基于人機工學(xué)的左右分區(qū)床墊創(chuàng)新設(shè)計研究

肖 飛，吳登高

(1.東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院藝術(shù)設(shè)計系，廣東東莞 523808；2.東莞慕思寢室用品有限公司，廣東東莞 523808）

隨著床墊市場的消費升級，消費者對床墊軟硬度及舒適度的追求越來越高。同一個家庭中，床墊可能會由不同特征的個體共同使用，床墊寬度方向上單一的軟硬度已經(jīng)無法滿足不用個體睡感的需要。左右分區(qū)床墊的設(shè)計正是基于這樣的需求出發(fā)，通過研究不同個體對床墊寬度方向的不同需求進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，通過左右不同睡感的設(shè)計滿足不同個體對床墊的不同需求。

1 左右分區(qū)床墊設(shè)計的必要性

人的身高、體重、體型等不一樣，所需要的床墊軟硬度不一樣。據(jù)多項研究結(jié)果顯示，成年男女體型相差較大，2014年河北省、2014年武漢市、2015年深圳市隨機抽樣成年男女進(jìn)行BMI檢測，結(jié)果顯示男性超重、肥胖比例（55.3%）均高于女性（28.8%），女性體重正常占比最高64.70%，隨著年紀(jì)的增長男女超重、肥胖的比例顯著增加[1-2]。由此帶來的結(jié)果是，同一組家庭中不同人的體型差距也越來越大。為了獲得更舒適的睡感，讓不同體重人的脊椎處于放松的狀態(tài)，床墊需要提供相應(yīng)的軟硬度來支撐人的身體。早期床墊的研究也表明，中等體型和偏胖體型這兩類人群在五分區(qū)彈簧床墊上的體壓分布較為合理，但分區(qū)彈簧不能給予偏瘦型體型的人群提供良好的支撐性能[3]，不同的床墊對體壓分布和脊柱形態(tài)會產(chǎn)生不同的影響[4]。所以進(jìn)行床墊的設(shè)計時要提高床墊的使用舒適性就應(yīng)該考慮床墊形態(tài)與人體曲線的貼合度，在側(cè)躺或平躺時身體各位置特別是腰部、臀部均應(yīng)獲得有效的支撐與承托[5]。

目前市場上床墊大多是依據(jù)人體平躺時身高方向（即床墊的長度方向）進(jìn)行分區(qū)設(shè)計。通過將床墊長度方向的軟硬度設(shè)置成不同區(qū)間，增大人體脊椎在彎曲方向上與床墊的接觸面，以有效減小人體局部應(yīng)力聚集進(jìn)而避免人體產(chǎn)生局部酸脹等不適感覺。如圖1所示，人體在肩部、臀部和膝部等凸出部位與床墊的接觸面積越大應(yīng)力越小，脊椎在睡覺時保持成一條直線也是最有利于脊椎健康的狀態(tài)。通常肩部和臀部側(cè)躺時對于彈簧的擠壓會超過其他部位，如果要實現(xiàn)側(cè)躺時脊椎保持直線，就必須要使下面的床墊接觸部位軟硬度不同。實現(xiàn)這一目標(biāo)的途徑可以通過床墊的床網(wǎng)分區(qū)和床墊的墊層分區(qū)[6]。所謂床墊的床網(wǎng)分區(qū)一般指獨立筒彈簧床網(wǎng)，通過采用不同線徑的彈簧來改變其彈力，一般來說口徑相同的情況下，線徑越粗，床網(wǎng)越硬，彈性也越差，比如對于支撐頭部、腰部、腿部等重量較輕的部位，我們?nèi)绻捎镁€徑1.8mm的彈簧的話，肩部和臀部采用線徑1.6mm或者線徑1.4mm的彈簧便能實現(xiàn)床墊長度方向上的軟硬分區(qū)。

