李健,吳小青，許海霞,馬廣義，俞榮貴

吉利汽車(chē)研究院(寧波)有限公司，浙江寧波 315336

0 引言

汽車(chē)座椅舒適度是指從生理和心理兩方面對(duì)乘坐人員滿意度的主觀評(píng)價(jià)，直接影響到乘坐人員的身體健康。不舒適的汽車(chē)座椅很容易導(dǎo)致乘坐人員產(chǎn)生疲勞感，一旦乘坐人員長(zhǎng)期處于疲勞狀態(tài)，會(huì)增加安全隱患，提升交通事故的發(fā)生率。根據(jù)美國(guó)汽車(chē)協(xié)會(huì)的交通事故統(tǒng)計(jì)，6%交通事故由疲勞駕駛引起。座椅是汽車(chē)的配件，保障著乘坐人員的安全性與舒適性。隨著科技發(fā)展，座椅不斷升級(jí)，作為汽車(chē)行業(yè)新興技術(shù)之一的零重力座椅對(duì)汽車(chē)座椅設(shè)計(jì)的影響將是汽車(chē)企業(yè)必須研究和克服的挑戰(zhàn)。至此，零重力座椅從普通座椅形式進(jìn)化到汽車(chē)座椅形式。零重力座椅逐漸走近人們的生活，不少企業(yè)開(kāi)始應(yīng)用零重力座椅技術(shù)。在車(chē)輛系統(tǒng)中，座椅是人機(jī)交互的主要界面，座椅質(zhì)量直接關(guān)系到乘坐人員的駕駛體驗(yàn)。舒適度基本上是乘坐人員的主觀感受，舒適度評(píng)價(jià)因個(gè)體差異而存在不確定性和模糊性。另外，由于每個(gè)人的身體結(jié)構(gòu)不同，因此身體感受到的舒適度不同[1]，進(jìn)而導(dǎo)致座椅對(duì)人體舒適度影響也不同。零重力座椅可加強(qiáng)乘坐人員的舒適度，密切貼合人體，減少對(duì)骨骼及肌肉的壓迫。因此，零重力座椅已經(jīng)成為座椅發(fā)展的未來(lái)主要方向。

1 零重力座椅設(shè)計(jì)的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)

在座椅設(shè)計(jì)中，人體工程學(xué)在“座椅”中的使用首先是身體的支持，其次是身體的技術(shù)興趣[2]。 因此，用于零重力設(shè)計(jì)的功能是通過(guò)人體工程學(xué)應(yīng)用于座椅結(jié)構(gòu)而形成的。 功能人機(jī)工程學(xué)的改進(jìn)主要體現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，包括身體尺寸、活動(dòng)領(lǐng)域、環(huán)境因素等。

