緊身騎行服功能性設(shè)計(jì)研究進(jìn)展

張同會(huì)，冀艷波

(西安工程大學(xué)，陜西 西安 710048)

緊身騎行服功能性設(shè)計(jì)研究進(jìn)展

張同會(huì)，冀艷波

(西安工程大學(xué)，陜西 西安 710048)

介紹了騎行服市場(chǎng)現(xiàn)狀，從騎行姿勢(shì)和人體運(yùn)動(dòng)特征兩個(gè)方面分析了騎行運(yùn)動(dòng)特征，總結(jié)了基于人體皮膚變形和動(dòng)態(tài)壓力舒適性優(yōu)化騎行服功能性設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀，展望了騎行服功能性設(shè)計(jì)的研究方向。同時(shí)提出應(yīng)從人體延伸量、動(dòng)態(tài)服裝壓力和面料力學(xué)性能的有機(jī)結(jié)合、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)及計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成紙樣等方面進(jìn)行研究。

騎行服；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；皮膚形變；壓力；生物力學(xué)

功能性服裝是指在滿足基本穿著需求的前提下，還具有滿足特定場(chǎng)合下的特定功能服裝的總稱。隨著人們對(duì)綠色出行與健康生活意識(shí)的提高，越來越多的人注重運(yùn)動(dòng)與健康，紛紛加入自行車運(yùn)動(dòng)行列，騎行服作為騎行運(yùn)動(dòng)的重要裝備之一，對(duì)身體具有防護(hù)作用。研究表明，緊身運(yùn)動(dòng)服裝對(duì)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的人體具有積極的作用，比如減少血乳酸集聚，緩解肌肉酸痛，減小在速跑或跳躍過程中的阻力[1-4]，但往往在騎行過程中，會(huì)出現(xiàn)類似臀部痛、膝蓋痛以及肌肉酸痛等運(yùn)動(dòng)性損傷。緊身騎行服是最貼近人體皮膚的騎行裝備，對(duì)減少慢性運(yùn)動(dòng)損傷的作用不容忽視。因此，研究與開發(fā)最適合騎行運(yùn)動(dòng)的功能性服裝是很有必要的，在減少騎行過程中產(chǎn)生的生理疲勞和運(yùn)動(dòng)損傷的同時(shí)，滿足其運(yùn)動(dòng)功能性。

1 騎行服市場(chǎng)現(xiàn)狀

中國(guó)因自行車數(shù)量龐大而被世界公認(rèn)為自行車王國(guó)，但自行車產(chǎn)業(yè)在中國(guó)剛剛起步，并不完善。尤其是近年來，隨著國(guó)內(nèi)自行車比賽的設(shè)立以及人們綠色出行觀念的提高，越來越多的人加入自行車運(yùn)動(dòng)中，騎行服作為運(yùn)動(dòng)功能型服裝，需求量逐年上升，但國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的騎行服往往滿足不了消費(fèi)者的生理防護(hù)及運(yùn)動(dòng)自由度需求。調(diào)研國(guó)內(nèi)捷酷、捷安特、思帕客(SPAKCT)等品牌發(fā)現(xiàn)，目前國(guó)內(nèi)騎行服市場(chǎng)主要有以下特點(diǎn)。

1.1 款式結(jié)構(gòu)單一

國(guó)內(nèi)騎行服的基本款式是立領(lǐng)中款貼身合體，前門襟拉鏈開口，插肩袖設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行分割，再利用不同性能、不同顏色、不同印花的面料進(jìn)行搭配組合。因此，國(guó)內(nèi)騎行服款式過于單一，缺乏時(shí)尚新穎感，美觀設(shè)計(jì)亟待提高。造成該問題的原因主要有兩點(diǎn)：一方面，國(guó)內(nèi)關(guān)于騎行服結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究尚未深入，其款式結(jié)構(gòu)大多按照人體直立狀態(tài)下的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，缺乏對(duì)人體動(dòng)態(tài)尺寸的測(cè)量；另一方面，市場(chǎng)上缺乏根據(jù)消費(fèi)者需求和體型進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)的騎行服，且一部分款式直接模仿國(guó)外騎行服款式，而國(guó)外騎行服根據(jù)國(guó)外體型設(shè)計(jì)，并非適合中國(guó)人體型，因此國(guó)內(nèi)消費(fèi)者很難買到既穿著舒適又滿足運(yùn)動(dòng)自由度的產(chǎn)品。

