折疊式仿生自行車(chē)頭盔設(shè)計(jì)研究

張睿 劉宇治

關(guān)鍵詞：折疊式 仿生 自行車(chē) 頭盔 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

引言

自行車(chē)頭盔是用于城市居民騎行安全防護(hù)的產(chǎn)品，其質(zhì)量關(guān)乎騎行者的生命安全。由于頭盔佩戴者頭形差異較大，佩戴主觀感受難以統(tǒng)一，國(guó)內(nèi)外頭盔設(shè)計(jì)長(zhǎng)期存在佩戴適合性差、佩戴穩(wěn)定性有限及佩戴舒適性不足的難題，給佩戴者帶來(lái)了安全隱患。因此，有必要從實(shí)際出發(fā)，參照仿生學(xué)知識(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)自行車(chē)頭盔結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品形態(tài)仿生設(shè)計(jì)以其生動(dòng)形象的造型讓產(chǎn)品具有強(qiáng)烈的情感色彩，并在使用過(guò)程中帶給用戶(hù)趣味化的體驗(yàn)，使用戶(hù)在高壓狀態(tài)下的生活得到放松，極大滿足了用戶(hù)期望從產(chǎn)品上獲取溫暖的心理需求，符合工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)“以人為本”的發(fā)展趨勢(shì)。

一、城市自行車(chē)頭盔市場(chǎng)現(xiàn)狀分析

（一）國(guó)際品牌主導(dǎo)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)

目前，市場(chǎng)上較為常見(jiàn)的自行車(chē)頭盔多為來(lái)自北美和歐洲的知名品牌，如閃電、TREK、GIANT、BELL、GlRO和KASK等，價(jià)格均為干元以上。國(guó)產(chǎn)品牌以GuB為代表，價(jià)格區(qū)間在200元至500元。還有一些山寨產(chǎn)品，價(jià)格在幾十元到百元不等。在山地車(chē)騎行運(yùn)動(dòng)發(fā)燒友這個(gè)群體中，90%以上的用戶(hù)都選擇購(gòu)買(mǎi)國(guó)際頭盔品牌，因?yàn)檫@些產(chǎn)品大都通過(guò)了歐洲、美國(guó)和澳大利亞（分別為CE、CPSC和AS/NZs標(biāo)準(zhǔn)）三大市場(chǎng)的自行車(chē)頭盔安全認(rèn)證，質(zhì)量有保障，其所用材質(zhì)和安全性設(shè)計(jì)要高于國(guó)產(chǎn)品牌及山寨產(chǎn)品。有些高端頭盔產(chǎn)品更添加了智能導(dǎo)航、遠(yuǎn)程控制等功能。面對(duì)國(guó)際品牌強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)力和國(guó)內(nèi)低碳出行的倡導(dǎo)，中國(guó)城市自行車(chē)頭盔的自主設(shè)計(jì)任重而道遠(yuǎn)，如圖1、2。

（二）自行車(chē)頭盔使用率不高

以筆者生活的城市為例，路上隨處可見(jiàn)自行車(chē)騎行者，卻幾乎沒(méi)有人佩戴頭盔。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)不佩戴頭盔騎行者多達(dá)70%;佩戴頭盔騎行者只占10%左右，主要為山地車(chē)騎行運(yùn)動(dòng)者;曾經(jīng)佩戴過(guò)頭盔的騎行者約占20%。根據(jù)對(duì)這些群體的隨機(jī)訪談結(jié)果來(lái)看，自行車(chē)騎行者不佩戴頭盔的原因主要有：

1.根本沒(méi)有要佩戴頭盔的意識(shí)。

2.騎行路程較短，沒(méi)有必要佩戴頭盔。

3.啟己騎車(chē)技術(shù)好，不會(huì)出現(xiàn)意外。

4.頭盔佩戴麻煩。

5.長(zhǎng)久佩戴頭盔容易發(fā)悶發(fā)熱。

6.啟己本來(lái)想戴，看大家都沒(méi)戴，就不戴了

7.形式感太強(qiáng)，沒(méi)有必要。

8.頭盔不方便攜帶。

自行車(chē)騎行者戴頭盔現(xiàn)象之所以少見(jiàn)，是因?yàn)楣娭鲃?dòng)預(yù)防傷害的意識(shí)較弱。醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，騎行時(shí)佩戴自行車(chē)頭盔可防止頭部受傷的概率達(dá)85%，同時(shí)也可以大大降低損傷程度和事故死亡率。頭盔能夠?qū)ψ畛醯臎_撞起到緩沖作用，降低沖擊力度，以及顱骨骨折和腦出血的可能性。因此，頭盔應(yīng)成為自行車(chē)騎行者的必備品。