1.1 身體角度

現(xiàn)代人體工程學(xué)對(duì)人體進(jìn)行細(xì)致的科學(xué)研究，首先測(cè)量人體的不同部位及其周?chē)幕顒?dòng)范圍，并對(duì)坐姿如脊椎形狀和身體壓力分布等各個(gè)方面進(jìn)行生理分析。其次根據(jù)身體的肌肉力量、可動(dòng)區(qū)域、長(zhǎng)度、身體特征等分析坐位引起的能量消耗的變化和心理疲勞，進(jìn)而尋求行動(dòng)限制。 最后為每個(gè)人提供最佳的標(biāo)準(zhǔn)座椅尺寸：第一，座位。 零重力座椅過(guò)高會(huì)導(dǎo)致身體質(zhì)量壓在腿上，大腿前緣軟組織負(fù)荷過(guò)大，出現(xiàn)肌肉麻痹;如果座椅太低，物理壓力會(huì)集中在腰部和座椅上。在接觸位置，身體向前彎曲，背部肌肉承受體重的壓力，容易誘發(fā)疲勞。因此，最合理的座高是就座時(shí)腳底，尤其是腳后跟完全離地，而座高是膝蓋低于臀部。背部應(yīng)該有一定的寬度來(lái)支撐大腿部分，但如果太深，就會(huì)失去對(duì)下背部的支撐，很難支撐背部，所以看起來(lái)像支撐臀部。身體上的任何質(zhì)量都會(huì)讓人感到不舒服。座面的面積大于臀部的面積，為人們改變坐姿提供了足夠的空間，同時(shí)支撐了臀部的各個(gè)部位。座面的曲率在左右方向上最好是平的或近乎平直，在前后方向上稍有彎曲，這樣乘坐人員的身體壓力分布適當(dāng)，舒適性好。將零重力座椅的座面挖成臀部形狀是不合適的，難以適應(yīng)不同人群的需要，干擾坐姿調(diào)整，使身體壓力和軟組織過(guò)于均勻。第二，靠背。零重力座椅的靠背重視舒適度，作為對(duì)肩頸、后背的托舉支撐，可減少身體負(fù)荷。其中，頸托需要高于脊椎的位置，這樣才能將頭部的重力分散到肩托的高度應(yīng)該低于肩胛骨，這個(gè)高度可以讓乘坐人員在轉(zhuǎn)動(dòng)腋窩時(shí)向后傾斜，如果太高，脊柱會(huì)向前彎曲。腰椎受到后靠的力度影響，脊柱自然倚靠靠背，形成支撐。第三，扶手。零重力座椅扶手的作用是幫助手臂，對(duì)肩膀、背部和手臂施加壓力，減少壓力，使人長(zhǎng)時(shí)間坐著感覺(jué)不到疲倦。所以，零重力座椅扶手的高度應(yīng)根據(jù)坐在座位上時(shí)肘部的高度來(lái)計(jì)算，使手臂處于自然舒適狀態(tài)。如果座椅扶手太高，手臂搭放上去會(huì)導(dǎo)致肩膀高抬，產(chǎn)生酸脹感;如果扶手過(guò)低，手臂難以著力。扶手最佳傾斜度是10°～20°，扶手寬度應(yīng)該大于肩寬，保持手臂的自然放置。第四，座面與靠背的夾角。零重力座椅所形成的夾角也是給人舒適感的重要因素，很多座椅不僅就座舒適度差，還會(huì)引起疲勞，需要研究生理結(jié)構(gòu)來(lái)尋找原因除確保座椅各部分的標(biāo)準(zhǔn)尺寸外，根據(jù)科學(xué)和物理研究，人體的結(jié)構(gòu)已經(jīng)從四足進(jìn)化到雙足，兩條腿直立已成為人類(lèi)最具特色的姿勢(shì)。人體也必須進(jìn)化以適應(yīng)這種站立姿勢(shì)，當(dāng)身體放松，脊椎呈自然S形時(shí)效果最佳。但當(dāng)一個(gè)人坐下時(shí)，脊椎會(huì)改變以適應(yīng)坐姿，臀部會(huì)向后轉(zhuǎn)，而且脊椎和尾骨一起移動(dòng)，保持脊椎的S曲線。椎間盤(pán)部分壓力大，久坐會(huì)損壞腰椎。為讓乘坐人員下背部回到正常曲線，上半身和腿之間的角度至少為90°，以便為下背部提供支撐。因此，零重力座椅靠背必須傾斜以提供更好上身支撐，同時(shí)座椅座面也必須結(jié)合傾斜度滑出座椅，座椅表面和靠背之間的角度取決于預(yù)期用途和坐姿。

1.2 行為標(biāo)準(zhǔn)

零重力座椅的規(guī)格尺寸不同，用途也不同。零重力座椅表面必須向后傾斜，并且與靠背之間的角度至少為95°。座面高度比較低，為35～40 cm，適合這類(lèi)座椅的臺(tái)面高度通常為65～78 cm。零重力座椅可減輕乘坐人員的身體壓力，自然放松的倚靠。零重力座椅的前部應(yīng)該寬大舒適，坐墊最好有一定的硬度，如果太軟，坐下會(huì)有塌陷的感覺(jué)。

2 零重力座椅設(shè)計(jì)原理

不同的行為特征對(duì)應(yīng)著不同層次的需求，從低層次的生理、安全和便利需求到高層次的情感歸屬。零重力座椅設(shè)計(jì)師需要了解用戶行為特征與產(chǎn)品之間的關(guān)系，從而遵循設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)出合理的零重力座椅產(chǎn)品。零重力座椅設(shè)計(jì)原則，主要包括智能、實(shí)用、關(guān)懷等原則。

2.1 智能原則

零重力座椅設(shè)計(jì)以后座為例，在家居用品市場(chǎng)及智能家居中有比較好的發(fā)展前景。智能的應(yīng)用可以重新定義零重力座椅的傳統(tǒng)功能形態(tài)，尤其是對(duì)于乘坐人員來(lái)說(shuō)，智能科技的加入可以在一定程度上彌補(bǔ)身體上的不適。同時(shí)需要指出的是，在介紹智能技術(shù)的應(yīng)用原理時(shí)，需要注意適當(dāng)?shù)闹悄埽彤a(chǎn)品而言，智能并不是設(shè)計(jì)核心。同時(shí)，乘坐人員可通過(guò)APP選擇座椅的角度和高度，定義自己的舒適度[3]。

