基于人因工程學的人體節律照明設計研究

■李可欣 邵曉峰 Li Kexin & Shao Xiaofeng

(1.2.南京林業大學，江蘇南京 210037）

“人因工程學又稱人的因素工程學，主要立足于人的角度來思考和解決問題，其核心是研究人-機-環境三者之間的相互作用，其中人的因素需要考慮到人體的神經系統、感覺系統、腦力勞動與神經緊張作業時的生理變化特點以及人的心理因素等”。照明光環境是人因工程學中著重研究的一部分，室內照明對人的生理及心理均有一定程度的影響，讓室內照明遵循生物節律是對人本設計的進一步落實。境的各種指標作為計量，人體節律會根據光鐘變化而變化，且通過光鐘和生物鐘作為依據來判斷人體生物節律的變化更加準確。

1 照明光環境對人體生物節律的影響

1.1 時間生物學與人體生物節律

時間生物學是研究機體生物節律及其時間結構和應用的科學，“在生物領域，無論是單細胞生物或高等動物，所有的生命活動跡象均按照一定規律運行，且該活動現象已經大量實驗驗證是明顯節律性活動，生物學界稱之為生物節律”[1]。一般情況下生物節律與環境節律同步，但當環境節律發生變化或機體受到環境中某些理化因素的刺激時，其生物節律（尤其近日節律）會發生變化，主要體現為相位反映，即節律的前移或滯后，相位反映的方向（超前或滯后）和大小（移動的時間長短）與環境刺激的種類、強弱、作用時間均相關[2]。

目前，已有大量研究證明光照條件對機體的生理活動和節律有重大影響，“在晝夜節律周期的某個點處添加光線脈沖可以加速或延緩生物節律的運轉”[3]，因此研究不同光照條件下人體節律的變化也是時間生物學的重要內容。

1.2 生物鐘與光鐘

研究者普遍認為人體生物節律是內源性的，也就是說生物節律是由內源性生物鐘啟動和控制的、機體內部自主產生的規律性變化，而不是由外部環境變化而產生的被動反映，由此可知人體具有自行感知時間的能力，而這種能力與大腦中的松果體所分泌的褪黑素有關，“褪黑素是人體應對黑暗環境而產生的化學信號，大量醫學研究表明，視覺系統在傳遞光信號的同時，將外界光環境的信息傳遞給大腦的松果體，由松果體產生的褪黑素進入體液（血液、尿液、腦脊液、細胞內外液等），從而影響人的睡眠水平”[4]。除了晝夜變化的光線會對生物鐘造成影響，季節性變化的光線同樣如此，比如冬季日光攝取量減少引起體內褪黑素的分泌變化，這種變化會導致生物鐘的紊亂，甚至出現失眠、食欲不振、情緒低落等癥狀。人體生物鐘會因為光環境的不同，而出現不同的生物節律，“現代研究表明控制人體晝夜節律的照明因素復雜多樣，包括光源本身的光譜分布、光區分布、總體照度、照明時長、變化速率、以及前后的短期照明歷史情況”[5]。由此我們引入“光鐘”的概念，它與物理學上的光鐘有所不同，這里的光鐘是將光照環境與時間相結合，以不同時刻光環

2 人因工程學對節律照明的需求

2.1 人的視覺生理需求和心理情緒需求

“視覺-視覺作業-光環境間的相互作用和影響是人因照明研究的核心內容”[6]，視覺是最重要的人體感官系統之一，而影響視覺的主要因素就是光照環境，視網膜上存在有管理時間的感光神經節細胞（桿狀細胞和錐狀細胞），“它主要負責調節人體內非視覺情況下的光生物效應，包括人體生命的各種體征變化，如血壓、體溫、心跳速率、激素分泌、睡眠質量、甚至情感的展現等”[7]。桿狀細胞感光性較強并在較暗的環境下發揮作用，視網膜上感光細胞的分布決定了視覺的感光特性。在視覺上人因照明要求照明光環境滿足人的“視力需求”，如光線均勻分布，強弱有度等，“視野需求”要求光照范圍適度，“色覺需求”要求光色符合環境氛圍，“視覺適應需求”要求照度強弱之間有過渡段，此外，視覺健康也是目前照明工程中需要考慮的人因要素，“光照的強度、時長、形式、位置，光譜構成等要素對視覺系統、眼底功能、腦力認知均產生一定影響，且與人的工作狀態、人體機能、生理和心理上的舒適程度聯系緊密”[8]。而對節律照明的落實和研究更是視覺健康的方向，讓照明環境貼合人體節律的變化會更加符合人因工程的要求。

■圖1 智能夜燈

■圖2 擬落地玻璃窗背景墻

人的心理因素是人因工程學的重要內容，它包括人的性格、能力、動機、情緒以及意志。“光照作用于視網膜，不僅產生視覺，還對人的情緒和行為產生影響”[9]。比如高色高溫照度的環境會讓人精神緊張和振奮，而底色低溫照度的環境則會讓人更加放松；一些休閑娛樂場所就需要緩慢變化的橙色光照環境，“多年的臨床醫學經驗表明，柔和偏暗的環境可幫助產婦緩解緊張壓抑的情緒，以獲得較好的分娩狀態”[10]。而對于節律照明而言，則需要考慮人在一天之中不同的心理狀態，以及季節變化帶來的情緒變化，以此來進行節律照明設計。

