出汗暖體假人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向

天津工業(yè)大學紡織學院，天津 300387

出汗暖體假人的研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向

王歡馬崇啟呂漢明

天津工業(yè)大學紡織學院，天津 300387

較系統(tǒng)地概述國內(nèi)外出汗暖體假人的研究狀況和服裝舒適性的表征方法；綜述出汗暖體假人在日常服裝、特種防護服裝等研究中的應用，重點指出出汗暖體假人在皮膚非均勻出汗、局部服裝舒適性測試及假人皮膚材質等方面存在的缺陷；提出出汗暖體假人最迫切的發(fā)展方向，即服裝舒適性測試標準的統(tǒng)一。

出汗暖體假人，服裝舒適性，非均勻出汗，假人皮膚，測試標準

出汗暖體假人(sweating thermal manikin)是一種模擬人體-環(huán)境熱濕交換的各項數(shù)據(jù)指標，用于服裝等舒適性測試的設備，它在一定程度上可以代替人體試驗。自20世紀40年代美國軍需氣候研究所研發(fā)出第一代干態(tài)暖體假人至今，世界上已經(jīng)研發(fā)出100多個各式各樣的出汗暖體假人。出汗暖體假人的研發(fā)經(jīng)歷了發(fā)熱、發(fā)熱且能活動、發(fā)熱發(fā)汗且能活動三個階段[1]。雖然出汗暖體假人已應用在各個領域，但其在皮膚非均勻出汗、局部服裝舒適性測試及假人皮膚材質選擇等方面還存在很多缺點。本文對各種出汗暖體假人的優(yōu)缺點進行系統(tǒng)介紹，以期相關領域的研究人員能更加直觀、深入地了解出汗暖體假人的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向，更積極、更有效地解決有關問題。

1 國內(nèi)外研究狀況

暖體假人的發(fā)展可分為三個階段：第一代暖體假人僅用于服裝的靜態(tài)熱阻測試；第二代暖體假人為多段式暖體假人，各段軀體可通過微機和加熱裝置單獨控制，假人可模擬人體實現(xiàn)簡單的姿態(tài)調整，同時能通過測試得到服裝靜態(tài)和動態(tài)熱阻；第三代暖體假人可模擬人體出汗，實現(xiàn)行走等復雜動作，能對服裝的熱濕交換性能做出綜合評價。

1.1第一代暖體假人

20世紀60年代末，美國學者Goldenman[2]與德國學者Mecheels等[3]聯(lián)合研制出世界上第一款出汗暖體假人。兩位學者以干態(tài)暖體假人為軀干，并給假人覆蓋上一層高吸濕面料，然后不斷地對假人表面噴水，模仿出汗效果。試驗時，需要不斷地打開高吸濕面料并向假人表面噴水，操作非常麻煩，且噴水量也不易控制，試驗誤差較大。

1.2第二代暖體假人

20世紀80年代，東華大學張渭源等開始研究暖體假人課題，成功地將出汗暖體假人應用于低溫防寒服、南極服等服裝的開發(fā)，但進度緩慢，未能獲得突破性成果。1995年，東華大學與航天醫(yī)學工程研究所依據(jù)我國航天員的體型標準，聯(lián)合研制出一種姿態(tài)可調的出汗暖體假人，并首次應用于航天服的研制[4]。該出汗暖體假人結構簡單，安裝便利，而且簡化了航天服的研制，但是其姿態(tài)雖然可調，卻沒能實現(xiàn)行走的功能。

1.3第三代暖體假人

隨著科技的發(fā)展，出汗暖體假人的研發(fā)進入了高速增長時期，世界各國都在加緊研制，出現(xiàn)了各種各樣的出汗暖體假人。由于人體出汗分為氣態(tài)和液態(tài)兩種，這里根據(jù)出汗方式不同，將出汗暖體假人分為有汗腺和無汗腺兩類。前者可通過微機精準控制出汗量，減小試驗誤差，其出汗方式多為液態(tài)；后者可實現(xiàn)整體軀干的均勻氣態(tài)出汗，但在液態(tài)出汗與非均勻出汗方面還存在缺陷。