2.2 實(shí)用原則

汽車(chē)座椅與兒童或?qū)W生座椅不同，但由于尺寸限制，兒童和學(xué)生座椅可以在外觀上直接反映用戶群體。汽車(chē)座椅的關(guān)鍵在于座椅的目標(biāo)服務(wù)群體是汽車(chē)乘坐人員，在通用設(shè)計(jì)理念下，汽車(chē)座椅首先要滿足大眾群體的適用性，然后再考慮該產(chǎn)品的其他用戶群體。國(guó)內(nèi)外科學(xué)家尚未開(kāi)展培訓(xùn)產(chǎn)品功能取向或功能水平的相關(guān)性研究，正在參考其他職業(yè)群體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究，可以理解，具有零重力的產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)主要應(yīng)發(fā)揮基本功能。零重力座椅基本功能必須滿足要求，在這種情況下，附加功能可以起到有效的作用[4]。一般來(lái)說(shuō)，零重力座椅的功能取向原則主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:首先考慮用戶。其次考慮人員配置需求的優(yōu)先順序。

2.3 關(guān)懷原則

零重力座椅產(chǎn)品中的情感取向原則是更加聚焦用戶的情感經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品引發(fā)的情感需求，創(chuàng)造舒適感人的產(chǎn)品，創(chuàng)造充滿美好經(jīng)驗(yàn)和回憶的人生。同時(shí)，零重力座椅產(chǎn)品也讓用戶從生理學(xué)、心理、精神理想等角度享受產(chǎn)品的社會(huì)價(jià)值。在通用性設(shè)計(jì)方面，零重力座椅包含了對(duì)特殊群體特別重要的產(chǎn)品對(duì)用戶的人性化護(hù)理。在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，情感取向的考慮包括兩個(gè)方面，一是指司機(jī)關(guān)懷，二是指交通教育。在司機(jī)關(guān)懷方面，首先是零重力座椅產(chǎn)品的易用性。零重力座椅本身應(yīng)該具有良好自解釋性，即座椅操作模式對(duì)乘坐人員來(lái)說(shuō)應(yīng)該顯而易見(jiàn)，以保證順暢使用體驗(yàn)，讓乘坐人員在使用過(guò)程中獲得愉悅和放松感覺(jué)。對(duì)于交通教育，在初步調(diào)查中，部分司機(jī)描述在座椅上聽(tīng)歌曲、相聲等場(chǎng)景，因此可以在零重力座椅上導(dǎo)入教育模塊，滿足交通知識(shí)教育需求。考慮到深層需求，除上述兩個(gè)方面之外，零重力座椅的外觀也是情感表達(dá)的非常重要的因素，零重力座椅外觀可能直接影響乘客在使用座位時(shí)的選擇和情感。同時(shí)，在選擇材料向工作人員傳遞座位舒適度的過(guò)程中，通過(guò)材料的情感語(yǔ)義學(xué)，引導(dǎo)乘客產(chǎn)生正面情緒，這也是零重力座椅的親和力。

3 零重力座椅人性化性能特點(diǎn)

工業(yè)革命帶來(lái)許多新材料和新技術(shù)，有利條件使座椅的形狀和功能發(fā)生了新的變化。隨著新材料、新結(jié)構(gòu)、新機(jī)制的出現(xiàn)，板材不僅會(huì)改變其形狀，還會(huì)改善其功能，創(chuàng)造出許多新的功能。新材料在設(shè)計(jì)上給座椅結(jié)構(gòu)帶來(lái)很多變化，讓使用者更加舒適方便[5]。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多樣性

通過(guò)將新材料和新技術(shù)應(yīng)用于零重力座椅，改變零重力座椅形狀和結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的功能也得到改進(jìn)，出現(xiàn)新的功能，使人們更加舒適。第一，設(shè)計(jì)行業(yè)對(duì)人體新材料的試驗(yàn)產(chǎn)生了許多新結(jié)構(gòu)。膠合板通過(guò)成型給零重力座椅帶來(lái)曲面結(jié)構(gòu)，即座面和靠背由平面變?yōu)榱Ⅲw，采用曲面結(jié)構(gòu)。零重力座椅是三維的，使座椅能夠適應(yīng)人體曲面的復(fù)雜曲率和角度變化。第二，改善坐姿，零重力座椅為座椅設(shè)計(jì)提供了新的視角。乘坐人員不再會(huì)受到身體壓力，使身體的每個(gè)部位都處于最佳狀態(tài)，并消除背部、頸部、下背部和腳部的壓力。零重力座椅非常適合有背痛癥狀的用戶，可以改善坐姿并減輕身體壓力。

