基于生物力學(xué)的運動防護服裝研究進(jìn)展

周楠， 蔣曉文， 王雪婷

(西安工程大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院，陜西 西安 710048)

隨著人們生活品質(zhì)的提升和體育運動的發(fā)展，運動健康、運動防護等相關(guān)問題受到廣泛關(guān)注[1]。越來越多的人有意識地在運動過程中佩戴防護護具以避免或減輕損傷[2]。運動防護裝備需求的增加，推動著服裝防護性能研究的進(jìn)一步發(fā)展。

運動過程中，業(yè)余及職業(yè)運動員的關(guān)節(jié)、肌肉及韌帶都有可能因慢性過度使用或急性暴力作用受到損傷[3]。意外損傷(如摔傷、扭傷等)占到2%；運動性損傷(如準(zhǔn)備活動不充分、技巧動作不準(zhǔn)確等)造成的人體損害占比98%[4]。因此，依據(jù)運動生物力學(xué)原理研制減震緩震、舒緩拉伸服裝，是運動防護服的未來發(fā)展方向。文中從運動服裝的舒適性及防護功能等角度對其研究現(xiàn)狀進(jìn)行梳理，以期為運動防護服裝研究設(shè)計提供思路。

1 防護結(jié)構(gòu)設(shè)計

運動過程中，人體關(guān)節(jié)、肌肉、皮膚等發(fā)生形變,服裝應(yīng)變?yōu)轳薨?、滑移、延展等束縛人體活動。運動防護服裝在運動人員訓(xùn)練、比賽中起著至關(guān)重要的作用[5]，防護服裝產(chǎn)生限制運動自由及不舒適的接觸壓力都是影響有效運動的重要因素。因此，結(jié)合運動特點和人體各部位壓力分布,設(shè)計出合理的服裝結(jié)構(gòu),可提高人體運動的舒適性。

運動防護服結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮服裝合體性的要求，使服裝款式和結(jié)構(gòu)符合人體運動規(guī)律[6]。服裝合體性強調(diào)服裝貼合人體體型,服裝結(jié)構(gòu)、尺寸規(guī)格與人體一致[7]。添加省道、結(jié)構(gòu)分割線及褶裥等是使服裝產(chǎn)生合體效果的常用手段[8-9]，如在滑雪服的肘部和膝部設(shè)計分割線[10]，提高活動功能性，具體如圖1所示。設(shè)計騎行服時，因人體活動時前屈幅度較大，一般在后片變化結(jié)構(gòu)：通過分析騎行自行車時人體的運動特征，采用袖肘部前彎的造型及上衣前短后長的設(shè)計[11]，具體如圖2所示；摩托車騎行姿勢中屈體動作較多，前傾時前片腰部堆積、后片顯得稍短，采取前片適當(dāng)減短、后片加長的處理[12]。

基于生物力學(xué)研發(fā)的運動防護服裝對相應(yīng)部位韌帶、肌肉加壓，有助于肌肉運動，支撐關(guān)節(jié)，舒緩過度拉伸，提高競技水平。文獻(xiàn)[13-15]通過肌電測試、壓力測試實驗研究服裝緊身程度、壓力分布規(guī)律與運動表現(xiàn)、人體舒適性指標(biāo)之間的關(guān)系，旨在提高防護服在運動過程中的舒適性與防護性。陳金鰲[16]發(fā)現(xiàn)在高強度跑步運動中，高度緊身負(fù)荷加快肌肉力竭，中度緊身負(fù)荷一定程度上有利于維持運動人員的有氧運動。張同會等[17]依據(jù)不同騎行狀態(tài)下人體14個部位服裝壓力值，設(shè)計騎行褲的款式、結(jié)構(gòu)，有效舒緩運動過程中的肌肉損傷。

2 緩沖材料應(yīng)用

在運動防護服裝的設(shè)計中，材料的性能尤為重要。運動過程中的沖擊會使關(guān)節(jié)、肌腱和肌肉受到較大的機械力，產(chǎn)生生理應(yīng)激，損害人體。緩沖材料能夠減少碰撞所產(chǎn)生的沖擊力和振動，達(dá)到保護人體的目的。

2.1 氣囊應(yīng)用

防護服裝設(shè)計中應(yīng)用緩沖氣囊目的是在機車騎行或極限運動中提供一種能迅速打開的安全氣囊，通過其緩沖或吸收沖擊負(fù)荷，降低意外損傷幾率或減輕骨骼、肌肉受傷程度。目前，氣囊觸發(fā)系統(tǒng)核心以傳感器感知角速度、加速度信號變化判斷是否啟動氣囊[18]。摩托車裝備品牌Dainese推出D-air Misano1000防護夾克，服裝背部配備多個傳感器，以800次/s頻率監(jiān)測騎手狀態(tài)，同時內(nèi)置GPS等電子設(shè)備，當(dāng)監(jiān)控到騎手情況異常時，充氣系統(tǒng)即刻啟動，氣囊可為騎手的背部、鎖骨和胸部提供保護，具體如圖3所示。In & Motion品牌推出的Spine VPD 2.0氣囊背心如圖4所示。圖4中的氣囊背心采用集成式傳感器監(jiān)測沖擊負(fù)荷，以1 000次/s的頻率監(jiān)測滑雪運動員的運動狀態(tài)，判斷運動員即將遭受意外時，立刻釋放氣囊，為其脊椎、脖頸、胸口、下腹及臀部提供減震保護[19]。

