汽車零重力座椅的設(shè)計(jì)分析和發(fā)展趨勢(shì)

李健,吳小青，許海霞,馬廣義，俞榮貴

吉利汽車研究院(寧波)有限公司，浙江寧波 315336

0 引言

汽車座椅舒適度是指從生理和心理兩方面對(duì)乘坐人員滿意度的主觀評(píng)價(jià)，直接影響到乘坐人員的身體健康。不舒適的汽車座椅很容易導(dǎo)致乘坐人員產(chǎn)生疲勞感，一旦乘坐人員長(zhǎng)期處于疲勞狀態(tài)，會(huì)增加安全隱患，提升交通事故的發(fā)生率。根據(jù)美國(guó)汽車協(xié)會(huì)的交通事故統(tǒng)計(jì)，6%交通事故由疲勞駕駛引起。座椅是汽車的配件，保障著乘坐人員的安全性與舒適性。隨著科技發(fā)展，座椅不斷升級(jí)，作為汽車行業(yè)新興技術(shù)之一的零重力座椅對(duì)汽車座椅設(shè)計(jì)的影響將是汽車企業(yè)必須研究和克服的挑戰(zhàn)。至此，零重力座椅從普通座椅形式進(jìn)化到汽車座椅形式。零重力座椅逐漸走近人們的生活，不少企業(yè)開(kāi)始應(yīng)用零重力座椅技術(shù)。在車輛系統(tǒng)中，座椅是人機(jī)交互的主要界面，座椅質(zhì)量直接關(guān)系到乘坐人員的駕駛體驗(yàn)。舒適度基本上是乘坐人員的主觀感受，舒適度評(píng)價(jià)因個(gè)體差異而存在不確定性和模糊性。另外，由于每個(gè)人的身體結(jié)構(gòu)不同，因此身體感受到的舒適度不同[1]，進(jìn)而導(dǎo)致座椅對(duì)人體舒適度影響也不同。零重力座椅可加強(qiáng)乘坐人員的舒適度，密切貼合人體，減少對(duì)骨骼及肌肉的壓迫。因此，零重力座椅已經(jīng)成為座椅發(fā)展的未來(lái)主要方向。

1 零重力座椅設(shè)計(jì)的科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)

在座椅設(shè)計(jì)中，人體工程學(xué)在“座椅”中的使用首先是身體的支持，其次是身體的技術(shù)興趣[2]。 因此，用于零重力設(shè)計(jì)的功能是通過(guò)人體工程學(xué)應(yīng)用于座椅結(jié)構(gòu)而形成的。 功能人機(jī)工程學(xué)的改進(jìn)主要體現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，包括身體尺寸、活動(dòng)領(lǐng)域、環(huán)境因素等。