1.2 功能性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理

作為騎行運(yùn)動(dòng)專用裝備，應(yīng)在滿足人體運(yùn)動(dòng)功能的基礎(chǔ)上，即以人體為中心，從適合人體內(nèi)在和外在各種需要為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。對(duì)于騎行者來說，最好的騎行服要盡可能減少空氣阻力，且又不能有壓迫感。一份調(diào)研結(jié)果顯示，騎行褲墊檔部位存在摩擦不透氣的問題；在合體性方面，袖口、胸腰部、褲口存在一定的問題；手腕部位、臀部、小腿部易產(chǎn)生疲勞感[5]，出現(xiàn)這類問題主要是版型不合理造成的。目前，騎行服在熱濕舒適性方面已經(jīng)有極大提高，但騎行服分割線的設(shè)計(jì)主要來自于外觀性考慮，缺乏壓力分布規(guī)律、運(yùn)動(dòng)特征等理論指導(dǎo)。

2 騎行服運(yùn)動(dòng)特征分析

2.1 騎行姿勢(shì)分析

自行車運(yùn)動(dòng)是人體和自行車相結(jié)合且具有周期性特點(diǎn)的一種運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目。對(duì)于騎行姿勢(shì)沒有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，而是根據(jù)自身情況在實(shí)際騎行過程中不斷進(jìn)行調(diào)整，找到適合自己的姿勢(shì)。一般的姿勢(shì)如圖1所示，是頭部稍前傾，收腹，挺骨盆，便于腰部弓屈，增加上半身的彎曲度，減少風(fēng)阻，雙臂自然屈曲，雙手穩(wěn)而輕地握把，這樣可以使人體肌肉、骨骼放松，達(dá)到“人車合一”的狀態(tài)。

圖1 騎行姿勢(shì)

2.2 人體特征分析

自行車運(yùn)動(dòng)是單一動(dòng)作循環(huán)的過程，它是借助運(yùn)動(dòng)員腳蹬帶動(dòng)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)，以此推進(jìn)自行車運(yùn)動(dòng)的一種方式[6]。但是在騎行過程中，上下肢分工不同，上肢與軀干的作用是靜止性支撐及控制騎行方向，騎行運(yùn)動(dòng)中下肢的活動(dòng)量較大，主要提供前行的動(dòng)力。騎行運(yùn)動(dòng)不僅借助關(guān)節(jié)如腕掌關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)等，還需肌肉群的作用。

張建等[7]在研究中指出，運(yùn)動(dòng)員在踏蹬時(shí)下肢是連動(dòng)骨杠桿，不能單獨(dú)割裂只看髖關(guān)節(jié)速度或膝關(guān)節(jié)速度，應(yīng)注重大腿肌群力量的訓(xùn)練，尤其是股四頭肌的強(qiáng)化訓(xùn)練，提高其專項(xiàng)擺動(dòng)能力，以獲得較高的角速度及髖、膝、踝關(guān)節(jié)的速度。Joseph Hamill等[8]在其關(guān)于肌肉壓力與作用的研究中提出肌肉對(duì)于加速具有促進(jìn)作用。因此，大多數(shù)緊身類運(yùn)動(dòng)服裝會(huì)施加壓力于肌肉，提高運(yùn)動(dòng)效率。

除了關(guān)節(jié)、肌肉以外，還需要考慮人體體表皮膚的變形。人體的骨骼由具有不同活動(dòng)范圍和方向的關(guān)節(jié)連接而成，關(guān)節(jié)活動(dòng)帶動(dòng)肌肉的收縮與膨脹，導(dǎo)致體表皮膚的變形。研究表明：在騎行運(yùn)動(dòng)過程中，臀部區(qū)域的皮膚整體呈拉伸變形，臀褶區(qū)域拉伸率達(dá)到58%；靠近腹股溝與腹股溝方向一致的斜向區(qū)域皮膚收縮逐漸增大，收縮率達(dá)到50%；大腿前部皮膚形變比大腿后部小[9]。皮膚的拉伸量是緊身類服裝松量設(shè)置的主要依據(jù)，是騎行服提供自由運(yùn)動(dòng)度的關(guān)鍵所在。

