服裝人體工學(xué)的應(yīng)用與發(fā)展

劉 可

（北京服裝學(xué)院，北京 100029）

1 服裝人體工學(xué)定義

人體工程學(xué)，也稱人類工程學(xué)、人間工學(xué)，按照國(guó)際功效學(xué)會(huì)所下的定義，人體工程學(xué)是一門研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學(xué)、生理學(xué)和心理學(xué)等方面的各種因素；研究人和機(jī)器及環(huán)境的相互作用；研究人在工作中、家庭生活中和休假時(shí)怎樣統(tǒng)一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問題的科學(xué)。即人成為研究的中心，針對(duì)人體工程學(xué)可以展開我們的問題及研究。如怎樣可以讓座椅更舒服？在工作中放什么樣的音樂可以讓工作者工作效率更高？什么樣的杯子更符合人喝水時(shí)的習(xí)慣？等等。為了使人生活得更舒適、心情更愉悅、工作效率更高，我們需要學(xué)習(xí)人體工程學(xué)。人體工程學(xué)可以改變我們的生活方式，帶來新的發(fā)明創(chuàng)造。如圖1所示，人體工學(xué)研究的人在使用電腦時(shí)最合適的各種角度和距離。

對(duì)于服裝工效學(xué)的定義還沒有一個(gè)統(tǒng)一的說法，但可以借鑒人體工效學(xué)的定義和研究?jī)?nèi)容來對(duì)服裝工效學(xué)的概念作一個(gè)說明。服裝工效學(xué)是運(yùn)用人體生理學(xué)、心理學(xué)、服裝材料學(xué)、環(huán)境科學(xué)等學(xué)科的知識(shí)來設(shè)計(jì)和制造服裝，以期最大限度的適合人的生理和心理需求；使人、服裝和環(huán)境的配合達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。服裝人體工學(xué)是研究人體特征及服裝與人體相互關(guān)系的分支科學(xué)，其研究對(duì)象是“人—服裝—環(huán)境”的系統(tǒng)，從適合人體的各種要求出發(fā)，對(duì)服裝設(shè)計(jì)和制作提出要求，使設(shè)計(jì)盡最大可能地適應(yīng)人體的需求，達(dá)到舒適衛(wèi)生的狀態(tài)。對(duì)于服裝人體工學(xué)來說，涉及的領(lǐng)域很廣，可包括人體心理學(xué)、人體解剖學(xué)、人體測(cè)量學(xué)、環(huán)境衛(wèi)生學(xué)、服裝材料學(xué)和服裝造型設(shè)計(jì)學(xué)等，如圖2所示。

圖1 使用電腦時(shí)的最佳設(shè)置

圖2 服裝人體工學(xué)相關(guān)領(lǐng)域

2 研究目的

服裝人體工學(xué)給服裝的設(shè)計(jì)和制作都提出了要求，使設(shè)計(jì)盡最大可能地適應(yīng)人體的需求，達(dá)到舒適衛(wèi)生的狀態(tài)。服裝的功能要求與材料選擇相匹配，使其形式更直觀、更豐富、更有操作性。服裝最終要求與人體配伍、對(duì)應(yīng)、匹配、并強(qiáng)調(diào)效能業(yè)績(jī)［1］。

從1935年以來，文胸大小的分級(jí)系統(tǒng)是基于胸圍和胸下圍。但是，女性的胸部是一個(gè)完全的立體的三維形態(tài)，所以基于胸圍和胸下圍來確定文胸大小的分類系統(tǒng)也許是不適當(dāng)?shù)模?］。所以，可以用VOXELAN 3D激光掃描儀對(duì)人體進(jìn)行三維立體掃描，通過三維軟件計(jì)算可以得到女性乳房的寬度和深度，通過因子分析和K－means分析方法得到8個(gè)因素對(duì)于描述胸部的形狀有影響。開發(fā)一個(gè)新的決定文胸分類大小的系統(tǒng)，它基于胸下圍和乳房深寬比兩個(gè)變量。通過這個(gè)文胸大小的分類方法使女性能更加輕松明確的找到適合自己的文胸，這充分說明基于服裝人體工學(xué)可以更大限度地達(dá)到人類需求。

