針對健美運動中代償問題的智能服裝設計

吳靖怡,朱達輝

(1.東華大學 服裝與藝術設計學院,上海 200051; 2.上海國際設計創(chuàng)新研究院,上海 200092)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,人們的健康意識逐漸提高,更多人開始選擇健身。人體在體育運動過程中發(fā)生的各種損傷統(tǒng)稱為運動損傷[1]。代償指當人體維持某一種姿勢或進行某項運動時,本應發(fā)揮作用的肌肉關節(jié)不能正常發(fā)揮功能,而讓協(xié)同肌或鄰近關節(jié)結(jié)構(gòu)代替完成工作,補償其缺失的功能。代償是普遍發(fā)生在健美訓練者身上的問題,輕則無訓練效果,重則造成嚴重的肌肉損傷,如急性腰扭傷、腰肌勞損或腰椎間盤突出等。如今科技迅猛發(fā)展,智能服裝逐漸成為紡織服裝領域的熱點研究課題。智能服裝結(jié)合了多種技術,是多學科多領域的交叉產(chǎn)物,能對服裝外部和內(nèi)部的環(huán)境進行自動感知,并自動生成生態(tài)系統(tǒng)[2],其在運動領域中表現(xiàn)為智能運動服裝,在提高運動表現(xiàn)和避免運動損傷中發(fā)揮著重要的作用。

本文以提高健美訓練者健美訓練效率、預防和減輕代償問題為重點,在現(xiàn)有研究和產(chǎn)品的基礎上,將柔性傳感器監(jiān)測等技術與智能可穿戴服裝結(jié)合設計了一種智能運動服裝,以期達到訓練者在提高訓練效率的同時減小或避免運動損傷的目的。

1 健美訓練與代償概述

1.1 健美訓練原理

健美是一種強調(diào)肌肉健壯與美的活動[3]。健美訓練主要以上半身大肌群的訓練為主,包括胸部、上肢、背部、腹部的肌群。在健美訓練中,肌肉在受到較大壓力刺激后會引起肌纖維的斷裂損壞,損傷處得到攝入蛋白質(zhì)的自行補充會進行愈合性生理修復,這樣的肌肉恢復會超過原先的機體水平,達到增肌健美的效果。

1.2 代償?shù)母攀?/h3>

1.2.1 運動損傷與代償

運動損傷多發(fā)生于新手的訓練過程中,其發(fā)病多由運動項目與人體2方面所存在的潛在因素共同決定。肌肉骨骼系統(tǒng)的某一部分被過度使用后,會出現(xiàn)過度疲勞或損傷,改變運動鏈的相互作用并導致運動功能的退化甚至殘疾。此時,人體會啟動對受傷部位的自我保護機制,選擇其他的肌肉、關節(jié)去代替患處的功能,產(chǎn)生偏離正常生理結(jié)構(gòu)的特殊生物力學,即代償[4]。代償是人體自我保護情況下產(chǎn)生的補償策略,也是一種人體運動模式,很難被察覺,因此認識常見的代償模式很重要。常見的代償模式有協(xié)同肌肉代償和臨近關節(jié)代償,圖1(a)(b)分別為在硬拉訓練與高位下拉訓練中易代償部位示意圖。

1.2.2 常見健美訓練中的代償風險

常見的健美訓練有針對胸部肌群的臥推、針對上肢肌群的啞鈴彎舉、繩索下壓訓練、針對背部肌群的啞鈴劃船、高位下拉訓練以及針對腹部肌群的卷腹、仰臥舉腿訓練等。表1為常見訓練與損傷調(diào)查表。在健美訓練中,因代償而損傷的部位多為腰部和肩頸部位。有研究者在關于大學生健美運動中常見損傷部位的調(diào)查和分析[5]中得出:肩關節(jié)損傷比例為23.5%,位居第一,其次為腕關節(jié)和脊椎,比例分別為20.4%和17.3%。在健身健美運動損傷的成因及預防的研究[6]中得出:在損傷部位的調(diào)查里,肩關節(jié)損傷比例為41.7%,位居第一,其次為腰部與軀干,比例分別為31.3%和20.8%。綜上結(jié)果表明,針對代償問題的智能服裝方案設計的重點應放在避免和緩解肩頸部與腰部的代償問題,因此在本文后續(xù)設計部分中將肩頸部與腰部統(tǒng)稱為代償區(qū)。