（三）自行車(chē)行車(chē)安全教育不足

為了提升城市交通安全系數(shù)，國(guó)內(nèi)很多城市都對(duì)道路進(jìn)行了重新規(guī)劃和建設(shè)，如將機(jī)動(dòng)車(chē)道和非機(jī)動(dòng)車(chē)道隔開(kāi)，以及建設(shè)專(zhuān)用自行車(chē)道。但仍避免不了機(jī)動(dòng)車(chē)占用非機(jī)動(dòng)車(chē)道的現(xiàn)象，也可見(jiàn)自行車(chē)騎行者為圖方便快捷，漠視交規(guī)，在機(jī)動(dòng)車(chē)道上飛馳的現(xiàn)象。建設(shè)有效的非機(jī)動(dòng)車(chē)行車(chē)安全宣傳和監(jiān)管平臺(tái)，包括騎行時(shí)佩戴頭盔的提示，也是十分必要的。

二、城市自行車(chē)頭盔設(shè)計(jì)要素解析

（一）種類(lèi)及造型

按用途分，自行車(chē)頭盔可分為山地盔、公路盔和競(jìng)賽盔三種，且多為橢圓形。適于普通城市自行車(chē)的頭盔在種類(lèi)造型上必須滿足以下幾點(diǎn)：（1）圓形，更加貼合亞洲人頭形，佩戴緊湊，可避免頭部?jī)蓚?cè)夾持感;（2）輕便，便于拿握、佩戴和懸掛，但頭盔重量受結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的影響，設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)用戶(hù)需求，結(jié)合產(chǎn)品成型工藝進(jìn)行優(yōu)化;（3）滿足對(duì)用戶(hù)后腦的保護(hù)。人類(lèi)后腦很脆弱，極易受到傷害，對(duì)頭盔覆蓋后腦的部分設(shè)計(jì)要求更高，也是區(qū)別頭盔價(jià)值所在。

（二）結(jié)構(gòu)及材質(zhì)

自行車(chē)頭盔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要從以下幾部分入手：

1.帽殼——覆蓋于帽體之外的薄膜，與帽體相貼合，可分散撞擊力，材質(zhì)主要有聚碳酸酯（PC）、滌綸樹(shù)脂（PET）和聚氯乙烯（PVC）真空成型。

2.帽體——頭盔的主體，設(shè)計(jì)須符合頭部結(jié)構(gòu)，符合國(guó)際認(rèn)證安全標(biāo)準(zhǔn)，材質(zhì)主要有合成樹(shù)脂（EPS）和聚氨酯泡沫塑料（EPU）兩種。一體成型的頭盔帽殼和帽體間沒(méi)有空隙，韌性和強(qiáng)度也更好。

3.束鎖裝置——將頭盔固定在用戶(hù)后腦部，增強(qiáng)頭盔穩(wěn)固性。束鎖裝置應(yīng)具有調(diào)節(jié)作用，以協(xié)調(diào)帽體本身尺寸和頭部的貼合程度，因此，可在保證產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上，在頭盔后腦部加入可調(diào)節(jié)的彈簧帶，并根據(jù)產(chǎn)品成型工藝仔細(xì)推敲。

4.帽帶及扣環(huán)——帽帶與臉部皮膚緊貼，材質(zhì)以柔軟、不傷皮膚的尼龍為主?？郗h(huán)的主要作用是扣緊帽帶，防止頭盔晃動(dòng)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)避免尖銳棱角，考慮系扣和解扣時(shí)的便捷性。

5.氣孔——通風(fēng)導(dǎo)流。其位置和大小均對(duì)頭盔的舒適度有很大影響，設(shè)計(jì)時(shí)需要結(jié)合產(chǎn)品整體尺寸和造型確定最優(yōu)方案。

6.村墊——由于人體頭部結(jié)構(gòu)不盡相同，在設(shè)計(jì)時(shí)可在帽體內(nèi)部不同區(qū)塊增加可移動(dòng)調(diào)整的襯墊，以補(bǔ)足帽體與頭部之間的空隙，使頭盔佩戴更加舒適。材質(zhì)一般選用透氣性強(qiáng)的棉或發(fā)泡物。