3.2 形態(tài)設(shè)計(jì)的多樣性

隨著新材料、新功能的出現(xiàn)，零重力座椅造型更加多樣化，不僅提供了新的功能，還為用戶提供了審美和情感體驗(yàn)。零重力座椅是造型和功能的多樣化試驗(yàn)性控制的結(jié)果，座椅的形狀上下彎曲，具有一定的柔軟性和強(qiáng)度，可以承受身體的重力，確保身體的平衡。合成塑料材料具有靈活性，是可以達(dá)到舒適性的目的的。

4 汽車(chē)零重力座椅形狀尺寸

對(duì)于汽車(chē)來(lái)說(shuō)，零重力座椅的尺寸必須滿足基本的汽車(chē)人體工學(xué)對(duì)座椅尺寸的要求，同時(shí)還要保證座椅符合人體工學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)律。

4.1 座位安排要求

零重力座椅布置主要為前排的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)座椅和后排2～3座設(shè)計(jì)。這種布置的前排和后排座位可以朝向后排座位旋轉(zhuǎn)，使得前排和后排座位面向后排乘客，從而使前排和后排座位更交互式、更高效地交流。由于后座高度舒適的常見(jiàn)布局和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在旋轉(zhuǎn)模式和零重力情況下更改座位需要不同的選項(xiàng)，因?yàn)樽槐旧聿恍枰m應(yīng)，只需保持原始形狀和設(shè)計(jì)，并滿足與前排座位的交互[6]。

4.2 座椅設(shè)計(jì)要求

當(dāng)前科技發(fā)展較快，自動(dòng)駕駛技術(shù)能給人類(lèi)帶來(lái)的最大便利，就是無(wú)須接管汽車(chē)就可以處于自動(dòng)駕駛狀態(tài)。在此期間，乘客可以在不接管汽車(chē)的情況下進(jìn)行許多其他活動(dòng)，例如乘坐人員與后座乘客的面對(duì)面交流和互動(dòng)。零重力座椅的設(shè)計(jì)基于與后排乘客的個(gè)人交互需要，座位可以在有限的空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)180°。在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，必須保證足夠的活動(dòng)空間，避免在轉(zhuǎn)動(dòng)座位時(shí)傷害乘客。零重力座椅旋轉(zhuǎn)功能必須滿足相關(guān)條件，如座椅的形狀和尺寸、零重力座椅的最終效果以及腳下的空間[7]。

5 零重力座椅未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

5.1 汽車(chē)零重力座椅駕駛舒適性與身體壓力分布發(fā)展趨勢(shì)

壓力和重力之間的作用力作用于皮膚和軟組織，在傳遞心理特征，反映板材對(duì)人體的壓力和人體的分布特征。零重力座椅中，髖部接觸面積相對(duì)于身體壓力增大，但如果表面張力大于接觸面積，則界面壓力分散，大腿平均壓力增大。大腿與背部接觸面積的增加大于受力的增加，對(duì)人體脊柱的支撐增加，壓力分散，平均壓力減小，說(shuō)明各部位接觸的界面人體和座椅兩輛車(chē)之間的身體壓力分布隨著駕駛時(shí)間的長(zhǎng)短而變化。乘客的身體壓力分布隨時(shí)間的變化而變化，身體壓力與舒適程度的相關(guān)性分析結(jié)果表明，身體散布的影響最終影響到平均臀部壓力、大腿平均壓力、平均腰部壓力、大腿壓力、臀部力量上。因此，在未來(lái)發(fā)展中，需要結(jié)合座椅舒適度與身體壓力，改善零重力座椅的性能。通過(guò)零重力座椅，減少乘坐人員的身體壓力，提升人體各部位舒適性[8]。

5.2 零重力座椅與生理信息發(fā)展趨勢(shì)

長(zhǎng)時(shí)間體力運(yùn)動(dòng)容易產(chǎn)生疲勞，短時(shí)間內(nèi)肌肉激活和力量特性的研究表明，大腿肌肉作用于肩膀、背部和臀部。在整個(gè)過(guò)程中，臀部、下肢和上身相應(yīng)的肌肉會(huì)被連續(xù)地加壓。在這種情況下，很容易產(chǎn)生血液供應(yīng)、疼痛甚至肌肉收縮，從而降低整體的舒適性。因此，有必要根據(jù)乘坐人員的身體信息增加上述細(xì)節(jié)的舒適性，結(jié)合座椅優(yōu)點(diǎn)，盡量減少局部不利因素對(duì)總體舒適性的影響。

5.3 零重力座椅與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)

