作試穿時(shí)模擬各種突發(fā)狀況，確保智能防寒服能有效保護(hù)消費(fèi)者安全，直到消費(fèi)者滿意便可交付使用。并對穿著過程做跟蹤服務(wù)，穿著后提交調(diào)查問卷，為以后的性能改良進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，為防寒服行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

4 評價(jià)體系

這種定制化智能服裝設(shè)計(jì)在虛擬試穿之后、交付消費(fèi)者之前生產(chǎn)樣衣，并進(jìn)行評價(jià)，從兩方面進(jìn)行，評價(jià)系統(tǒng)如圖3 所示。

圖3 評價(jià)系統(tǒng)

4.1 環(huán)境評價(jià)

模擬極地環(huán)境，在大風(fēng)狀態(tài)下是否可以有效消解大風(fēng)對人體肢體的影響，主要體現(xiàn)在能否減輕大風(fēng)對人體動(dòng)作的阻礙作用，減輕風(fēng)透力度從而更好地保溫；模擬高濕環(huán)境下服裝表層是否吸水以及里層是否透濕；模擬污染物及細(xì)菌，檢測服裝能否起到良好防護(hù)作用；模擬高紫外線輻射，檢測服裝能否有效防護(hù)。若防護(hù)效果好，即說明性能好。

4.2 人體評價(jià)

實(shí)驗(yàn)人員穿著防寒服，在模擬環(huán)境下做科研主要?jiǎng)幼?h，檢測汗液導(dǎo)濕性能，以評價(jià)人體是否有悶熱不適、疲勞時(shí)間有沒有延遲以及人體機(jī)能狀態(tài)是否良好。

4.3 智能應(yīng)用評價(jià)

極地運(yùn)動(dòng)后也難免出汗，人衣小環(huán)境會滋生細(xì)菌，檢測添加的智能除菌應(yīng)用是否達(dá)到有效抑菌效果；檢測極地環(huán)境下人體健康實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)能否及時(shí)傳輸；檢測外裝備能否減輕運(yùn)動(dòng)員對身體機(jī)能的損耗，這些檢測效果好說明智能防寒服效果好。

5 結(jié)語

隨著智能化的發(fā)展，防寒服的智能化設(shè)計(jì)趨勢日益明顯，本研究從智能數(shù)據(jù)、智能設(shè)計(jì)、智能穿戴以及人機(jī)交互和智能終端多方位考慮提出的設(shè)計(jì)系統(tǒng)的構(gòu)建，采用的是客戶先溝通定制再生產(chǎn)的銷售模式，提升服裝企業(yè)技術(shù)及效率，專注于消費(fèi)者不斷變化的多樣化需求及自身的價(jià)值主張，提升消費(fèi)者的著裝體驗(yàn)感與高端品質(zhì)享受，對品牌忠誠度也有著明顯的促進(jìn)作用，為未來防寒服裝的智能化、產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展提供新的方向和新的理論參考。