三、折疊式仿生自行車(chē)頭盔的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

（一）市場(chǎng)定位及設(shè)計(jì)概念

根據(jù)市場(chǎng)分析可知，普通城市自行車(chē)頭盔設(shè)計(jì)應(yīng)在保證品質(zhì)和工藝的基礎(chǔ)上，不盲目追求高端智能的產(chǎn)品功能，而真正從大眾用戶(hù)需求出發(fā)，應(yīng)用仿生學(xué)原理，設(shè)計(jì)真正符合大眾需求的自行車(chē)頭盔產(chǎn)品。而在設(shè)計(jì)的課題中，往往在開(kāi)始階段只有極少量的信息可供參考，更多的是依靠個(gè)人的判斷以及做出的種種假設(shè)，并且總是有不止一種正確答案。本次設(shè)計(jì)的目的是設(shè)計(jì)一款實(shí)用、堅(jiān)固、美觀、輕便的城市自行車(chē)騎行頭盔，根據(jù)自行車(chē)頭盔結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的生物原型，并提取其特征點(diǎn)，進(jìn)行仿生產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的路徑探索。仿生頭盔設(shè)計(jì)抗沖擊系數(shù)更高，整體重量比同類(lèi)城市騎行頭盔更輕，風(fēng)阻性更低，透氣性更好。設(shè)計(jì)過(guò)程中主要運(yùn)用形態(tài)仿生和結(jié)構(gòu)仿生兩種方法。生物原型為穿山甲和蜂巢。

（二）仿生原型分析

穿山甲全身覆蓋由角蛋白組成的菱形鱗片，鱗片相互堆疊，由脊背中央向身體兩側(cè)縱向排列，呈剃刀狀，這種順序排列的鱗片能防止穿山甲在打洞時(shí)泥土黏附身體。受其他生物攻擊時(shí)，穿山甲的身體能夠蜷成球狀，堆疊的鱗片在每個(gè)節(jié)點(diǎn)處相互咬合，使穿山甲身體外殼更加堅(jiān)硬，有效防御外敵入侵，如表1。穿山甲流線型的身體外形和自行車(chē)頭盔的基本造型相吻合，可作為頭盔帽殼的設(shè)計(jì)參照物，設(shè)計(jì)特征提取為堅(jiān)硬的材質(zhì)、合理的物理結(jié)構(gòu)以及優(yōu)美自然的形態(tài)。

自行車(chē)頭盔的帽體為產(chǎn)品主體部分，對(duì)強(qiáng)度和韌性有很高的要求，此處提取蜂巢的結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，使其更加符合產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計(jì)要求。蜜蜂在長(zhǎng)期的演化中具有了制造蜂巢的本能，而且工蜂總是用六棱柱形的單元結(jié)構(gòu)制作成蜂巢。研究表明，這種穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)重量輕，剛性大，隔熱性好，如表2。將此結(jié)構(gòu)運(yùn)用于頭盔帽體內(nèi)襯，能夠使產(chǎn)品更加美觀舒適。

（三）產(chǎn)品創(chuàng)新點(diǎn)

1.簡(jiǎn)化及應(yīng)用生物原型特征

單純的一個(gè)生物不會(huì)引人注意或者引起情感共嗚，但是將其與產(chǎn)品聯(lián)系起來(lái)就會(huì)有豐富的聯(lián)想空間并能夠產(chǎn)生豐富的情感，將其衍生為產(chǎn)品也會(huì)成為迎合大眾的設(shè)計(jì)，同時(shí)會(huì)增強(qiáng)作品的個(gè)性化。通過(guò)對(duì)穿山甲體態(tài)特征的研究與分析，并且對(duì)自行車(chē)頭盔產(chǎn)品造型形態(tài)的研究發(fā)現(xiàn)，頭盔帽殼的外部輪廓能夠詳細(xì)表達(dá)穿山甲獨(dú)特的形態(tài)特征，給用戶(hù)最直觀的設(shè)計(jì)感受。由于穿山甲身體造型多為自由曲線，為設(shè)計(jì)出貼合人類(lèi)頭部外形特性的產(chǎn)品，這里主要選取穿山甲背脊主特征線用于控制頭盔形態(tài)的主要風(fēng)格，從整體上顯性有效地表明產(chǎn)品形態(tài)特征，如圖3。頭盔內(nèi)襯造型則由蜂巢生物特征出發(fā)進(jìn)行聯(lián)想，采用六棱柱形的網(wǎng)眼單元結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品既輕便透氣，又堅(jiān)固耐用，如圖4。

2.便攜折疊式設(shè)計(jì)