另一個(gè)例子是虛擬的三維人體試衣。為了使服裝更合體，可以采用三維掃描的方式把三維的人體掃描下來，精確的量取人體皮膚的尺寸。根據(jù)三維數(shù)據(jù)測(cè)量的尺寸制作服裝樣板，可使得到的服裝更合體［3］。把裸態(tài)的人體和穿衣后的人體分別進(jìn)行三維掃描，再利用三維試衣軟件，得到虛擬狀態(tài)下人穿著服裝的狀態(tài)，并根據(jù)著裝后的狀態(tài)觀察服裝的合體度，進(jìn)一步對(duì)服裝不合體的部位進(jìn)行修改，得到最為合體的服裝。

人體工學(xué)就是使人類創(chuàng)造出最大物質(zhì)文明生產(chǎn)力的同時(shí)，創(chuàng)造最適宜的工作或生活環(huán)境。研究服裝人體工學(xué)的目的就是使人穿著更舒適，更有利于保護(hù)人類自身，提升人類某方面的能力。

3 應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著人類社會(huì)文明的進(jìn)步，生活中服裝人體工學(xué)的應(yīng)用比比皆是。服裝人體工學(xué)講求在設(shè)計(jì)中為人提供“幫助”，為設(shè)計(jì)中“人的因素”提供人體尺度參數(shù)，體現(xiàn)其設(shè)計(jì)目的是為人而不是為產(chǎn)品。在設(shè)計(jì)中，需要考慮為“產(chǎn)品或物品”的功效提供科學(xué)依據(jù)，也要考慮“環(huán)境因素”提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。只有考慮到人體工學(xué)對(duì)設(shè)計(jì)科學(xué)的作用，才能達(dá)到設(shè)計(jì)中方便、舒適、可靠、安全、價(jià)值、效率、衛(wèi)生與環(huán)境的要求。

3.1 Speedo“鯊魚皮”泳衣

2008年北京奧運(yùn)會(huì)，菲爾普斯破紀(jì)錄的獨(dú)攬八枚金牌而震驚世界。一方面得益于自己的游泳天賦，另一方面得益于speedo“鯊魚皮”游泳衣的幫助。鯊魚皮第4代泳衣專門進(jìn)行了CFD實(shí)驗(yàn)，并在風(fēng)洞里通過了表面摩擦力測(cè)試。CFD是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的英文簡(jiǎn)稱，它與風(fēng)洞通常被廣泛的應(yīng)用在航空領(lǐng)域。CFD負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)，風(fēng)洞負(fù)責(zé)驗(yàn)證。為了減少靜態(tài)水阻，科研人員采用一種模仿鯊魚皮的材料，通過無縫拼接技術(shù)制作，泳衣完全緊貼在人體上，沒有一處縫合處，如圖3所示。特殊的鑲條可將人體盡可能的塑成流線型，從而減少游泳時(shí)的阻力。

圖3 speedo鯊魚皮泳衣

Speedo第1代鯊魚泳衣出現(xiàn)在2000年的悉尼奧運(yùn)會(huì)中，成為備受矚目的發(fā)明。到2004年的雅典奧運(yùn)會(huì)前，speedo公司又推出了第2代鯊魚皮，在第1代的基礎(chǔ)上面料的表面又加上顆粒狀的小點(diǎn)，進(jìn)一步減少水阻［4］。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)年逾8成游泳獎(jiǎng)牌得主，都是穿著Speedo泳衣，15人中有13人創(chuàng)造過泳壇世界紀(jì)錄。新研制的第2代鯊魚泳衣，可減少4%的水流阻力，號(hào)稱是世界上最快速泳衣。

鯊魚皮第4代采用更優(yōu)異的極輕、低阻、防水和快干性能LZR脈沖面料，包含了美國(guó)宇航局提供的航空科技，并因此被稱為“太空泳衣”。在LZR脈沖主材質(zhì)的表面還覆蓋著一層聚亞安酯材料，這種材質(zhì)可以為運(yùn)動(dòng)員提供更大的浮力。為了配合聚亞安酯增大浮力的作用，鯊魚皮第4代還采用了無縫拼接的技術(shù)，在泳衣的胸部、腹部和大腿外側(cè)加上特別的鑲條，令水流更順暢地通過泳衣表面［5］。鯊魚皮4代號(hào)稱是全球第一款無縫泳衣。為了更好地幫助運(yùn)動(dòng)員在水中節(jié)省體能，鯊魚皮第4代的腰部增加了類似腰封的設(shè)計(jì)，這樣不僅可以幫助運(yùn)動(dòng)員在水中將最佳姿勢(shì)保持的時(shí)間更長(zhǎng)，還可以幫助運(yùn)動(dòng)員節(jié)省不少體力。而泳衣背后的拉鏈也被安排在后腰最低的位置，這樣可以把由拉鏈帶來的水阻降到最低。