除了床網(wǎng)可以進(jìn)行軟硬度分區(qū)之外，墊層上的軟硬度不同設(shè)置同樣也能實現(xiàn)床墊長度方向上的分區(qū)，例如分區(qū)乳膠和分區(qū)海綿等[7-8]。總體來說，市場上此類型的產(chǎn)品已經(jīng)比較成熟，也比較容易實現(xiàn)。然而左右分區(qū)床墊的研究及產(chǎn)品研發(fā)非常少，主要原因是相比長度分區(qū)只要求對身體不同部位數(shù)據(jù)差異進(jìn)行分析而言，對不同體重的人體數(shù)據(jù)差異的難度更大，要求也更高。在此情況下基于人機工學(xué)的左右分區(qū)床墊的創(chuàng)新設(shè)計十分必要。

2 左右分區(qū)床墊的創(chuàng)新設(shè)計策略

左右分區(qū)床墊的創(chuàng)新設(shè)計基于人機工學(xué)出發(fā)[9]，至少分為三個區(qū)域，即左右兩個不同軟硬度區(qū)域和中間過渡區(qū)域。左右區(qū)域為不同體型的使用者提供最適合的支撐和承托，中間區(qū)域的作用是實現(xiàn)左右不同軟硬度的緩沖和過渡。設(shè)立過渡區(qū)域的原因是人的睡眠姿勢并非固定不變，它能減小人體觸碰到兩種不同軟硬度床墊之后其所帶來的差異感。過渡區(qū)域的寬度尺寸可依據(jù)實際情況進(jìn)行設(shè)置。一般來說，雙人床墊的寬度尺寸包括1.2m，1.5m，1.8m等幾種尺寸，中間區(qū)域設(shè)置為10-15cm即可。

2.1 左右分區(qū)床墊的內(nèi)膽設(shè)計

分區(qū)床墊的主要支撐力由床墊內(nèi)膽提供，通過改變現(xiàn)有床墊的內(nèi)膽結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)床墊左右分區(qū)的不同軟硬度。目前市面上主流床墊的內(nèi)膽結(jié)構(gòu)為：連續(xù)彈簧+墊層、獨立筒彈簧+墊層、無彈簧床網(wǎng)床墊，床墊各層示意圖如圖3所示，為更好地適應(yīng)不同體型對床墊軟硬度的需求，保證床墊中間軟硬度的自然過渡，基于現(xiàn)有的技術(shù)及研究，左右分區(qū)床墊內(nèi)膽的連接方式及結(jié)構(gòu)設(shè)計可以參照如下3種方式：

圖1 人體側(cè)躺壓力分布圖

圖2 分區(qū)彈簧和分區(qū)乳膠

圖3 床墊各層示意圖

圖4 墊層材料平拼接方式

圖5 不同軟硬度的模塊內(nèi)膽

①材料自身分區(qū)：現(xiàn)有材料能夠進(jìn)行長度方向上的分區(qū)，多為可一體成型生產(chǎn)的材料，例如3D棉、乳膠、海綿等，多用于墊層。這類用于墊層的一體成型材料左右分區(qū)工藝難度小，較容易實現(xiàn)，但因模具成本高，相較于普通墊層材料成本較高。

②墊層材料拼接：不同軟硬度或不同材料，可通過榫卯結(jié)構(gòu)與無毒環(huán)保膠穩(wěn)固的方式拼接，如圖4所示，連接處可實現(xiàn)如硬度的自然過渡。相比材料自身分區(qū)，墊層不同特性的材料通過拼接的方式連接可以節(jié)約成本，同時也更加靈活。由于墊層材料可以采用多種類型，也能更有利于我們進(jìn)行創(chuàng)新來實現(xiàn)不同的舒適效果。同時，墊層拼接也能使左右分區(qū)的床墊差異性更大，睡感差異更明顯。其不足之處在于生產(chǎn)加工中由于材料的屬性不同，可能會出現(xiàn)長時間使用后連接處容易產(chǎn)生質(zhì)量問題。這對企業(yè)來說需要對生產(chǎn)工藝和品質(zhì)控制進(jìn)行更嚴(yán)格的把控。