3 騎行服功能性設(shè)計(jì)的方法

近年來，國(guó)內(nèi)關(guān)于騎行服功能性設(shè)計(jì)的研究主要集中在人體皮膚變形量和動(dòng)態(tài)壓力舒適性兩個(gè)方面。

3.1 人體皮膚變形

動(dòng)態(tài)動(dòng)作下皮膚變形量的大小是服裝寬裕量設(shè)計(jì)的理論依據(jù)，對(duì)于功能性緊身類服裝的開發(fā)尤為重要。2014年，羅蘭[10]通過對(duì)人體騎行運(yùn)動(dòng)動(dòng)作進(jìn)行捕捉，挑選出具有代表性的5個(gè)騎行動(dòng)作，對(duì)其進(jìn)行腿部皮膚拓樣，結(jié)果表明腿部各部位皮膚拉伸變化量最大且復(fù)雜，變形量范圍是(-50%～58%)，其中襠部和腰圍線附近的皮膚變形最為明顯。2016年，黃莉等[11]使用三維運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)，捕捉騎行動(dòng)作，獲取人體騎行狀態(tài)下的人體尺寸數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)腿部各個(gè)部位的拉伸變化量是不同的，主要集中在大腿外側(cè)和膝蓋周圍，運(yùn)動(dòng)過程中，小腿內(nèi)側(cè)縱向拉伸變化最為明顯，無論哪個(gè)騎行狀態(tài)，膝蓋部位始終是一個(gè)變化率比較大的區(qū)域。這些研究是針對(duì)一個(gè)騎行周期進(jìn)行分析的，但是騎行過程也會(huì)遇到上坡下坡的情況，為了明確不同路況下的皮膚變形量，王永榮等[12]針對(duì)上坡、下坡、平地3種路況下的騎行姿勢(shì)進(jìn)行進(jìn)行分析，測(cè)試結(jié)果表明長(zhǎng)度方向(前身長(zhǎng)、后背長(zhǎng)、下肢長(zhǎng))和圍度方向(胸圍、腰圍、臀圍、大腿圍等)皮膚的變化率各不相同。通過研究騎行狀態(tài)下腿部皮膚拉伸變化，可以結(jié)合面料的彈性回復(fù)率等參數(shù)，選擇最佳的騎行褲面料，同時(shí)根據(jù)腿部皮膚拉伸變化規(guī)律，對(duì)騎行服分割線位置及形狀，提供科學(xué)的設(shè)計(jì)依據(jù)。

3.2 動(dòng)態(tài)壓力

騎行服并不僅僅涉及到熱濕舒適性，還應(yīng)該考慮動(dòng)態(tài)壓力舒適性，合適的壓力有助于提高運(yùn)動(dòng)員成績(jī)，同時(shí)滿足其生理性和運(yùn)動(dòng)性防護(hù)要求，因此研究騎行服的壓力大小及分布可以為騎行服結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)，但目前國(guó)內(nèi)尚未出現(xiàn)系統(tǒng)的基于壓力舒適性的騎行服設(shè)計(jì)，包括關(guān)于服裝壓力舒適性的研究也是近十幾年才開始。

國(guó)內(nèi)從21世紀(jì)以來，一直都在研究服裝靜態(tài)壓力，且側(cè)重于服裝壓力舒適性和面料的關(guān)系，從2009年開始研究服裝動(dòng)態(tài)壓力舒適性，但是僅僅局限于測(cè)量方法以及模擬方法的研究，其中包括服裝壓力預(yù)測(cè)的理論計(jì)算模型、有限元模擬和軟體假人在服裝壓力舒適性研究中的應(yīng)用等，并沒有直接將動(dòng)態(tài)壓力舒適性研究用于優(yōu)化設(shè)計(jì)中。趙錦[13]從服裝功能性角度分析研究了如何將騎行服的設(shè)計(jì)理論分析運(yùn)用到生產(chǎn)實(shí)踐中去，通過對(duì)騎行動(dòng)作、著裝者受力情況等方面的分析，從騎行服的面料、結(jié)構(gòu)、工藝三個(gè)方面來研究騎行服的功能性設(shè)計(jì)要求。但該結(jié)論只是提供騎行服理論設(shè)計(jì)指導(dǎo)，并未通過實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。