表1 常見訓練與損傷調(diào)查

1.2.3 代償問題的解決要點

代償問題的解決從評估運動開始,通過評估運動,尋找動力鏈內(nèi)的代償并提出解決方案。解決方式一般是激活原動肌神經(jīng),放松協(xié)同肌,糾正錯誤的運動模式[7]。對于難以激活的肌肉,必要情況下需要應用神經(jīng)肌肉電刺激進行治療,激活休眠的神經(jīng),改善肌肉募集模式,放松過度緊張的肌肉,重建正確的運動模式。通過研發(fā)能夠檢測代償發(fā)生和引導正確發(fā)力的智能服裝來減少和避免代償產(chǎn)生的損傷,是一種科學有效的解決方案。

2 系統(tǒng)開發(fā)與技術原理

2.1 系統(tǒng)開發(fā)流程

新型智能健美服裝的開發(fā)包括監(jiān)測功能設計和反饋功能設計,其中,智能健美服裝的監(jiān)測功能主要指代償區(qū)數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送;反饋功能主要指數(shù)據(jù)的處理與存儲以及對訓練區(qū)的信息反饋,系統(tǒng)開發(fā)流程圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)開發(fā)流程圖

新型智能健美服裝由健身衣本體以及數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)反饋四大部分組成。首先,健身衣本體上設置多個柔性傳感器,分布于易代償部位,通過銀纖維導線與控制器連接,用于實時采集用戶肌電信號并將信號傳輸至控制器實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與傳輸;其次,控制器與控制終端進行放大濾波處理后的肌電信號輸出至接受控制終端,完成數(shù)據(jù)傳輸;然后接收控制終端根據(jù)肌電信號推送的肌電刺激文件,對肌電信號進行解析從而輸出對應的脈沖信號,控制器將所述脈沖信號傳導至待肌肉訓練部位,完成數(shù)據(jù)分析與數(shù)據(jù)反饋,其中肌電刺激文件包括控制命令和刺激腳本。

智能健美服裝設計將線下監(jiān)測和線上處理與反饋結(jié)合在一起,通過感知訓練者的訓練動作,將訓練中人體變化的物理信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘杺鬟f至云端進行分析計算,并及時給予訓練者反饋以規(guī)范訓練,提高訓練效率。以針對背闊肌訓練的正手俯身劃船訓練為例,動作要領是上身保持正直的同時屈髖,核心收緊,由肩胛骨的后縮啟動動作,以背闊肌的收縮帶動肘關節(jié),將杠鈴拉向肋骨位置,保持頂峰收縮1～2 s后放下杠鈴。當上半身不能保持挺直而出現(xiàn)腰部塌陷現(xiàn)象或者身體不能保持穩(wěn)定而利用身體晃動的慣性來完成動作時,訓練者腰部將會受到很大的壓力而產(chǎn)生腰部代償現(xiàn)象,導致腰部損傷。在穿著智能健美服裝進行訓練時,各模塊同時工作采集運動信號以識別訓練者正在進行的訓練,當訓練者核心未收緊以及出現(xiàn)上述現(xiàn)象時,腰部的智能監(jiān)測模塊會通過收集皮膚形變的物理信號和肌電信號傳遞給控制器,通過放大處理后經(jīng)過藍牙上傳到云端智能軟件記錄并分析,軟件經(jīng)過計算處理和綜合分析得出的結(jié)果數(shù)據(jù)與代償閾值進行比較,若不小于代償閾值,則智能軟件通過藍牙發(fā)射信號至相應的肌電刺激模塊,即背闊肌刺激模塊對背闊肌進行刺激,促使訓練者感受到背闊肌的發(fā)力感,引導正確發(fā)力以糾正姿勢,同時語音智能引導訓練者保持上半身穩(wěn)定和收緊核心。訓練結(jié)束后,訓練者可以在軟件上查看量化的訓練過程圖便于訓練者復盤,多次訓練后可生成運動效率變化表,有效追蹤訓練者階段時間內(nèi)的訓練狀態(tài)變化,給予個性化指導和建議。系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作原理