鯊魚皮第4代泳衣整體功能比第2代鯊魚皮提升10%；比第3代提升5%；起步和轉(zhuǎn)身時(shí)，比第3代鯊魚皮速度快4%。這些信息和數(shù)據(jù)說明，鯊魚皮泳裝面料通過模仿鯊魚皮的機(jī)理組織，得到了較小的靜態(tài)水阻，通過無縫拼接技術(shù)使泳衣沒有接縫，流線型的設(shè)計(jì)提高了運(yùn)動(dòng)員的速度。這得益于對(duì)服裝工效學(xué)的研究，通過服裝的設(shè)計(jì)提高了人的能力。

3.2 滑雪服

滑雪能提高人的肺活量、增強(qiáng)體質(zhì)，有利于形成良好的心理素質(zhì)，越來越受到人們的歡迎?；﹫?chǎng)地天氣低溫多變，為能夠保證滑雪者舒適地運(yùn)動(dòng)，戶外滑雪服必須具備防寒、防風(fēng)、防水、透氣、耐磨等功能［6］。

由于滑雪場(chǎng)地天氣寒冷，為增強(qiáng)其保暖性，須選擇保暖或沖絨材料，導(dǎo)致滑雪服外觀顯得較為臃腫。再加上滑雪運(yùn)動(dòng)具有一定的危險(xiǎn)性，在制作時(shí)要考慮滑雪服的防護(hù)性。但滑雪是一項(xiàng)競(jìng)技運(yùn)動(dòng)，需考慮運(yùn)動(dòng)的靈活性，因此，滑雪服必須輕便，只有這樣才能極大地減少對(duì)人體的壓迫感，提高滑雪運(yùn)動(dòng)速度和成績(jī)。美國(guó)科羅拉多州的蜘蛛人滑雪服公司生產(chǎn)的滑雪服裝中，就有一種具有前瞻性的、輕型的、可撓曲的全新保護(hù)材料D3O。D3O材料由英國(guó)工程師理查德·帕爾默發(fā)明，屬于“膨脹性泡沫”材料的類別。這是一種由黏性流體（viscose fluid）和聚合物（polymer）合成的材料，具有“應(yīng)變速率敏感性”（strainrate sensitivity）的特殊性能。在正常情況下，材料中的分子間只有很弱的連接力，并且可以自由運(yùn)動(dòng)，所以材料柔軟、可彎曲。當(dāng)突然受外力的沖擊而變形時(shí)，就會(huì)引起材料中分子間的連接力增強(qiáng)，可自由運(yùn)動(dòng)的分子立即被凍結(jié)，使材料變得非常堅(jiān)硬，能吸收沖擊能量，成為具有保護(hù)性的盾牌；沖擊結(jié)束后，材料又回復(fù)到原有的柔軟狀態(tài)，這一過程是瞬時(shí)的、可逆的［7］。面料在正常情況下和受到?jīng)_擊的情況下分子間的連接狀態(tài)如圖4所示。

圖4 D3O材料分子間的連接狀態(tài)

3.3 宇航服

航天服（spacesuit）是保障航天員的生命活動(dòng)和工作能力的個(gè)人密閉裝備，可防護(hù)真空、高低溫、太陽輻射和微流星等環(huán)境因素對(duì)人體的危害。在真空環(huán)境中，人體血液中含有的氮?dú)鈺?huì)變成氣體，使體積膨脹，如果人不穿加壓氣密的航天服，就會(huì)因體內(nèi)外的壓差懸殊而發(fā)生生命危險(xiǎn)。早期的航天服只能供航天員在飛船座艙內(nèi)使用，而現(xiàn)代新型的艙外用航天服有液冷降溫結(jié)構(gòu)，可供航天員出艙活動(dòng)或登月考察。