為使頭盔便于攜帶和收納，可折疊自行車(chē)頭盔具有極佳的靈活性。設(shè)計(jì)時(shí)，主要參照穿山甲鱗片相互堆疊的菱形結(jié)構(gòu)，頭盔能夠以雙耳部位為軸縱向折疊和展開(kāi)，如圖5。值得注意的是，如果折疊組塊過(guò)多，可能會(huì)影響組件之間鏈接的穩(wěn)定性，也可能會(huì)引起頭盔內(nèi)襯斷裂，從而導(dǎo)致使用安全隱患。因此，在后續(xù)改良設(shè)計(jì)中，還需要應(yīng)用力學(xué)原理對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算和評(píng)估。

3.產(chǎn)品結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)及功能

頭盔產(chǎn)品的主要目的是拯救生命和防止創(chuàng)傷性腦損傷。在正確佩戴的情況下，頭盔應(yīng)當(dāng)遮擋以眉毛為基線以上的頭部范圍，并對(duì)后腦形成保護(hù)。除了上述仿生設(shè)計(jì)的部分外，本次設(shè)計(jì)在頭盔前部眉心位置設(shè)計(jì)了固定環(huán)和折疊卡扣，用于固定頭盔打開(kāi)后的造型以及佩戴在頭部的位置。帽體兩側(cè)的透氣孔主要起到通風(fēng)和確保頭部干爽的作用。警示燈用于夜間騎行時(shí)提醒來(lái)往車(chē)輛注意和騎行者保持安全距離，警示燈的開(kāi)關(guān)則設(shè)計(jì)在帽帶上，便于操控。在帽帶下顎處設(shè)計(jì)固定扣環(huán)，并在側(cè)耳處安排調(diào)節(jié)器，以確保頭盔佩戴時(shí)不會(huì)左右搖晃，如圖6。

4.產(chǎn)品CMF

（1）顏色：本產(chǎn)品從創(chuàng)新設(shè)計(jì)視角出發(fā)，發(fā)現(xiàn)用戶(hù)的細(xì)節(jié)需求，提供創(chuàng)新的產(chǎn)品色彩定義及產(chǎn)品圖案設(shè)計(jì)，通過(guò)高光區(qū)域顏色減淡和暗部顏色加深處理增加對(duì)比度。并針對(duì)不同性別、性格用戶(hù)提供豐富的色彩選擇，對(duì)不同色彩賦予不同的象征意義。比如，黑色代表沉穩(wěn)，灰色代表時(shí)尚輕便，綠色象征環(huán)保等，如圖7。

（2）材質(zhì)與工藝：此次頭盔帽體將采用一體化注塑成型工藝，能夠使產(chǎn)品更加堅(jiān)固耐用，注塑成型的成型周期短，特別適合大批量生產(chǎn)。外殼采用可發(fā)性聚苯乙烯（EPS）材質(zhì)，防潮性、絕緣性和保溫性好，亦可使產(chǎn)品質(zhì)量輕，便于佩戴。傳統(tǒng)頭盔內(nèi)部采用泡沫、聚乙烯等實(shí)心材料作為緩沖結(jié)構(gòu)吸能結(jié)構(gòu).折疊式仿生自行車(chē)頭盔內(nèi)襯采用3D速干材質(zhì)和多層開(kāi)孔結(jié)構(gòu)工藝，使騎行更加舒適。帽帶材質(zhì)考慮以尼龍為主，配以十字編織工藝，既滿足用戶(hù)保護(hù)皮膚的要求，也起到裝飾的作用。

結(jié)語(yǔ)

本次折疊式仿生自行車(chē)頭盔設(shè)計(jì)是為了彌補(bǔ)同類(lèi)高端品牌和地段產(chǎn)品之間的斷層，解決大多數(shù)城市居民騎行安全問(wèn)題。雖然設(shè)計(jì)還存在許多瑕疵，但它是在理解人、產(chǎn)品、自然和社會(huì)的關(guān)系的基礎(chǔ)上做出的創(chuàng)新嘗試，是以為符合大眾安全性需求為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)的，能夠?yàn)檠芯款?lèi)似產(chǎn)品和相關(guān)設(shè)計(jì)生產(chǎn)實(shí)踐提供參考。日后，在時(shí)刻關(guān)注市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，在設(shè)計(jì)過(guò)程中以用戶(hù)需求為出發(fā)點(diǎn)，掌握產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基本原則和一般規(guī)律，還能夠進(jìn)一步找到解決問(wèn)題的方法，設(shè)計(jì)出符合要求的自行車(chē)頭盔產(chǎn)品。