1.1 身體角度

現(xiàn)代人體工程學(xué)對(duì)人體進(jìn)行細(xì)致的科學(xué)研究，首先測(cè)量人體的不同部位及其周圍的活動(dòng)范圍，并對(duì)坐姿如脊椎形狀和身體壓力分布等各個(gè)方面進(jìn)行生理分析。其次根據(jù)身體的肌肉力量、可動(dòng)區(qū)域、長(zhǎng)度、身體特征等分析坐位引起的能量消耗的變化和心理疲勞，進(jìn)而尋求行動(dòng)限制。 最后為每個(gè)人提供最佳的標(biāo)準(zhǔn)座椅尺寸：第一，座位。 零重力座椅過(guò)高會(huì)導(dǎo)致身體質(zhì)量壓在腿上，大腿前緣軟組織負(fù)荷過(guò)大，出現(xiàn)肌肉麻痹;如果座椅太低，物理壓力會(huì)集中在腰部和座椅上。在接觸位置，身體向前彎曲，背部肌肉承受體重的壓力，容易誘發(fā)疲勞。因此，最合理的座高是就座時(shí)腳底，尤其是腳后跟完全離地，而座高是膝蓋低于臀部。背部應(yīng)該有一定的寬度來(lái)支撐大腿部分，但如果太深，就會(huì)失去對(duì)下背部的支撐，很難支撐背部，所以看起來(lái)像支撐臀部。身體上的任何質(zhì)量都會(huì)讓人感到不舒服。座面的面積大于臀部的面積，為人們改變坐姿提供了足夠的空間，同時(shí)支撐了臀部的各個(gè)部位。座面的曲率在左右方向上最好是平的或近乎平直，在前后方向上稍有彎曲，這樣乘坐人員的身體壓力分布適當(dāng)，舒適性好。將零重力座椅的座面挖成臀部形狀是不合適的，難以適應(yīng)不同人群的需要，干擾坐姿調(diào)整，使身體壓力和軟組織過(guò)于均勻。第二，靠背。零重力座椅的靠背重視舒適度，作為對(duì)肩頸、后背的托舉支撐，可減少身體負(fù)荷。其中，頸托需要高于脊椎的位置，這樣才能將頭部的重力分散到肩托的高度應(yīng)該低于肩胛骨，這個(gè)高度可以讓乘坐人員在轉(zhuǎn)動(dòng)腋窩時(shí)向后傾斜，如果太高，脊柱會(huì)向前彎曲。腰椎受到后靠的力度影響，脊柱自然倚靠靠背，形成支撐。第三，扶手。零重力座椅扶手的作用是幫助手臂，對(duì)肩膀、背部和手臂施加壓力，減少壓力，使人長(zhǎng)時(shí)間坐著感覺(jué)不到疲倦。所以，零重力座椅扶手的高度應(yīng)根據(jù)坐在座位上時(shí)肘部的高度來(lái)計(jì)算，使手臂處于自然舒適狀態(tài)。如果座椅扶手太高，手臂搭放上去會(huì)導(dǎo)致肩膀高抬，產(chǎn)生酸脹感;如果扶手過(guò)低，手臂難以著力。扶手最佳傾斜度是10°～20°，扶手寬度應(yīng)該大于肩寬，保持手臂的自然放置。第四，座面與靠背的夾角。零重力座椅所形成的夾角也是給人舒適感的重要因素，很多座椅不僅就座舒適度差，還會(huì)引起疲勞，需要研究生理結(jié)構(gòu)來(lái)尋找原因除確保座椅各部分的標(biāo)準(zhǔn)尺寸外，根據(jù)科學(xué)和物理研究，人體的結(jié)構(gòu)已經(jīng)從四足進(jìn)化到雙足，兩條腿直立已成為人類最具特色的姿勢(shì)。人體也必須進(jìn)化以適應(yīng)這種站立姿勢(shì)，當(dāng)身體放松，脊椎呈自然S形時(shí)效果最佳。但當(dāng)一個(gè)人坐下時(shí)，脊椎會(huì)改變以適應(yīng)坐姿，臀部會(huì)向后轉(zhuǎn)，而且脊椎和尾骨一起移動(dòng)，保持脊椎的S曲線。椎間盤(pán)部分壓力大，久坐會(huì)損壞腰椎。為讓乘坐人員下背部回到正常曲線，上半身和腿之間的角度至少為90°，以便為下背部提供支撐。因此，零重力座椅靠背必須傾斜以提供更好上身支撐，同時(shí)座椅座面也必須結(jié)合傾斜度滑出座椅，座椅表面和靠背之間的角度取決于預(yù)期用途和坐姿。

1.2 行為標(biāo)準(zhǔn)

零重力座椅的規(guī)格尺寸不同，用途也不同。零重力座椅表面必須向后傾斜，并且與靠背之間的角度至少為95°。座面高度比較低，為35～40 cm，適合這類座椅的臺(tái)面高度通常為65～78 cm。零重力座椅可減輕乘坐人員的身體壓力，自然放松的倚靠。零重力座椅的前部應(yīng)該寬大舒適，坐墊最好有一定的硬度，如果太軟，坐下會(huì)有塌陷的感覺(jué)。

2 零重力座椅設(shè)計(jì)原理

不同的行為特征對(duì)應(yīng)著不同層次的需求，從低層次的生理、安全和便利需求到高層次的情感歸屬。零重力座椅設(shè)計(jì)師需要了解用戶行為特征與產(chǎn)品之間的關(guān)系，從而遵循設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)出合理的零重力座椅產(chǎn)品。零重力座椅設(shè)計(jì)原則，主要包括智能、實(shí)用、關(guān)懷等原則。

2.1 智能原則

零重力座椅設(shè)計(jì)以后座為例，在家居用品市場(chǎng)及智能家居中有比較好的發(fā)展前景。智能的應(yīng)用可以重新定義零重力座椅的傳統(tǒng)功能形態(tài)，尤其是對(duì)于乘坐人員來(lái)說(shuō)，智能科技的加入可以在一定程度上彌補(bǔ)身體上的不適。同時(shí)需要指出的是，在介紹智能技術(shù)的應(yīng)用原理時(shí)，需要注意適當(dāng)?shù)闹悄?，就產(chǎn)品而言，智能并不是設(shè)計(jì)核心。同時(shí)，乘坐人員可通過(guò)APP選擇座椅的角度和高度，定義自己的舒適度[3]。