2.2 關鍵技術原理

2.2.1 柔性傳感器的數(shù)據(jù)采集技術

柔性傳感器采用柔性材料構(gòu)成,具有很好的延展性。柔性傳感器大多通過自身形變來反應某個參數(shù)的變化,目前傳感器類型一般以電阻型和電容型傳感器居多,前者采集數(shù)據(jù)的方式主要是依靠導電材料之間的電阻變化來進行應力傳導[8],后者通過形變改變導電材料之間的距離從而改變自身的電容特性,受環(huán)境的影響很大,一般采取間接接觸的方式采集數(shù)據(jù)。在智能健美服裝設計中,監(jiān)測代償部位所使用的壓阻式柔性電子傳感器排列包括靈活可拉伸的聚合物膜內(nèi)嵌入集成電路,可以感知壓力/應變的非重疊信號,能夠?qū)崿F(xiàn)對生理信號和關節(jié)運動(手指、手腕、腳和膝蓋)的全身監(jiān)測,聚合物膜上覆有一層金屬,當聚合物膜被拉伸時,金屬涂層會產(chǎn)生細小裂縫,導致材料的電阻增加、導電性降低;當聚合物膜收縮時,裂縫會重新連接,材料導電性提高[9]。通過這種方式,將人訓練過程中產(chǎn)生代償現(xiàn)象時代償部位的肌肉、部位的伸縮幅度或變化角度的大小轉(zhuǎn)化為更易檢測和記錄的電信號變化,如圖4所示,有助于數(shù)據(jù)處理以及后續(xù)工作的進行。

圖4 運動姿勢變化引起材料形變示意圖

表面肌電信號(Surface electromyography,sEMG)是指利用電極在肌肉表面采集到的肌肉和神經(jīng)干上的電位活動信息來反映肌肉的激活狀態(tài)、活動參與度和持續(xù)時間[10]。肌電信號采集方式分為侵入式采集和非侵入式采集[11]。侵入式采集是指用針電極侵入肌肉組織中進行采集,具有損傷性,非侵入式采集是依靠皮膚表面?zhèn)鞲衅鱽慝@取表面肌電信號,因此智能健美服裝的肌電信號選擇非侵入式的表面采集方式。對sEMG 的特征進行數(shù)據(jù)分析,在運動防護的智能服裝功能設計中可應用于緩解肌肉疲勞,以防止運動損傷,提高穿著者運動表現(xiàn)。sEMG采集系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理如圖5所示。

圖5 sEMG 采集系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理

柔性電子傳感器在對肌肉拉伸形變的物理信號進行監(jiān)測的同時,對易代償部位肌肉進行sEMG 肌電監(jiān)測以提高分析結(jié)果的準確性。電極是傳感器,用于監(jiān)測體離子電流在皮膚上產(chǎn)生的電勢差。在應用電極之前需要對皮膚進行清潔,減少電容器作用的角質(zhì)層厚度,提高接觸的穩(wěn)定性和質(zhì)量。根據(jù)神經(jīng)生理知識,肌肉動作電位將產(chǎn)生-90～30 mV的電勢差,由于人體是電的不良導體,故從體表的貼片電極上只能獲得1 mV左右的峰值,sEMG中往往混合著甚低頻和高頻的干擾信號,而有效的肌電信號頻譜分布在10～500 Hz,且sEMG記錄過程中受電子元器件的固有噪聲、環(huán)境噪聲、工頻干擾和運動偽跡等影響,信噪比會降低。故從貼片電極檢測出的信號需經(jīng)過高通濾波、高倍放大、低通濾波等信號調(diào)理過程[12],最后以肌電圖的形式呈現(xiàn)。有學者開發(fā)了一種研究肌電信號的幅頻聯(lián)合分析方法[13],運用這種方法對中高強度肌肉負荷水平肌電信號進行采集和分析,判斷訓練過程中肌肉力量變化與疲勞狀態(tài)。除此之外傳感器磁性吸引和納米級聚集的協(xié)同效應使其具有透氣性的微孔和超疏水性的三維微孔,保證穿戴時的舒適性[14]。

2.2.2 肌電刺激技術部件的肌肉刺激技術

肌電刺激技術(Electrical Muscle Stimulation,EMS)是通過仿肌肉生物電信號引發(fā)肌肉收縮運動的最尖端設備[15]。一般來講,人體運動的原理是大腦發(fā)出運動信號,運動部位接受信號之后,肌肉才進行反復的收縮和松弛運動,如圖6所示。EMS訓練就是通過設備模擬出人體的大腦信號,并直接將其傳遞給到需要鍛煉的部位上,讓肌肉進行快速的收縮和松弛運動,從而到達一個被動訓練的效果。通過這種用EMS部件刺激訓練部位的肌肉的方式可引導目標肌肉更多參與到訓練中,幫助減少代償區(qū)錯誤發(fā)力的同時提高訓練效率。