③獨立筒左右分區(qū)：如同依據(jù)人體實際需求，在長度方向上對床墊對應(yīng)的頭、肩、腰、臀、腿位置排布不同軟硬度的獨立筒彈簧一樣，在床墊的寬度方向上排布3個區(qū)域：左右為不同軟硬度彈簧區(qū)域，差異比較明顯；中間為軟硬度過渡區(qū)域，介于左右兩種軟硬度之間。以滿足需求的左右分別為偏硬、偏軟的床墊為例，床墊寬度為1.8m，每排擺放27個直徑6.3cm的彈簧，左右偏軟、偏硬的彈簧各擺放11個，中間過渡區(qū)域的軟硬度適中彈簧擺放數(shù)量為5個。彈簧的線徑和直徑的細(xì)微差距都能帶來軟硬度的區(qū)別，同時，一般不同軟硬度的彈簧會采用不同顏色的布套，方便工人生產(chǎn)過程中好識別。

2.2 左右分區(qū)床墊的模塊化設(shè)計

為滿足不同個體更深層次的需求，左右分區(qū)床墊可以通過模塊化設(shè)計同時實現(xiàn)寬度方向的左右分區(qū)及長度方向的上下分區(qū)。這種分區(qū)方式不僅能使床墊更符合人體曲線，還能夠同時實現(xiàn)兩種不同睡感。參照市面上對床墊軟硬度等級劃分，即“硬”、“偏硬”、“適中”、“偏軟”、“軟”5個等級，分區(qū)床墊的模塊化設(shè)計也可根據(jù)墊層材料、彈簧、其他材料的軟硬度劃分為以上5個等級，再將不同軟硬度的進(jìn)行模塊組合設(shè)計，模塊可為整片分區(qū)材料，也可為連續(xù)彈簧、或獨立彈簧。在實際生產(chǎn)時，可通過以下5種方式實現(xiàn)：

①連續(xù)彈簧床網(wǎng)+左右分區(qū)的墊層：連續(xù)彈簧床網(wǎng)軟硬度單一，材料及生產(chǎn)成本較低，可實現(xiàn)不同的軟硬度，但不能實現(xiàn)軟硬度分區(qū)。該種類型的床墊主要通過墊層調(diào)節(jié)床墊左右不同的軟硬度，因此對墊層厚度有一定的要求，從而影響床墊的整體厚度。墊層可為一體成型材料，也可為材料拼接而成。因連續(xù)彈簧相較獨立彈簧價格偏低，因此一般多使用材料拼接墊層，在市場上售賣時價格更有優(yōu)勢。床墊整體的左右軟硬度可調(diào)范圍相對較小，適合體型相差較小的人群。

②獨立筒彈簧床網(wǎng)+左右分區(qū)的墊層：獨立筒彈簧無分區(qū)，材料及生產(chǎn)成本較高。針對目標(biāo)市場及實際情況，墊層可為一體成型材料，也可為材料拼接而成。在實際售賣中，以中高端客戶群里為主。床墊整體的左右軟硬度可調(diào)范圍較小，獨立筒彈簧床網(wǎng)能夠避免翻身時影響另一方，適合體型相差適中的人群。

③左右分區(qū)的獨立筒彈簧床網(wǎng)+左右分區(qū)的墊層：左右分區(qū)的獨立筒彈簧能夠?qū)崿F(xiàn)較大軟硬度差，墊層可為一體成型材料，也可為材料拼接而成，但材料及生產(chǎn)成本高，在實際售賣中，以高端客戶群體為主。該種床墊能夠?qū)崿F(xiàn)軟硬度左右分區(qū)，且可調(diào)范圍大，過渡區(qū)域能實現(xiàn)平緩過渡，適合體型相差較大的人群。采用左右分區(qū)的不同軟硬度獨立筒設(shè)計的彈簧床網(wǎng)（以1.8m寬床墊、彈簧直徑6.3cm的獨立筒為例），其彈簧分布如表1所示。

④無床網(wǎng)床墊內(nèi)部材料左右分區(qū)：此類型床墊內(nèi)部多為乳膠、海綿、3D棉等可一體成型材料，材料本身由于密度和成分的不同可實現(xiàn)多個區(qū)域不同軟硬度，也可通過材質(zhì)拼接的方式實現(xiàn)軟硬度分區(qū)。因材料本身的價格不同，床墊在實際售賣時會形成不同價格段位，再進(jìn)行客戶群體匹配。