2.2 新型材料應(yīng)用

2.2.1STF-紡織材料 正常狀態(tài)下剪切增稠液體(shear thickening fluid， STF)是一種分散膠體，其中自由懸浮著許多特殊的粒子，這種球形硅微粒是自然界中最堅硬的非金屬材料之一。當(dāng)受到外力高速沖擊時，STF黏性迅速增加，變?yōu)閳杂驳墓腆w，外力消失后又恢復(fù)為原來的柔韌狀態(tài)。

STF與紡織纖維的結(jié)合應(yīng)用廣泛。如采用STF浸漬Nylon，Kevlar等纖維制備防護性能優(yōu)良的STF-紡織材料[20-22]，在改善材料防刺、防彈性能的同時，減輕織物質(zhì)量提高其舒適性[23-25]。目前，STF在防刺穿材料、液體裝甲和防彈裝甲方面應(yīng)用最為廣泛[26]。由剪切增稠液體體系與高性能纖維混合制成的剪切增稠防刺布，具有面料薄、柔軟舒適、防刺性能優(yōu)的特點[27];液體裝甲是指利用STF處理過的高性能纖維織物，質(zhì)輕、體積小，防護性及柔韌性優(yōu)越；防彈裝甲進(jìn)行防彈保護時，STF與織物共同發(fā)揮作用，剪切增稠體系黏度增大可阻止織物中纖維與紗線之間相對滑移，織物通過變形吸收能量。運動服裝制作中應(yīng)用STF-紡織材料，不僅可以滿足人體相應(yīng)部位的防護需求，而且防護性能不會因動作幅度過大而降低。

2.2.2D3O凝膠材料 正常情況下，D3O凝膠材料呈柔性、可彎曲狀態(tài)，一旦受到外力撞擊，常態(tài)下可自由運動的分子在0.001 s內(nèi)會迅速停止運動并交錯在一起，使材料呈現(xiàn)堅硬狀態(tài)，減緩?fù)獠孔矒袅Γ?dāng)外力消逝后凝膠又回復(fù)至柔軟狀態(tài)[28]。D3O凝膠材料的防護性能較其他防護類材料(如氯丁橡膠和聚乙烯)更為堅固，且因常態(tài)下柔軟不束縛人體活動而多被應(yīng)用于運動防護領(lǐng)域[29]。目前，D3O在摩托車騎行服、滑雪服上應(yīng)用廣泛，加拿大和美國的部分運動員已開始使用D3O材料制作的競技裝備。

2.2.3三維空間的復(fù)合材料 Dow Corning積極防護系統(tǒng)及其橫截面如圖5所示。

積極防護系統(tǒng)是由間隔織物和硅樹脂復(fù)合而成的三維空間結(jié)構(gòu)復(fù)合材料[30]，具有良好的舒適性和緩沖性。該材料在外力作用下，其受力區(qū)域的硅樹脂遭受沖擊變成堅硬固體，并將沖擊力逐步分散至相鄰間隔紗，減緩沖擊負(fù)荷；外力消失后，硅樹脂快速轉(zhuǎn)化為柔性狀態(tài)。此外，該材料易裁剪、可縫紉、可水洗，且具有良好的穩(wěn)定性，在高溫或潮濕條件下，防護效果也不會受到影響。目前，這種材料在曲棍球、足球等接觸式運動防護領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

3 減震技術(shù)研發(fā)

運動過程中，肌肉通過形變吸收外力、分散沖擊負(fù)荷，達(dá)到防護目的。運動防護服裝中應(yīng)用減震技術(shù)，可以輔助肌肉發(fā)力或衰減沖擊力，從而維持關(guān)節(jié)穩(wěn)定、節(jié)省人體能耗。目前，Hex Pad技術(shù)、RPT技術(shù)和Warrior Tech技術(shù)在運動防護領(lǐng)域開始應(yīng)用。

3.1 Hex Pad技術(shù)

Hex Pad技術(shù)產(chǎn)品如圖6所示[31]。邁克達(dá)威品牌的護具設(shè)計中采用Hex Pad技術(shù)，旨在舒緩運動過程中外力沖擊，滿足運動防護性需求。肘部、膝部等關(guān)鍵部位的獨立六邊形聚乙烯襯墊搭建成蜂窩狀，質(zhì)輕貼身。該襯墊在均勻分散外力沖擊的同時，還能起到支持體力、配合人體發(fā)力的作用。目前，該技術(shù)常用于跑步、籃球等劇烈運動的防護裝備中。