圖6 人體肌肉運動原理

傳統(tǒng)的EMS刺激部件為肌電復合片,大部分肌電復合片與肌膚直接接觸的是一層導電布,而導電布在使用過程中其細微導線在多次使用過后容易折斷,導線的折斷口易產(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象從而刺痛皮膚,使穿戴舒適性降低,且受力后容易被撕裂損毀,使用壽命短。在智能服裝的設計中,采用的EMS柔性技術部件與服裝本體通過印刷的方式結(jié)合,既能實現(xiàn)運動效率的提高,又能很好地貼合人體,保證穿著舒適性。

3 智能健美服裝設計方案

3.1 造型設計

健美服裝隸屬于運動服裝類別,在現(xiàn)代服裝設計中,運動服裝開始朝著簡約的方向發(fā)展。多數(shù)運動服都以插肩袖和平袖為主,設計的重點在于滿足人們在運動中對輕便和舒適的追求,在此基礎之上,還需要根據(jù)不同運動的需求定制運動服的專業(yè)性和功能性,如泳裝以及體操類運動服,在簡潔的基礎之上要求有更好的承托力和修身功能,彈性是衡量這一類運動服的主要關鍵詞,以滿足運動服專業(yè)性的需求[16]。同理,在健美服裝的設計中,在簡潔款式的基礎上需要貼身、高彈性的設計以達到擴大肢體活動范圍,減少緊繃感的需求,同時通過版型優(yōu)化、局部細節(jié)設計以及色彩選擇滿足人們對修飾自身肌肉線條的審美需求。

服裝的款式結(jié)構(gòu)上,選用舒適無束縛感的圓領設計以及能提供最大肩關節(jié)活動角度的插肩短袖結(jié)構(gòu),同時在腋下部位設計彈性網(wǎng)眼布鑲面,有助于汗液揮發(fā)保持腋下干爽,提高穿著舒適性;服裝顏色設計上采用黑色或冷灰色2款顏色,前者能遮蓋身材缺陷,修飾身材曲線,后者視覺效果上顯得身材更加緊致飽滿,滿足訓練者對服裝的審美需求。服裝款式圖如圖7所示。

圖7 服裝款式圖

服裝整體為以65%錦綸、20%銀纖維與15%高彈性氨綸的混紡面料為主的無性別貼身運動服。從面料性能來說,一方面,氨綸使得服裝整體彈性增大,親膚性增強,易于穿脫;另一方面,銀纖維抗菌性能優(yōu)良[17],銀離子通過破壞細菌的細胞膜,引起蛋白質(zhì)凝固,從而阻斷細菌細胞的呼吸和繁殖過程。除此之外,銀纖維氨綸混紡針織面料還有調(diào)節(jié)溫度、透氣性強、高彈性、抗靜電、抗電磁輻射的優(yōu)點。

3.2 功能模塊設計

針對力量訓練中代償問題的智能服裝系統(tǒng)由智能監(jiān)測模塊、肌電刺激模塊、云端處理模塊、控制器模塊組成,其中智能監(jiān)測模塊和肌電刺激模塊和控制器模塊以硬件系統(tǒng)為主,云端處理模塊以軟件系統(tǒng)為主,系統(tǒng)模塊組成和主要功能如表2所示。

表2 功能模塊表

智能監(jiān)測模塊由多個柔性電子傳感器協(xié)同工作,對訓練中人體最易因代償而受損傷部位的形變、角度變化進行監(jiān)測,并將采集到的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柾ㄟ^藍牙技術傳輸?shù)绞謾C軟件云端進行計算、分析處理,同時聯(lián)系肌電刺激模塊的數(shù)據(jù)追蹤訓練者每次的訓練過程,按日、周、月為周期形成多樣化圖表方便訓練者后續(xù)復盤,并提出個性化的指導意見。云端處理模塊針對監(jiān)測的結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理,在后續(xù)進行反饋時為了避免訓練者在訓練時身體直接受物理刺激的影響而導致肌肉緊張引發(fā)其它問題,故不采用貼身震動提醒,而通過軟件中的語音提示功能進行姿勢糾正的指導,同時肌電刺激模塊對目標肌肉進行肌電刺激實現(xiàn)對錯誤運動模式的糾正。系統(tǒng)功能模塊工作流程如圖8所示。