人工神經(jīng)過(guò)程通過(guò)在一個(gè)人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上對(duì)行為特征進(jìn)行建模來(lái)分發(fā)并行信息。它提供了容錯(cuò)和非線性逼近功能，廣泛用于模式識(shí)別、分類(lèi)和預(yù)測(cè)。血壓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行分類(lèi)、近似、回歸、壓縮等。利用自學(xué)習(xí)特性，可以進(jìn)行任意復(fù)雜的非線性映射，這是一個(gè)非常普遍的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與失重頁(yè)的結(jié)合，改善數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，及時(shí)調(diào)整座椅狀態(tài)，從而產(chǎn)生優(yōu)異的通用性[9]。

5.4 零重力座椅與人體工程學(xué)發(fā)展趨勢(shì)

設(shè)計(jì)是以人為本的工作，與人類(lèi)行為完美契合的設(shè)計(jì)才是優(yōu)秀的設(shè)計(jì)。而人體結(jié)構(gòu)和生理結(jié)構(gòu)的知識(shí)屬于生物學(xué)和行為學(xué)的范疇，人機(jī)工程學(xué)彌補(bǔ)這一不足。人體工程學(xué)是一個(gè)基于其他領(lǐng)域的技術(shù)研究主題，為人類(lèi)學(xué)、人體力學(xué)、工作生理學(xué)、工作心理學(xué)和設(shè)計(jì)實(shí)踐者提供一系列適用模型。人體工程學(xué)包括人的功能、結(jié)構(gòu)、尺寸、質(zhì)量、面積、重心等。另外，還包括觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)等生理學(xué)感覺(jué)。在駕駛過(guò)程中，乘坐人員久坐，腰部肌肉松弛，脊柱彎曲，腰椎受力，這時(shí)零重力座椅的支撐就很重要。據(jù)調(diào)查，躺椅對(duì)于很多人來(lái)說(shuō)是一種非常舒適的坐姿，因?yàn)樘梢慰梢詼p輕脊椎壓力。零重力座椅可與人體工程學(xué)相結(jié)合，強(qiáng)化零重力座椅傾斜角度，根據(jù)人體生理感覺(jué)，解決身體勞累、受損等不適。

5.5 零重力座椅人性化設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)

由人性化設(shè)計(jì)引起的各個(gè)層次的人們需求的滿足通常以材料的形式表示。設(shè)計(jì)人性化的性質(zhì)是讓人們生活得更好，但隨著人們生活環(huán)境的日益惡化，最基本的生活條件就會(huì)喪失。因此，人性化設(shè)計(jì)不僅要考慮個(gè)人的短期直接利益，還要考慮整個(gè)世界和自然，將人類(lèi)社會(huì)的長(zhǎng)期利益和需求融入設(shè)計(jì)思維中。隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，工業(yè)化時(shí)代引進(jìn)的一些技術(shù)不僅會(huì)危害舒適和便利，還會(huì)危害人們的生活環(huán)境。例如，廣泛用于座椅設(shè)計(jì)的塑料，給環(huán)境帶來(lái)許多不容忽視的問(wèn)題，危害人類(lèi)的健康。在設(shè)計(jì)零重力座椅時(shí)，必須考慮材料對(duì)環(huán)境問(wèn)題和未來(lái)人類(lèi)責(zé)任的影響。綠色思維反映在零重力座椅設(shè)計(jì)的過(guò)程中。但是，這種環(huán)境設(shè)計(jì)與人類(lèi)生活的結(jié)合，尤其體現(xiàn)在座位材料的選擇上。例如，紙張、織物材料和紙座的回收利用等，未來(lái)零重力座椅將在材料環(huán)保方面做出各種新嘗試。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著汽車(chē)的逐漸普及，乘坐人員長(zhǎng)時(shí)間駕駛久坐問(wèn)題嚴(yán)重，汽車(chē)座椅作為長(zhǎng)期的坐具，其舒適性和智能優(yōu)越性尤為關(guān)鍵。零重力座椅在國(guó)內(nèi)還處于起步階段，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看有很好的發(fā)展前景。本文分析了零重力座椅的應(yīng)用情況及設(shè)計(jì)原理。零重力座椅不僅滿足乘坐人員久坐的需求，還能在自動(dòng)駕駛時(shí)提供便捷服務(wù)，具有廣闊的發(fā)展前景。最后對(duì)零重力座椅的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，揭示了長(zhǎng)時(shí)間駕駛造成的隱性損傷機(jī)制，用舒適度分析零重力座椅的乘坐舒適性，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛乘員優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高汽車(chē)座椅的乘坐舒適性。