近代的航天服是1961年在美國(guó)問世的，是由當(dāng)時(shí)美國(guó)海軍的高性能戰(zhàn)斗機(jī)飛行員穿著的MK－4型壓力服加以改進(jìn)的。這種航天服由氯丁橡膠涂在布上的防護(hù)層和經(jīng)過氧化鋁處理的強(qiáng)化尼龍的內(nèi)絕熱層疊合而成，肘和膝關(guān)節(jié)部分縫入了金屬鏈，容易彎曲。但是，當(dāng)內(nèi)壓提高時(shí)，航天員難以活動(dòng)身體。上世紀(jì)60年代中期，美國(guó)開發(fā)了第2代航天服，在封入空氣壓的壓力囊外蒙上了一層用特氟綸混紡材料織成的網(wǎng)，即使空氣壓使航天服整體膨脹也容易彎曲。

第3代航天服是美國(guó)實(shí)施阿波羅計(jì)劃時(shí)使用的航天服，可使宇航員一邊步行在遍地皆是巖石的月球表面，一邊彎下身體采取巖石標(biāo)本，能保護(hù)航天員經(jīng)受強(qiáng)烈的太陽光輻射，即使從天而降的微小隕石砸在身上也不會(huì)破損。這種航天服在關(guān)節(jié)周圍制成伸縮自如的褶皺，大大提高了運(yùn)動(dòng)性能。但必須穿著特殊的“內(nèi)衣”。這種幾乎蓋住全身的網(wǎng)狀內(nèi)衣，縫入了長(zhǎng)達(dá)100米猶如意大利空心面條那么粗的盤成網(wǎng)狀的管子，管內(nèi)流過冷水，吸走航天員身上散發(fā)的熱量，并排到宇宙空間，所以航天員穿上后感到十分舒適。穿在內(nèi)衣外的航天服由內(nèi)絕熱層、壓力層、限制層（抑制壓力層的膨脹）幾層重疊，最外面還蒙上聚四氟乙烯與玻璃纖維制成的保護(hù)層。再戴上強(qiáng)化樹脂制成的盔帽、與航天服幾乎一樣多層的手套，穿上金屬網(wǎng)眼的長(zhǎng)筒靴，就形成了完整的阿波羅航天服。阿波羅航天服與過去的航天服相比，根本的差別在于采用了，即將生命保障系統(tǒng)固定在背上，以進(jìn)行供氧、二氧化碳的凈化和排除體熱。俄羅斯和美國(guó)各個(gè)階段航天服的性能如表1和表2所示。

可以看出，航天服從笨重不舒適到簡(jiǎn)便更易于活動(dòng)，人類的航天服在一步步的進(jìn)步，這些都離不開服裝人體工學(xué)的理論指導(dǎo)。

麻省理工大學(xué)正在研發(fā)一個(gè)概念化的宇航服（biosuit），它更加合體輕便，不會(huì)對(duì)人體的活動(dòng)造成束縛，如圖5所示。Bio－suit雖然是一種理想化的、概念性的宇航服，但是這個(gè)雛形并不是憑空想象，沒有科學(xué)依據(jù)的。

表1 俄羅斯（星晨公司）航天服性能

表2 美國(guó)（nase公司）航天服的性能

圖5 Bio－suit概念性宇航服

Dava J Newman通過實(shí)驗(yàn)：（1）根據(jù)Iberall的無延伸的線的走向在腿模上畫出這些線條；（2）腿上穿上絲襪，用雙面膠把高模量的黃色芳綸線粘在這些線條上；（3）用聚氨酯把芳綸線交叉的節(jié)點(diǎn)固定；（4）將固定好的芳綸線連同尼龍襪從腿模上取下，穿到人的腿上，看膝蓋活動(dòng)的情況，結(jié)果表明，根據(jù)Iberall的無延伸的線的走向制作的紙樣，即使所用的材料沒有彈性，膝蓋也可以自如的彎曲［8］。

另有實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：（1）腿部88%的皮膚收縮或伸展都小于30%；（2）膝蓋前下部的皮膚縱向伸展率達(dá)到70%，膝蓋周圍的皮膚縱向伸展率達(dá)到40%～70%；（3）膝蓋后部的縱向收縮率達(dá)到60%，小腿前部表面圓周收縮率達(dá)到70%；（4）60%的腿部皮膚有“無延伸”曲線，當(dāng)膝蓋彎曲的時(shí)候，這些曲線沒有延展或收縮；（5）根據(jù)“無延伸”曲線做得腿部服裝保證了腿部的移動(dòng)，即使在服裝為了給皮膚提供7.5kP的壓力時(shí)纖維處于緊張的狀態(tài)。所以，根據(jù)皮膚的延展和收縮性，在皮膚的表層有一些沒有延展的曲線，根據(jù)這些曲線制板，制作的服裝在面料沒有彈性的情況下也可以滿足腿部的運(yùn)動(dòng)。為了使服裝為身體提供壓力，有時(shí)纖維處于張緊的狀態(tài)，可能不能為腿部的運(yùn)動(dòng)提供過多的彈性，這時(shí)，按照這些無延展的曲線制作樣板，就不會(huì)限制腿部的運(yùn)動(dòng)。