圖8 功能模塊工作流程

控制器通過微型接口技術與其他功能模塊連接,控制器模塊負責整套系統(tǒng)的能量供應與傳輸,內(nèi)部包括可拆卸鋰電池充電電源、柔性電路板底座、銀纖維導電線。除此之外采用離子注入工藝[18],內(nèi)部集成放大器、濾波器等信號處理單元電路,在輸出端輸出經(jīng)過放大和整形的電信號,再經(jīng)過軟件處理得到肌電數(shù)據(jù)以及變化圖。系統(tǒng)模塊連接示意圖如圖9所示。

圖9 模塊連接示意圖

3.3 功能模塊與服裝結(jié)合設計

服裝下擺兩側(cè)處設計彈性口袋,實現(xiàn)控制器模塊的固定和拆卸,同時便于充電;智能監(jiān)測模塊通過印刷和離子導電噴墨打印技術[19],在不影響穿戴舒適性的情況下實現(xiàn)代償區(qū)與傳感器的緊密貼合,將肌電刺激模塊通過彈性膠和包邊條縫制固定在服裝主體上的相應位置,使用柔軟、可水洗并且易于縫紉的銀纖維導電線連接形成系統(tǒng),避免金屬觸感。各模塊通過導線與能源控制模塊連接實現(xiàn)功能的運行,采用雙針車加織帶的工藝方法將銀纖維導電線隱藏入織帶內(nèi)[20],保證安全性和便捷性。服裝功能模塊分布如圖10所示。

圖10 服裝功能模塊分布

4 產(chǎn)品性能評價

從智能健美服裝設計入手,結(jié)合文獻調(diào)研智能健美服裝的抗菌性、系統(tǒng)有效性以及系統(tǒng)穩(wěn)定性三大性能并進行評價。

①參照FZ/T 73023—2006《抗菌針織品》附錄D抗菌織物測試方法中對本文智能服裝使用的銀纖維/錦綸/氨綸混紡紗線進行抗菌性測試:將試樣與對照樣分別裝入含一定濃度實驗菌液的三角瓶中,在規(guī)定的溫度下振蕩一定時間,測定三角燒瓶內(nèi)菌液在震蕩前以及振蕩一定時間后的活菌濃度,計算抑菌率,以此評價試樣的抗菌效果。在振蕩時間為18 h、稀釋倍數(shù)為105時,該紗線對大腸桿菌的平均抑菌率為94.10%,說明該紗線具有很強的抑菌性,表明該紗線制成的銀纖維/錦綸/氨綸混紡面料具有良好的抗菌性能。

②為了驗證本文智能服裝中的柔性傳感器的靈敏度,進行如下測試。測試指標包括軟件響應時間與語音指導出現(xiàn)時間。選擇1名無健身經(jīng)驗成年男性穿著該智能服裝進行4組俯身啞鈴劃船訓練與4組啞鈴彎舉訓練,使用計時器記錄軟件響應時間與語音指導出現(xiàn)時間。結(jié)果顯示,軟件響應平均時間為0.82 s,語音指導出現(xiàn)的平均時間為0.91 s。實驗表明該智能服裝使用的傳感器和整體工作具有良好的器件靈敏性和系統(tǒng)有效性。

5 結(jié)束語

對在健美訓練中易因代償產(chǎn)生損傷的部位進行研究分析,融合人體運動學、大數(shù)據(jù)技術、傳感器技術、面料科學、柔性電子、服裝設計等多個學科技術設計了一套智能健身服裝。服裝主體由親膚透氣且有抗菌功能的錦綸/銀纖維/氨綸混紡面料制成,智能健身服裝中柔性傳感器能通過采集肌電信號與監(jiān)測肌肉表明形變程度,幫助矯正姿勢的同時利用EMS肌電刺激技術刺激目標肌肉發(fā)力,提高訓練效率。對該智能服裝進行性能測試和評價,結(jié)果表明其具有良好的抗菌性、系統(tǒng)有效性和系統(tǒng)穩(wěn)定性。該智能運動服裝能輔助健美新手在訓練過程中糾正代償問題,并引導正確訓練,對運動人群功能服裝的研究應用具有重要意義,未來將進行更深入的研究加以完善。