1.3.1 有汗腺暖體假人

首款成熟的第三代出汗暖體假人出現(xiàn)在1992年， 它是由芬蘭VTT技術研究中心的Meinander等[5]使用硬質泡沫塑料作為骨架而研制的出汗暖體假人“Coppelius”(圖1)。Coppelius的肩、肘、臀及膝蓋等部位裝有假肢關節(jié)，可模仿人體的自由運動并擺出各種姿勢。Coppelius全身共裝有187個汗腺，通過微機與開關閥控制出汗量，達到模擬人體出汗的效果。Coppelius主要通過其內(nèi)部水量的散失來確定服裝的干熱損失，通過試驗前后服裝的質量變化來確定服裝的濕熱損失。但由于試驗中忽略了水分的蒸發(fā)量，故水量的散失無法精準測量，試驗誤差較大。

圖1 Coppelius

1993年，日本文化女子大學(2011年更名為文化學園大學)的研究人員Teruko等[6]研發(fā)出一種與Coppelius相似的出汗暖體假人，但至今未見到其具體應用的報道。

2001年，瑞士學者Richard等[7]以Coppelius為基礎，研制出出汗暖體假人“SAM”(圖2)。SAM的第一個創(chuàng)新是其骨骼材料由泡沫塑料混合鋁粉組成，這大大加強了熱傳導效能，并使得溫度分布更加均勻；第二個創(chuàng)新是使用二軸連桿機構帶動假人運動，實現(xiàn)行走的功能，并能擺出各種姿勢。SAM的出汗方式與Coppelius相同，都是人為實現(xiàn)精準控制，且不隨服裝的變化而變化。SAM能夠行走并擺出各種姿勢，這是一個極大的進步，為后來其他出汗暖體假人的研究起到了重要的啟發(fā)和參考作用。

圖2 SAM

圖3 ADAM

圖4 ADAM分區(qū)結構

2003年，美國國家可再生資源實驗室和美國西北測試科技公司(MTNW)聯(lián)合研制出出汗暖體假人“ADAM”(圖3)。ADAM主要用來測試日常生活中人體的機能反應及服裝舒適性。ADAM由金屬復合材料制成，使用多孔滲水的金屬皮膚替代織物皮膚。它共由126個獨立的金屬體段組成(圖4)，使用者可獨立控制每個金屬體段的皮膚溫度與出汗率，能以極小的誤差測量出瞬態(tài)熱流量，并能模擬出人體的熱舒適感覺[8]。ADAM的出現(xiàn)使出汗暖體假人的應用不再局限于服裝相關領域。

2004年，我國總后勤部軍需裝備研究所成功研制出與Coppelius和SAM相似的出汗暖體假人，并將其應用于軍服的評測[9]。2009年，北京航空航天大學與中國航天員科研訓練中心的研究人員通過暖體假人模擬艙外服的研究，形成了驗證和評估系統(tǒng)熱防護性能的綜合技術方法，成功搭建了一個科學的檢驗體系[10]。

迄今，世界上最先進的暖體假人是美國西北測試技術公司于2011年研發(fā)的“Newton”(圖5)。該假人外殼由內(nèi)含銅質加熱層的環(huán)氧碳纖維組成，內(nèi)置加熱裝置、溫度傳感器和可選的整體流動供應系統(tǒng)，可模擬人體新陳代謝熱量和排汗量。Newton通過34個獨立控制的熱能塊組成，配合可穿脫的織物皮膚，實現(xiàn)獨立控制各個熱能區(qū)域的皮膚溫度、出汗率及熱流量，試驗精度達到±0.1 ℃[11]。

圖5 Newton

1.3.2 無汗腺暖體假人

1992年，日本大阪工業(yè)技術試驗所研制出出汗暖體假人“Taro”[12]，它的出汗方式比較特殊，將水蒸氣通入其內(nèi)部來模擬出汗效果。這種利用水蒸氣代替出汗的方法很新穎，其優(yōu)點在于可模擬人體排出氣態(tài)汗，缺點是只能在冷環(huán)境或舒適環(huán)境下對職業(yè)防護服裝的熱濕傳遞性能進行測試。由于此類假人至今沒有實際應用，無法得知其出汗效果。