按照該研究結(jié)果制作的航天服很合體，除了膝蓋和肘部等關(guān)節(jié)部位的面料是彈性面料，其他地方的面料是沒有彈性的。服裝在給人體提供必需的壓力的同時(shí)，也不會(huì)束縛人的活動(dòng)。雖然bio－suit還是一個(gè)雛形，但是它為將來的航天服指明了發(fā)展的方向，還是很值得我們?nèi)ダ^續(xù)研究和期待的。

3.4 其他方面的應(yīng)用

服裝工效學(xué)對(duì)特殊人群的服裝有很大的指導(dǎo)作用，如在童裝中的應(yīng)用、輪椅使用者中的應(yīng)用和孕婦裝中的應(yīng)用等。

服裝工效學(xué)可以用來指導(dǎo)兒童服裝的制作。相對(duì)成人而言，兒童在生理和心理方面都有其特殊性。其服飾須符合環(huán)保要求，既要自然休閑、舒適，又要符合兒童心理、智力活動(dòng)及兒童體態(tài)、生活習(xí)慣［9］。童裝要適當(dāng)寬大，否則會(huì)影響血液循環(huán)，甚至影響發(fā)育，緊身衣褲不僅影響兒童的下蹲跑跳等活動(dòng)，而且不利于培養(yǎng)孩子自己穿脫能力［10］；盡量不要在領(lǐng)口處設(shè)計(jì)很長(zhǎng)的繩子，以防兒童纏繞住頸部；兒童皮膚嬌嫩并且好動(dòng)，童裝的面料應(yīng)盡量選用輕柔、結(jié)實(shí)、耐洗滌、不褪色、不縮水的面料。有了服裝工效學(xué)的指導(dǎo)使得兒童服裝的設(shè)計(jì)和制作更加合理，減少了兒童受到傷害的幾率。

服裝工效學(xué)也應(yīng)用于孕婦服裝的設(shè)計(jì)和制作。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的思想在不斷進(jìn)步，孕婦服飾已經(jīng)作為一種標(biāo)志性裝束，孕婦在追求規(guī)范和功能的同時(shí)總希望它也能展現(xiàn)自己與眾不同的精神面貌和追求［11］。孕婦服裝在造型上應(yīng)采用上下一樣寬的H型或上窄下寬的A型。H型具有整體感，身體的凹凸不明顯；A型底擺寬大且具有安全感，形體的變化也不明顯。采用這兩種款型可使孕婦的腹部不凸顯。孕婦裝上衣裁片設(shè)計(jì)時(shí)，由于孕婦的胸圍和腰圍都增大了，尤其是腰圍的尺寸增幅明顯，所以在設(shè)計(jì)孕婦裝時(shí)應(yīng)增大胸圍尺寸，抬高腰節(jié)，前片可比后片稍長(zhǎng)。

服裝工效學(xué)也應(yīng)用于其他的領(lǐng)域，比如輪椅使用者服裝、專業(yè)跑步服和籃球防護(hù)服等。

4 結(jié)語

服裝人體工效學(xué)作為研究人體與服裝之間的關(guān)系，以及通過服裝改善或提高人體能力的學(xué)科，使我們的生活更加舒適，工作效率更高。它應(yīng)用于很多領(lǐng)域，如體育、軍事、科研和生活等方方面面，致力發(fā)展與服裝相關(guān)的科學(xué)理論，加快消化和吸收國(guó)際最新科學(xué)技術(shù)，發(fā)展具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的服裝高新技術(shù)。學(xué)習(xí)服裝工效學(xué)是非常有意義的，我們應(yīng)利用現(xiàn)有的知識(shí)，加上大膽的設(shè)想，不斷更新現(xiàn)有的產(chǎn)品，創(chuàng)造更加前沿的、先進(jìn)的發(fā)明。只有這樣我們才能縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距，引領(lǐng)服裝科技潮流。

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