3.2 RPT技術(shù)

G-FORM品牌的運動防護產(chǎn)品應(yīng)用其獨有的RPT技術(shù)，在發(fā)生碰撞時可吸收90%以上的沖擊力[32]，有效預(yù)防損傷及降低受傷程度。防護產(chǎn)品采用壓紋設(shè)計和減震襯墊，具有良好的防護性、耐壓性、耐磨性；其外觀溝壑依據(jù)人體骨骼結(jié)構(gòu)設(shè)計，貼合人體曲線，具有良好的穿著舒適性，可提升運動員競技水平。目前，RPT技術(shù)已廣泛應(yīng)用于球類、競速自行車、滑雪、登山等高強度、高危險性項目的競技裝備中，為肩部、脊柱、臀部、腿部、肘關(guān)節(jié)、膝蓋、脛骨等部位提供防護。

3.3 Warrior Tech技術(shù)

SPIDI品牌的護具如圖7所示[33]。SPIDI品牌的護具設(shè)計中運用Warrior Tech技術(shù)，旨在騎行過程中意外發(fā)生時為騎手提供有效防護。該類護具的設(shè)計符合人體工學(xué)，其外觀采用獨特的3D方格設(shè)計，能夠有效分散沖擊負(fù)荷，3D方格貼合人體關(guān)節(jié)，滿足騎手對騎行姿勢的需求。此外，方格間的氣道設(shè)計可大幅減少與地面磨擦?xí)r的熱能。因此，Warrior Tech技術(shù)的應(yīng)用，為騎手提供了具有優(yōu)良防護性和舒適性的護具。

4 發(fā)展趨勢

現(xiàn)階段，依據(jù)生物力學(xué)研發(fā)的運動防護服從結(jié)構(gòu)設(shè)計、緩沖材料和減震技術(shù)應(yīng)用著手，預(yù)防運動損傷和降低人體受到?jīng)_擊后的損傷程度。隨著高分子材料、智能化技術(shù)的快速發(fā)展以及運動過程中人們對競技表現(xiàn)和安全防護需求的提高[34]，未來運動防護服裝應(yīng)向舒適性、功能化與智能化方向發(fā)展。

1) 協(xié)調(diào)舒適性與防護性的關(guān)系。目前，運動防護服的防護性能基本能夠滿足，但舒適性能還需要進(jìn)一步改善，提高運動防護服的舒適性能是未來研究趨勢之一。影響服裝壓力的因素主要是人體和服裝[35]，因此基于運動姿勢、人體關(guān)節(jié)活動及皮膚拉伸等因素建立不同運動狀態(tài)下人體各部位舒適壓力閾值，并進(jìn)行服裝結(jié)構(gòu)調(diào)整，可有效提高服裝壓力舒適性[36]。此外，運動防護服的熱濕舒適性與服裝材料的透濕性、透氣性等因素有關(guān)[37-38]。采用化學(xué)、物理方法改善纖維及紗線形態(tài)結(jié)構(gòu)或利用復(fù)合方式(如涂層法、壓層法等)改進(jìn)面料，能夠顯著提高服裝的熱濕舒適性[39]。

2) 改進(jìn)纖維、織物加工技術(shù)。新材料、新織物的復(fù)合、加工、整理使運動服裝呈現(xiàn)出高性能化發(fā)展趨勢。高性能織物集高性能纖維與新技術(shù)工藝于一體[40]。高性能纖維應(yīng)依據(jù)纖維特性，從工藝和設(shè)備出發(fā)，采取合理的染整加工方法。因此，為實現(xiàn)纖維、織物的高性能化、高效化生產(chǎn)，應(yīng)對常規(guī)紡織工藝技術(shù)和加工裝備進(jìn)行創(chuàng)新[41]。

3)提高運動防護服智能化水平。目前，智能服裝的研究熱點主要集中在微電子系統(tǒng)、智能纖維技術(shù)方面。運動防護服中應(yīng)用微電子系統(tǒng)制備電子化智能防護服，使其不僅能夠預(yù)警、定位、監(jiān)控、感知周圍環(huán)境并對其變化或刺激作出反應(yīng)，還可兼顧保健和生命安全防護作用。運動防護服中合理運用智能纖維(如相變纖維能夠感知環(huán)境溫度變化并進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，具有較好的調(diào)溫功能[42])，可制備舒適性能優(yōu)異的運動防護服。智能化運動防護服更受運動愛好者及專業(yè)運動員的青睞，是未來運動防護服發(fā)展趨勢[43]。

5 結(jié)語

目前，運動防護服裝的研究重點是符合人體運動規(guī)律、協(xié)助肌肉運動、減震防護等?；谶\動生物力學(xué)原理設(shè)計服裝結(jié)構(gòu)、研發(fā)材料與技術(shù)，不僅能夠保證運動防護服裝良好的防護性，還有利于實現(xiàn)更好的運動舒適性。當(dāng)下，體育運動快速發(fā)展，針對不同運動類型建立起運動防護參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，指導(dǎo)設(shè)計各種運動防護服裝也是運動防護服研究方向。未來依據(jù)運動生物力學(xué)等原理衍生出的運動防護產(chǎn)品兼具舒適性、功能化與智能化，可有效預(yù)防運動損傷和降低人體受到?jīng)_擊后的損傷程度，提升運動員競技水平。