⑤五類床墊的內(nèi)膽所有材料由一個個獨立的、不同軟硬度的模塊，如圖5所示，依據(jù)需求進(jìn)行組合，可實現(xiàn)上下區(qū)域、左右區(qū)域完全不同的軟硬度。但此種方式下床墊的軟硬度過渡較生硬，連接處的穩(wěn)定性不高，且需人工組合，成本高。

表1 不同軟硬度需求的左右分區(qū)獨立筒排布方式

2.3 左右分區(qū)智能床墊設(shè)計

智能床墊作為智能家居的一部分出鏡的頻率也越來越高。通過植入傳感器和其他設(shè)備，用藍(lán)牙和無線網(wǎng)絡(luò)等信息化手段和其他電子設(shè)備進(jìn)行串聯(lián)，能夠?qū)崿F(xiàn)對人體的睡眠質(zhì)量，健康狀況等進(jìn)行檢測和記錄分析，幫助我們更好地了解自己的身體情況。智能床墊也可實現(xiàn)床墊的左右分區(qū)和整體調(diào)整的功能，它可以依據(jù)不同人體、不同姿勢，床墊各模塊快速適應(yīng)貼合人體曲線給予最好的支撐。智能床墊的內(nèi)部傳感系統(tǒng)與調(diào)節(jié)系統(tǒng)能夠根據(jù)人體動態(tài)，自動調(diào)節(jié)床墊的狀態(tài)。床墊上層分別安裝有傳感器以及壓力數(shù)據(jù)捕捉系統(tǒng)，在使用者靜止躺在床墊上時，床墊會根據(jù)體壓分布、使用者脊椎曲線等多個方面，以舒適性為前提調(diào)節(jié)床墊各模塊的軟硬度，這樣的智能調(diào)節(jié)算法模型，能給使用者帶來高達(dá)上萬種睡感。當(dāng)使用者身體狀態(tài)發(fā)生變化時，床墊也會實時變化，并且根據(jù)使用者不同的體型匹配適合的睡感，對于使用者來說在不同時期都能得到很好的睡眠解決方案。當(dāng)同時有兩個人在使用床墊的時候，智能床墊能夠還能進(jìn)行分區(qū)調(diào)節(jié)，根據(jù)不同區(qū)域不同的使用者，做到一張床墊同時擁有兩種不同的睡感。床墊內(nèi)置左右獨立的壓力傳感控制系統(tǒng)，能實時采集人體身高、重量、睡眠習(xí)慣等身體數(shù)據(jù)信息；內(nèi)置的高速運算芯片能分析睡眠數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)整合傳遞于智能調(diào)節(jié)，觸發(fā)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。自動調(diào)節(jié)人體肩、背、腰、臀、大腿與床墊之間貼合曲線的軟硬度，有效承托身體體重，并能對一張床，左右兩邊不同軟硬度調(diào)節(jié)。但目前智能床墊具有價格偏貴、技術(shù)不成熟等劣勢，相比傳統(tǒng)床墊而言市場接受度較低[10]。但是它代表的是一種未來的生活方式，相信隨著科技的進(jìn)步和供應(yīng)鏈體系的發(fā)展，越來越多的普通家庭也會使用這種智慧型床墊。

3 結(jié)語

不同體型的人群對床墊軟硬度需求不一，進(jìn)行左右分區(qū)床墊的設(shè)計符合市場發(fā)展的需要。為更好地實現(xiàn)分區(qū)床墊的左右軟硬度分區(qū)，床墊的內(nèi)膽結(jié)構(gòu)及連接方式可通過墊層、彈簧床網(wǎng)的左右軟硬度分區(qū)來實現(xiàn)，為降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率，左右分區(qū)床墊可通過連續(xù)彈簧床網(wǎng)復(fù)合左右分區(qū)墊層、獨立筒彈簧床網(wǎng)復(fù)合左右分區(qū)墊層、左右分區(qū)獨立筒彈簧復(fù)合左右分區(qū)墊層、無床網(wǎng)床墊內(nèi)部材料左右分區(qū)等方式進(jìn)行模塊化設(shè)計，而智能分區(qū)床墊的設(shè)計則為滿足高端市場需求提供了選擇。