2.2 實(shí)用原則

汽車座椅與兒童或?qū)W生座椅不同，但由于尺寸限制，兒童和學(xué)生座椅可以在外觀上直接反映用戶群體。汽車座椅的關(guān)鍵在于座椅的目標(biāo)服務(wù)群體是汽車乘坐人員，在通用設(shè)計(jì)理念下，汽車座椅首先要滿足大眾群體的適用性，然后再考慮該產(chǎn)品的其他用戶群體。國(guó)內(nèi)外科學(xué)家尚未開(kāi)展培訓(xùn)產(chǎn)品功能取向或功能水平的相關(guān)性研究，正在參考其他職業(yè)群體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究，可以理解，具有零重力的產(chǎn)品功能設(shè)計(jì)主要應(yīng)發(fā)揮基本功能。零重力座椅基本功能必須滿足要求，在這種情況下，附加功能可以起到有效的作用[4]。一般來(lái)說(shuō)，零重力座椅的功能取向原則主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面:首先考慮用戶。其次考慮人員配置需求的優(yōu)先順序。

2.3 關(guān)懷原則

零重力座椅產(chǎn)品中的情感取向原則是更加聚焦用戶的情感經(jīng)驗(yàn)和產(chǎn)品引發(fā)的情感需求，創(chuàng)造舒適感人的產(chǎn)品，創(chuàng)造充滿美好經(jīng)驗(yàn)和回憶的人生。同時(shí)，零重力座椅產(chǎn)品也讓用戶從生理學(xué)、心理、精神理想等角度享受產(chǎn)品的社會(huì)價(jià)值。在通用性設(shè)計(jì)方面，零重力座椅包含了對(duì)特殊群體特別重要的產(chǎn)品對(duì)用戶的人性化護(hù)理。在設(shè)計(jì)實(shí)踐中，情感取向的考慮包括兩個(gè)方面，一是指司機(jī)關(guān)懷，二是指交通教育。在司機(jī)關(guān)懷方面，首先是零重力座椅產(chǎn)品的易用性。零重力座椅本身應(yīng)該具有良好自解釋性，即座椅操作模式對(duì)乘坐人員來(lái)說(shuō)應(yīng)該顯而易見(jiàn)，以保證順暢使用體驗(yàn)，讓乘坐人員在使用過(guò)程中獲得愉悅和放松感覺(jué)。對(duì)于交通教育，在初步調(diào)查中，部分司機(jī)描述在座椅上聽(tīng)歌曲、相聲等場(chǎng)景，因此可以在零重力座椅上導(dǎo)入教育模塊，滿足交通知識(shí)教育需求?？紤]到深層需求，除上述兩個(gè)方面之外，零重力座椅的外觀也是情感表達(dá)的非常重要的因素，零重力座椅外觀可能直接影響乘客在使用座位時(shí)的選擇和情感。同時(shí)，在選擇材料向工作人員傳遞座位舒適度的過(guò)程中，通過(guò)材料的情感語(yǔ)義學(xué)，引導(dǎo)乘客產(chǎn)生正面情緒，這也是零重力座椅的親和力。

3 零重力座椅人性化性能特點(diǎn)

工業(yè)革命帶來(lái)許多新材料和新技術(shù)，有利條件使座椅的形狀和功能發(fā)生了新的變化。隨著新材料、新結(jié)構(gòu)、新機(jī)制的出現(xiàn)，板材不僅會(huì)改變其形狀，還會(huì)改善其功能，創(chuàng)造出許多新的功能。新材料在設(shè)計(jì)上給座椅結(jié)構(gòu)帶來(lái)很多變化，讓使用者更加舒適方便[5]。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多樣性

通過(guò)將新材料和新技術(shù)應(yīng)用于零重力座椅，改變零重力座椅形狀和結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的功能也得到改進(jìn)，出現(xiàn)新的功能，使人們更加舒適。第一，設(shè)計(jì)行業(yè)對(duì)人體新材料的試驗(yàn)產(chǎn)生了許多新結(jié)構(gòu)。膠合板通過(guò)成型給零重力座椅帶來(lái)曲面結(jié)構(gòu)，即座面和靠背由平面變?yōu)榱Ⅲw，采用曲面結(jié)構(gòu)。零重力座椅是三維的，使座椅能夠適應(yīng)人體曲面的復(fù)雜曲率和角度變化。第二，改善坐姿，零重力座椅為座椅設(shè)計(jì)提供了新的視角。乘坐人員不再會(huì)受到身體壓力，使身體的每個(gè)部位都處于最佳狀態(tài)，并消除背部、頸部、下背部和腳部的壓力。零重力座椅非常適合有背痛癥狀的用戶，可以改善坐姿并減輕身體壓力。