近年來，隨著動(dòng)態(tài)壓力及壓力分布預(yù)測(cè)研究的不斷深入，相關(guān)研究人員開始嘗試運(yùn)用壓力分布規(guī)律等理論來指導(dǎo)優(yōu)化緊身類服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。楊娟等[14]通過對(duì)騎行部位進(jìn)行分析，找出主要受力部位，并對(duì)其進(jìn)行測(cè)量分析，得出下肢關(guān)鍵部位的變化量，結(jié)合褲裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，對(duì)自行車騎行褲進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

賈瑤[15]使用Labview客觀壓力測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，針對(duì)特定體型人群的騎行褲進(jìn)行壓力舒適性研究，基于壓力舒適性主客觀評(píng)價(jià)對(duì)現(xiàn)有騎行褲進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。將壓力大小考慮到騎行褲的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為后期的騎行服設(shè)計(jì)提供了很好的設(shè)計(jì)思路，但研究者僅僅選擇一款騎行褲作為研究對(duì)象，不具有代表性，且并未深入探討騎行周期服裝壓力規(guī)律。

劉娜[16]也在其研究中指出，面對(duì)國(guó)內(nèi)日益上升的騎行服裝備的市場(chǎng)需求，國(guó)內(nèi)品牌應(yīng)在面料開發(fā)、款式版型的研發(fā)等方面利用先進(jìn)的掃描技術(shù)，結(jié)合人體工程學(xué)開發(fā)出符合中國(guó)市場(chǎng)需求的產(chǎn)品。

2016年，東華大學(xué)駱順華等[17]為了研究周期騎行運(yùn)動(dòng)過程中下肢動(dòng)態(tài)壓力變化規(guī)律，使用日本AMI-3037壓力測(cè)試儀，將一個(gè)騎行周期分解成12個(gè)離散動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：右踏板處于0～30°位置時(shí)，8個(gè)測(cè)量點(diǎn)動(dòng)態(tài)壓力最大；其中大腿前中、大腿后中股內(nèi)側(cè)肌末端與股外側(cè)肌末端的動(dòng)態(tài)壓力波動(dòng)與對(duì)應(yīng)肌肉拉伸量有很大相關(guān)性；腹部與臀部動(dòng)態(tài)壓力變化幅度很小；所有位置動(dòng)態(tài)壓力隨樣褲松量遞減而線性增加。為后續(xù)研究騎行褲不同部位合理松量設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)，以改善騎行褲舒適性與運(yùn)動(dòng)性能。

2016年，Liu kaixuan等[18]通過對(duì)比動(dòng)靜態(tài)服裝壓的方法對(duì)騎行服結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先他們?cè)谌梭w上標(biāo)注53個(gè)特征點(diǎn)并依次測(cè)定該點(diǎn)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)服裝壓力值，根據(jù)壓力值來指導(dǎo)騎行服裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)果顯示優(yōu)化后的設(shè)計(jì)在動(dòng)態(tài)壓力舒適性方面有所改善。

以上這些研究文獻(xiàn)中，都是基于壓力舒適性對(duì)騎行服進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，但并未綜合考慮分析面料的力學(xué)性能及人體生理心理舒適性方面，因此對(duì)于騎行服優(yōu)化設(shè)計(jì)還需進(jìn)一步研究。

4 發(fā)展趨勢(shì)

4.1 結(jié)合人體延伸、動(dòng)態(tài)服裝壓力和面料力學(xué)性能的綜合研究

一款成功的騎行服，是面料和結(jié)構(gòu)共同作用的結(jié)果。就結(jié)構(gòu)而言，目前關(guān)于騎行服結(jié)構(gòu)研究處于基礎(chǔ)階段，一般是以人體皮膚延伸量或服裝壓力舒適性為基礎(chǔ)，要進(jìn)一步提高騎行服的功能性，必須將人體延伸、動(dòng)態(tài)壓力分布規(guī)律以及面料的力學(xué)性能三者結(jié)合進(jìn)行深入研究，以更科學(xué)的理論來優(yōu)化現(xiàn)有騎行服版型。