2000年，東華大學以干態(tài)暖體假人為軀干，穿著外掛出汗皮膚系統(tǒng)，研制出新型出汗暖體假人。試驗證實該假人的出汗系統(tǒng)的靈敏度極高，穩(wěn)定性好，具有可靠的熱濕調控性能，在軍服和特種防護服的研發(fā)中起著重要作用，但未進行極限環(huán)境的測試，所以不夠完善。

2002年，香港理工大學的范金土教授等[13]研制出世界上第一個以織物為皮膚的出汗暖體假人“Walter”(圖6)，并成功應用于服裝測試。Walter由含有微孔結構的PTFE(聚四氟乙烯)膜的Gore-tex織物作為皮膚和內(nèi)部水循環(huán)系統(tǒng)構成，可模擬人體全區(qū)域出汗[14]。Walter與Coppelius、SAM的最大區(qū)別在于前者的出汗方式為被動出汗，其優(yōu)點是假人皮膚出汗量可隨穿著衣物的改變而變化。后來，Walter又添加了自動續(xù)水系統(tǒng)、行走系統(tǒng)和姿態(tài)調節(jié)系統(tǒng)[15]。作為世界上第一個織物皮膚的暖體假人，Walter的出汗效果更加接近人體皮膚，出汗量計算更加精確，但它只能模擬氣態(tài)出汗，無法實現(xiàn)液態(tài)汗的流出，且只能實現(xiàn)整體出汗一致，無法消除局部出汗差異。

圖6 Walter

2016年，天津工業(yè)大學的梁肖肖等[16]53-54在Walter的基礎上進行試驗，通過運用涂層技術，實現(xiàn)了Walter的非均勻出汗。試驗證明，假人非均勻出汗時測得的服裝熱阻和濕阻均大于假人均勻出汗時測得的值，且濕阻變化非常明顯。但此試驗并不精準，未考慮外部環(huán)境與假人皮膚的熱量交換，其非均勻出汗與人體還存在差異。

2 服裝舒適性的表征

1941年，美國耶魯大學約翰皮爾斯實驗室的學者Gagge等[17]428-430提出，在室溫為20.0～21.0 ℃、相對濕度小于50%、風速不超過0.1 m/s的環(huán)境中，一位靜坐或從事輕度勞動的人感覺舒適所穿著的服裝的隔熱值為1 clo。

人體的散熱主要有兩種方式：顯熱與潛熱[18]。所以，評價服裝舒適性的指標有兩個：熱阻與濕阻。由服裝兩面存在溫差而產(chǎn)生的熱流阻力就是熱阻(℃·m2/W)，其物理意義是服裝兩面溫差與通過單位面積服裝的熱流量之比，它表征服裝的隔熱保暖能力[19-20]。濕阻(Pa·m2/W)即服裝的透濕阻力，其物理意義是服裝兩面水蒸氣壓力差與單位面積服裝的蒸發(fā)熱流量之比，它表征服裝的透氣性。1941年，Gagge等[17]428-438提出熱阻計算式；1962年，Woodcock[21]根據(jù)熱阻計算式提出濕阻計算式。

熱阻計算式：

(1)

濕阻計算式：

(2)

人體總散熱量計算式[22]：

H=Hd+He

(3)

式中：Rt為服裝和空氣層的總熱阻，℃·m2/W；

As為人體表面積，m2；

Ts為人體皮膚溫度，℃；

Ta為環(huán)境溫度，℃；

Hd為人體干熱損失，W；

Re為服裝和空氣層的總濕阻，Pa·m2/W；

Ps為人體皮膚的飽和水蒸氣壓，Pa；

Pa為環(huán)境水蒸氣壓，Pa；

He為人體濕熱損失，W；

H為人體總散熱量，W。

2012年，清華大學的韓雪峰等[23]基于Newton建立了一個多分區(qū)多層傳熱數(shù)值模型，經(jīng)試驗驗證各分區(qū)的熱物理參數(shù)，建立了熱平衡方程，實現(xiàn)了指定環(huán)境下假人皮膚的溫度變化及其與服裝作用的過程。該模型可用作高溫條件下暖體假人試驗的基礎測算工具，對溫度變化和服裝性能做簡單預測。