2.2 不同人群不同階段的照明需求

在各種年齡段的人群中，需要特別考慮到的是兒童和老人，胎兒在6個月時已經可以感知外部光線的變化，2至5歲是視力發育的關鍵時期，需要著重保護，5歲以后視力才趨于穩定，“在嬰幼兒時期人體的節律并不穩定，缺少睡眠會引起植物神經功能失常導致的眼睫狀肌調節功能紊亂，形成近視眼。此外，持續性高強度光照，會減少人體褪黑激素的分泌，從而對嬰幼兒的成長發育造成不利”。因此，為嬰幼兒進行節律照明設計十分必要。

隨著我國人口老齡化的加劇，為老年用戶設計成為研究熱點，老年人的照明需求與其他人群有所差別，65歲以后人體的各項機能衰退，眼部退化較為明顯，如晶狀體硬化造成遠視，晶狀體蛋白質變性而發生混濁導致的白內障等眼部疾病，可以通過提高居住環境照度、控制眩光、增加顯色度等方式來緩解視力下降造成的問題。此外，“神經生理學家發現衰老會引起視交叉上核（簡稱SCN）對光的敏感性顯著降低”[11]。同時松果體和褪黑素隨年齡增長逐漸衰退，這些均導致老年人睡眠模式紊亂，少眠、早醒等情況，需要通過調節室內的光譜、光線分布、光照時間、光照頻率等要素來應對老年人群的晝夜節律。

3 以人為本的節律照明設計

3.1 LED可調光的應用與差異化環境照明

隨著LED可調光的技術發展，為節律照明設計提供了技術支持，根據人體晝夜節律的變化調節LED燈帶是實現節律照明的方式之一。Zumtobel公司，通過MELLOW LIGHT V tunableWhite燈具結合LITECOM照明控制系統，提供3000K到6000K色溫的照明環境，例如早晨可以將色溫調節至5000K，水平照度500xl以上，可直接抑制褪黑素的產生，調節生物鐘，讓人精神振奮清醒；在夜間準備入睡時，將色溫調節3000K，不干擾褪黑素的分泌，提高睡眠質量。在2018年上海國際商業及工程照明展覽會上曼佳美獲得金殿獎，其中的設計亮點之一在于根據環境需要提供變色調光燈帶，2700K至6500K的色溫區間，10%至100%的調光，利用遙控操作，同時配備混合反射器，提供精準的光束控制并防止眩光（圖1）。

除了可調光外，差異化照明也是目前應用較多的節律照明方式，尤其是在大型辦公空間、醫院等場所運用較多。“為了更好地凸顯較大空間的內部關系，通常使用不同的視覺語言來營造差異化的空間組成形式”[9]，面積較大的辦公空間常利用燈光的差異來區分空間，辦公區用照度較高的冷白光，而休閑區使用柔和的暖橘光；醫院則對燈光的要求更高，不同區域的劃分也更加細致，醫院大廳常使用暖白光，避免造成壓抑緊張的氛圍，大廳的燈光由照明系統管理，系統以一天的時間為基準自動調整燈光效果；護士站和咨詢處需要醒目的燈光效果，方便人員尋找，同時可以根據當天的人流情況進行控制和調整；檢查科室需要高顯色度LED平板燈；ICU病房則需要專門根據不同病人的節律調整光照環境，以幫助病人更好的進行康復治療（圖2）。

3.2 智能化節律照明

智能化照明設計一直是照明領域研究的熱點，節律照明作為光與健康的未來方向與智能化設計緊密聯系，比如在美國Indiegogo眾籌平臺登錄的一款智能夜燈產品，“側重人機交互及產品語義”，它可以與手機系統連接實現各種功能，可調節至任何色溫和亮度，且會在睡眠時間自動減少藍光的強度，幫助用戶調節褪黑素水平，此外，當用戶起夜時，它能夠自動探測到用戶動向，開啟40%的柔和燈光，對用戶起夜習慣具有記憶功能，自動識別用戶路線。類似的產品還有Circadia睡眠系統，它由睡眠跟蹤器和便攜式晝夜節律燈組成，Circadia可以監測人體的心率和呼吸頻率，并建立用戶生理時鐘模型，設有睡眠模式和失眠模式，通過個性化的光療法來調整人體節律，預設不同的模式人體會呈現不同的狀態[10]。

德國杜塞爾多夫匯豐銀行餐廳項目的設計，由Licht Kunst Licht（LKL）公司提供照明設計，并榮獲IALD卓越獎，亮點在于設計團隊做了模擬落地玻璃窗的背景墻，橫跨餐廳一側，照片的尺度模仿人們從地面高度看的視角。用“智能”的人本照明（HCL）控制系統，模擬日光，增加真實感，讓位于地下室的餐廳也能感受到模擬的自然光照，設計團隊最終確定了發光墻的場景編程，模擬日光的年變化、日變化，包括動態、光色、方向和強度。擦墻燈的色溫可調，早上是溫暖的2700K，逐漸上升到中午的冷白6000K，傍晚回落溫暖色調。地面還安裝了一整條RGBW混色的LED線型擦墻燈，以增強模擬效果。

4 結語

基于人因工程學的照明設計已經逐漸發展成獨立的設計系統，對人生理心理的各項研究不斷成熟，而其中的人體節律照明仍缺乏細致詳盡的理論指導，設計者在了解人的各項因素的情況下，還需深入剖析人群需求和環境需求，并與當下的最新科學技術緊密聯系。伴隨科技的發展和研究的深入，節律照明的方式也更加多樣化和復雜化，一個空間的照明設計通常會結合多種方式共同完成，目前節律照明正處于發展時期，未來將會有更多科技的植入，節律照明設計也會在研究中不斷完善，在生活中更加普及。