4.2 計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成紙樣研究

隨著國(guó)內(nèi)“工業(yè)4.0”和“互聯(lián)網(wǎng)+”的提出，服裝作為傳統(tǒng)行業(yè)的一個(gè)分支，其競(jìng)爭(zhēng)愈演愈烈，基于運(yùn)動(dòng)防護(hù)的彈性緊身騎行服的合體功能性要求比一般的無彈性服裝高，并且人體體型差別較大，若能將傳統(tǒng)服裝業(yè)和現(xiàn)代信息技術(shù)相結(jié)合，通過服裝三維虛擬試衣技術(shù)，自動(dòng)生成具有騎行運(yùn)動(dòng)功能性的彈性緊身服裝；同時(shí)在服裝制造過程中，通過對(duì)面料的選擇以及服裝的寬裕量，就能直觀顯示服裝在人體不同部位的壓力分布情況，由此根據(jù)壓力分布規(guī)律為緊身服裝制作商提供合理化設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

4.3 基于運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

彈性緊身騎行服結(jié)構(gòu)需考慮基于運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的騎行動(dòng)作下肌肉與骨骼位移、與人體生理作用機(jī)制關(guān)系等問題。2015年上海工程技術(shù)大學(xué)姚瑞祥[19]已經(jīng)運(yùn)用生物力學(xué)研究騎行褲墊，但國(guó)內(nèi)對(duì)騎行服結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)基礎(chǔ)理論研究基本尚屬空白。將生物力學(xué)應(yīng)用于騎行服的研究中，結(jié)合肌電圖學(xué)、解剖學(xué)及運(yùn)動(dòng)生理學(xué)模擬人體在騎行運(yùn)動(dòng)時(shí)，下肢骨骼肌表面肌電的變化情況，以此為基礎(chǔ)對(duì)騎行服結(jié)構(gòu)版型進(jìn)行研究。

5 結(jié)語

騎行運(yùn)動(dòng)日益成為當(dāng)下流行的戶外健身方式，研發(fā)出最舒適的騎行服無疑是目前服裝工程學(xué)的熱點(diǎn)。本文依據(jù)騎行服現(xiàn)狀特點(diǎn)，同時(shí)從騎行姿勢(shì)和人體運(yùn)動(dòng)特征兩個(gè)方面分析騎行運(yùn)動(dòng)特征，對(duì)緊身騎行服的功能性設(shè)計(jì)提出了構(gòu)想，今后應(yīng)綜合考慮運(yùn)動(dòng)中的人體皮膚延伸量、動(dòng)態(tài)服裝壓力舒適性以及面料的力學(xué)性能，來研究緊身騎行服結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，并在計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成紙樣及虛擬試衣方面做進(jìn)一步的探討。

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Research Progress on Functional Design of Tight Riding Clothing

ZHANG Tong-hui, JI Yan-bo

(Xi′an Polytechnic University, Xi′an 710048, China)

The current market status of riding clothing was introduced. From two aspects of riding posture and human movement characteristics, the characteristics of riding movement were analyzed. The research situation of optimizing functional design of riding clothing based on the human skin deformation and dynamic pressure comfort was summarized. The research direction of the functional design of riding clothing was prospected. It could be studied from the organic combination of extension of human body, dynamic pressure of clothing and mechanical properties of fabric, sports biomechanics and automatic pattern generation.

riding clothing; structure design; skin deformation; pressure; biomechanics

2017-05-03

陜西省教育廳省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研計(jì)劃項(xiàng)目(16JS035)；陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃 (16JK1338)；西安工程大學(xué)博士科研啟動(dòng)項(xiàng)目(BS1501)

張同會(huì)(1991-)，女，在讀碩士研究生，研究方向：服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

TS941.7

A

1673-0356(2017)06-0051-04