出汗暖體假人的出汗模擬方式分為兩種。一種是完全模擬人體出汗。在不同環(huán)境中及不同運動狀態(tài)下，人體各個部位的出汗量分布不均勻，且性別不同出汗量也不相同，出汗量由多到少的順序是背部>頭部>胸部>腹部>小腿>大腿>上臂[24-26]。當人大汗淋漓時，汗液會沿著軀體向下流，而這部分的出汗量無法用于計算服裝的透濕指標。另一種是模擬人體出汗的理想狀態(tài)，即人體各部位的出汗量均勻分布，不考慮非均勻出汗。這種模擬方式是測試服裝透濕指標的理想情況[27]。

3 出汗暖體假人的應用與缺陷

3.1應用

出汗暖體假人主要應用于評測服裝舒適性，能精確地測量出服裝的熱阻與濕阻。同時，暖體假人系統(tǒng)涉及仿生學、熱學、計算機學、紡織與服裝工程學等學科，其應用極其廣泛。以出汗暖體假人為基礎，可對服裝面料在不同工況條件下的傳熱、傳濕性能進行靜態(tài)和動態(tài)的測試分析[28]。

3.1.1 日常服裝的舒適性研究

東華大學的陳益松教授等[29]利用Walter，對日常服裝的舒適性進行了大量試驗，驗證了一個事實：當服裝內(nèi)的空氣層保持在一定厚度范圍內(nèi)時，服裝越寬大，其熱阻與濕阻越??；反之，服裝越貼身，其熱阻與濕阻越大。當服裝內(nèi)的空氣層超過一定厚度范圍時，服裝的寬松度與其熱阻和濕阻成正比例關系，而且在有風的環(huán)境中，服裝越緊身，其保暖性能越好。

2013年，浙江理工大學的李菲菲等[30]利用Walter，對9件填充有不同材質或不同質量的填充物的服裝進行舒適性測試，結果表明，羽絨類填充的服裝的保暖性優(yōu)于中空保暖纖維類填充的服裝，但前者的透氣性一般。

3.1.2 特種防護服裝的舒適性研究

我國航空航天事業(yè)正處于高速發(fā)展階段，這要求宇航員的航天服必須達到相應的標準。東華大學與總后勤部、總裝備部聯(lián)合研制的出汗暖體假人已經(jīng)用于我國航天服的有關研究。2013年，東華大學的陳益松等[31]為研究艙外航天服，在研制出汗暖體假人時，首次提出“分體獨立，實時組合”的設計思想，即要求假人可在狹小的空間內(nèi)完成組裝和拆解，這在應對狹小的飛船空間時有著極大的便利。同時，該假人還實現(xiàn)了恒皮溫、變皮溫、恒功率、變功率控制，這是我國航天服研究的一個重要進步。

因消防工作的特殊性，消防服研制的重要性不言而喻。但消防工作環(huán)境比較特殊，消防服研制過程中無法使用真人進行試驗，所以利用出汗暖體假人進行消防試驗非常有意義[32]。

袁夢琦等[33]結合熱電偶測量技術及暖體假人測量技術，測量了高溫下防刺服的熱阻和濕阻。在溫濕度可控制的氣候室內(nèi)，設置不同環(huán)境工況，獲得了兩套防刺服的熱阻和濕阻特性，比較了不同部位的熱濕阻差異及不同防刺基板材料對防刺服的熱濕阻的影響，得出：防刺服的熱阻與溫度成反比，其濕阻與溫度成正比而與濕度成反比。

3.2缺陷

3.2.1 局部服裝舒適性測量

當今世界各國研制的暖體假人都只能測試服裝整體的熱阻與濕阻，而無法單獨測試某個區(qū)域的熱阻與濕阻。這正是出汗暖體假人今后發(fā)展的必然趨勢，對單獨區(qū)域的服裝熱阻與濕阻進行測試，有利于更加精確地描述服裝舒適性。同時，一些特種服裝更加迫切地要求局部服裝舒適性的測試，以實現(xiàn)更合理的結構設計和面料選擇。