3.2 形態(tài)設(shè)計(jì)的多樣性

隨著新材料、新功能的出現(xiàn)，零重力座椅造型更加多樣化，不僅提供了新的功能，還為用戶提供了審美和情感體驗(yàn)。零重力座椅是造型和功能的多樣化試驗(yàn)性控制的結(jié)果，座椅的形狀上下彎曲，具有一定的柔軟性和強(qiáng)度，可以承受身體的重力，確保身體的平衡。合成塑料材料具有靈活性，是可以達(dá)到舒適性的目的的。

4 汽車零重力座椅形狀尺寸

對(duì)于汽車來(lái)說(shuō)，零重力座椅的尺寸必須滿足基本的汽車人體工學(xué)對(duì)座椅尺寸的要求，同時(shí)還要保證座椅符合人體工學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)律。

4.1 座位安排要求

零重力座椅布置主要為前排的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)座椅和后排2～3座設(shè)計(jì)。這種布置的前排和后排座位可以朝向后排座位旋轉(zhuǎn)，使得前排和后排座位面向后排乘客，從而使前排和后排座位更交互式、更高效地交流。由于后座高度舒適的常見(jiàn)布局和設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在旋轉(zhuǎn)模式和零重力情況下更改座位需要不同的選項(xiàng)，因?yàn)樽槐旧聿恍枰m應(yīng)，只需保持原始形狀和設(shè)計(jì)，并滿足與前排座位的交互[6]。

4.2 座椅設(shè)計(jì)要求

當(dāng)前科技發(fā)展較快，自動(dòng)駕駛技術(shù)能給人類帶來(lái)的最大便利，就是無(wú)須接管汽車就可以處于自動(dòng)駕駛狀態(tài)。在此期間，乘客可以在不接管汽車的情況下進(jìn)行許多其他活動(dòng)，例如乘坐人員與后座乘客的面對(duì)面交流和互動(dòng)。零重力座椅的設(shè)計(jì)基于與后排乘客的個(gè)人交互需要，座位可以在有限的空間內(nèi)旋轉(zhuǎn)180°。在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，必須保證足夠的活動(dòng)空間，避免在轉(zhuǎn)動(dòng)座位時(shí)傷害乘客。零重力座椅旋轉(zhuǎn)功能必須滿足相關(guān)條件，如座椅的形狀和尺寸、零重力座椅的最終效果以及腳下的空間[7]。

5 零重力座椅未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

5.1 汽車零重力座椅駕駛舒適性與身體壓力分布發(fā)展趨勢(shì)

壓力和重力之間的作用力作用于皮膚和軟組織，在傳遞心理特征，反映板材對(duì)人體的壓力和人體的分布特征。零重力座椅中，髖部接觸面積相對(duì)于身體壓力增大，但如果表面張力大于接觸面積，則界面壓力分散，大腿平均壓力增大。大腿與背部接觸面積的增加大于受力的增加，對(duì)人體脊柱的支撐增加，壓力分散，平均壓力減小，說(shuō)明各部位接觸的界面人體和座椅兩輛車之間的身體壓力分布隨著駕駛時(shí)間的長(zhǎng)短而變化。乘客的身體壓力分布隨時(shí)間的變化而變化，身體壓力與舒適程度的相關(guān)性分析結(jié)果表明，身體散布的影響最終影響到平均臀部壓力、大腿平均壓力、平均腰部壓力、大腿壓力、臀部力量上。因此，在未來(lái)發(fā)展中，需要結(jié)合座椅舒適度與身體壓力，改善零重力座椅的性能。通過(guò)零重力座椅，減少乘坐人員的身體壓力，提升人體各部位舒適性[8]。

5.2 零重力座椅與生理信息發(fā)展趨勢(shì)

長(zhǎng)時(shí)間體力運(yùn)動(dòng)容易產(chǎn)生疲勞，短時(shí)間內(nèi)肌肉激活和力量特性的研究表明，大腿肌肉作用于肩膀、背部和臀部。在整個(gè)過(guò)程中，臀部、下肢和上身相應(yīng)的肌肉會(huì)被連續(xù)地加壓。在這種情況下，很容易產(chǎn)生血液供應(yīng)、疼痛甚至肌肉收縮，從而降低整體的舒適性。因此，有必要根據(jù)乘坐人員的身體信息增加上述細(xì)節(jié)的舒適性，結(jié)合座椅優(yōu)點(diǎn)，盡量減少局部不利因素對(duì)總體舒適性的影響。