3.2.2 非均勻出汗

非均勻出汗一直是出汗暖體假人研究要攻克的難點。人體的出汗量并非均勻分布，頭、腋下、前胸、后背的出汗量較多，四肢的出汗量較少。因此，測試服裝熱阻與濕阻時，出汗暖體假人應能實現(xiàn)非均勻出汗，這樣才能最大程度地保證試驗結果的準確性[34]。范金土等[35]研制的出汗暖體假人即Walter使用織物作為假人皮膚。李學東等[36]驗證了針對不同部位使用不同織物模擬皮膚的非均勻出汗是可行的。梁肖肖[16]55在不同部位使用不同材質的織物作為假人皮膚，初步實現(xiàn)了局部非均勻出汗的模擬。但是，測試服裝舒適性時，對假人-環(huán)境的互相影響，通?？紤]不足，如外部環(huán)境的變化、人體生理調節(jié)導致的汗量蒸發(fā)、濕氣轉移等[37]。今后，應將暖體假人放置于小型人工氣候室內(nèi)，通過計算機調節(jié)氣候室內(nèi)的風速與溫濕度，模擬不同環(huán)境，測試暖體假人不同部位的出汗量，增加試驗的精確度。

3.2.3 假人皮膚

現(xiàn)今對暖體假人皮膚的研究還比較少。ADAM和SAM等以金屬作為皮膚的出汗暖體假人存在一個很大的缺點，即金屬的比熱容很小，熱量散失快，難以保證假人皮膚溫度均勻和穩(wěn)定[38]。Walter和Newton等使用織物作為皮膚的出汗暖體假人的缺點是皮膚彈性和伸縮性等與人體皮膚存在較大差異，在測試緊身衣等服裝的舒適性時誤差較大。今后，可采用PTFE膜復合織物[39]及聚烯烴系彈性體(EVA，即乙烯-乙酸乙烯酯共聚物)[40]復合織物作為假人皮膚，改善上述缺陷。

4 展望

可以說，制約暖體假人發(fā)展的最大障礙是沒有統(tǒng)一的測試標準?，F(xiàn)今有很多類型的出汗暖體假人，即使在等溫、等濕、等風速的環(huán)境中，且測量原理相同的條件下，測試得到的服裝熱阻與濕阻也不一樣[41]。這對服裝舒適性評價造成了很大的偏差，其原因歸根結底是測試標準的不統(tǒng)一。目前國際上有關服裝濕阻的標準只有一個，即ASTM F2370-2016[42]。但此標準只是對出汗暖體假人大小、測試程序及條件做了規(guī)范，未對假人皮膚出汗方式做出明確規(guī)定。因此，在外部條件完全一致的條件下，由于出汗方式不同，暖體假人的試驗結果也有差異。

今后，針對不同的出汗暖體假人，首先應在ASTM F2370-2016的基礎上對假人的出汗方式做出明確規(guī)定(即氣態(tài)出汗和液態(tài)出汗)；其次，對暖體假人的溫度控制做出規(guī)定(即加熱方法)，因為不同的加熱方法會影響試驗結果的重復性和再現(xiàn)性(如織物皮膚溫度無法直接控制)；最后，對有關指標的計算方法進行統(tǒng)一，嚴格按照質量損失法進行計算，因為質量損失法的本質決定了其正確性和可靠性，而且隨著相關研究的進一步發(fā)展，未來可能會出現(xiàn)更先進的出汗方式，使用質量損失法更加可靠。只有通過不斷完善相關標準，嚴格規(guī)定測試條件，才能得到更加接近真實人體出汗的效果。

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Research status and development direction of sweating thermal manikin

WangHuan,MaCongqi,LvHanming

School of Textile, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China

The research status of sweating thermal manikin in domestic and foreign countries, as well as the identification method for clothing comfort, were systematically described. The applications of sweating thermal manikin in study of daily clothing and special protective clothing and so on were reviewed, and the disadvantages of sweating thermal manikin, including uneven sweating of skin, testing of partial clothing comfort and material of manikin skin, were pointed out emphatically. The most urgent development direction of sweating thermal manikin was proposed, which was the unification for the test standards of clothing comfort.

sweating thermal manikin, clothing comfort, uneven sweating, manikin skin, test standard

2017-08-25

2017-09-13

王歡，男，1994年生，在讀碩士研究生，主要研究方向為服裝舒適性的測試方法

馬崇啟，12197759@qq.com

TS941.17

A

1004-7093(2017)10-0001-07