5.3 零重力座椅與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)

人工神經(jīng)過(guò)程通過(guò)在一個(gè)人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上對(duì)行為特征進(jìn)行建模來(lái)分發(fā)并行信息。它提供了容錯(cuò)和非線性逼近功能，廣泛用于模式識(shí)別、分類和預(yù)測(cè)。血壓神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行分類、近似、回歸、壓縮等。利用自學(xué)習(xí)特性，可以進(jìn)行任意復(fù)雜的非線性映射，這是一個(gè)非常普遍的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與失重頁(yè)的結(jié)合，改善數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，及時(shí)調(diào)整座椅狀態(tài)，從而產(chǎn)生優(yōu)異的通用性[9]。

5.4 零重力座椅與人體工程學(xué)發(fā)展趨勢(shì)

設(shè)計(jì)是以人為本的工作，與人類行為完美契合的設(shè)計(jì)才是優(yōu)秀的設(shè)計(jì)。而人體結(jié)構(gòu)和生理結(jié)構(gòu)的知識(shí)屬于生物學(xué)和行為學(xué)的范疇，人機(jī)工程學(xué)彌補(bǔ)這一不足。人體工程學(xué)是一個(gè)基于其他領(lǐng)域的技術(shù)研究主題，為人類學(xué)、人體力學(xué)、工作生理學(xué)、工作心理學(xué)和設(shè)計(jì)實(shí)踐者提供一系列適用模型。人體工程學(xué)包括人的功能、結(jié)構(gòu)、尺寸、質(zhì)量、面積、重心等。另外，還包括觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)等生理學(xué)感覺(jué)。在駕駛過(guò)程中，乘坐人員久坐，腰部肌肉松弛，脊柱彎曲，腰椎受力，這時(shí)零重力座椅的支撐就很重要。據(jù)調(diào)查，躺椅對(duì)于很多人來(lái)說(shuō)是一種非常舒適的坐姿，因?yàn)樘梢慰梢詼p輕脊椎壓力。零重力座椅可與人體工程學(xué)相結(jié)合，強(qiáng)化零重力座椅傾斜角度，根據(jù)人體生理感覺(jué)，解決身體勞累、受損等不適。

5.5 零重力座椅人性化設(shè)計(jì)發(fā)展趨勢(shì)

由人性化設(shè)計(jì)引起的各個(gè)層次的人們需求的滿足通常以材料的形式表示。設(shè)計(jì)人性化的性質(zhì)是讓人們生活得更好，但隨著人們生活環(huán)境的日益惡化，最基本的生活條件就會(huì)喪失。因此，人性化設(shè)計(jì)不僅要考慮個(gè)人的短期直接利益，還要考慮整個(gè)世界和自然，將人類社會(huì)的長(zhǎng)期利益和需求融入設(shè)計(jì)思維中。隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，工業(yè)化時(shí)代引進(jìn)的一些技術(shù)不僅會(huì)危害舒適和便利，還會(huì)危害人們的生活環(huán)境。例如，廣泛用于座椅設(shè)計(jì)的塑料，給環(huán)境帶來(lái)許多不容忽視的問(wèn)題，危害人類的健康。在設(shè)計(jì)零重力座椅時(shí)，必須考慮材料對(duì)環(huán)境問(wèn)題和未來(lái)人類責(zé)任的影響。綠色思維反映在零重力座椅設(shè)計(jì)的過(guò)程中。但是，這種環(huán)境設(shè)計(jì)與人類生活的結(jié)合，尤其體現(xiàn)在座位材料的選擇上。例如，紙張、織物材料和紙座的回收利用等，未來(lái)零重力座椅將在材料環(huán)保方面做出各種新嘗試。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著汽車的逐漸普及，乘坐人員長(zhǎng)時(shí)間駕駛久坐問(wèn)題嚴(yán)重，汽車座椅作為長(zhǎng)期的坐具，其舒適性和智能優(yōu)越性尤為關(guān)鍵。零重力座椅在國(guó)內(nèi)還處于起步階段，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看有很好的發(fā)展前景。本文分析了零重力座椅的應(yīng)用情況及設(shè)計(jì)原理。零重力座椅不僅滿足乘坐人員久坐的需求，還能在自動(dòng)駕駛時(shí)提供便捷服務(wù)，具有廣闊的發(fā)展前景。最后對(duì)零重力座椅的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，揭示了長(zhǎng)時(shí)間駕駛造成的隱性損傷機(jī)制，用舒適度分析零重力座椅的乘坐舒適性，實(shí)現(xiàn)車輛乘員優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高汽車座椅的乘坐舒適性。