服裝壓力舒適性的研究方法及發展趨勢

程寧波 吳志明

摘要： 服裝壓力是評價服裝穿著舒適性的重要指標。為提高服裝壓力舒適性的研究方法和手段，總結了服裝壓力常見的主、客觀評價方法和裝置，分別闡述了有限元、BP神經網絡、腦電波、表面肌電（sEMG）信號的原理，以及在服裝壓力舒適性研究中的應用現狀和特點，并證實了這些研究技術的可行性。同時，提出可測量面的壓力、無線傳感器的服裝壓力測試裝置的開發和建立更精確的服裝壓力預測模型，展望了服裝性能與人體機能的有機結合，以及AI技術和服裝結合應用的發展趨勢。

關鍵詞： 壓力測試評價;有限元;BP神經網絡;腦電波;表面肌電（sEMG）

中圖分類號： TS941.17

文獻標志碼： A

文章編號： 1001-7003（2019）03-0038-07

引用頁碼： 031107

Research method and development tendency of garment pressure comfort

CHENG Ningbo， WU Zhiming

（Engineering Research Center of Knitting， Ministry of Education， Jiangnan University， Wuxi 214122， China）

Abstract： Clothing pressure is an important index in evaluating wearing comfort of clothing. In order to improve research methods of clothing pressure comfort， this paper summarized the common subjective and objective evaluation methods and devices for testing clothing pressure values， successively expounded the principle， application status and characteristics of the finite element， BP neural network， brain wave and sEMG in clothing pressure comfort study， and confirmed the feasibility of these research techniques. What’s more， it proposed the development of measuring surface pressure， the development of garment pressure testing devices with wireless sensors and the establishment of more accurate garment pressure prediction models. The organic combination of clothing performance and human body function， and the development trend of artificial intelligence technology and clothing combined application are expected.

Key words： evaluation of pressure testing; the finite element; BP neural network; brain wave; surface electromyography （sEMG）

收稿日期： 2018-07-10;

修回日期： 2019-01-10

基金項目： 國家自然科學基金項目（61602212）;國家輕工技術與工程一流學科自主課題資助項目（2018-28）

作者簡介： 程寧波（1992），女，碩士研究生，研究方向為現代服裝制造技術。通信作者：吳志明，教授，wxwuzm@163.com。

隨著社會的發展和生活水平的提高，服裝舒適性成為了消費者選購服裝的重要指標。服裝壓力舒適性是指人體與服裝間相互接觸產生的皮膚壓力感覺的舒適范圍[1]。隨著緊身運動服和塑身內衣等彈性服裝的風靡，壓力舒適性已成為服裝舒適性的研究熱點和重點。已有研究表明，影響服裝壓力的因素主要有人體、服裝、環境等，合適的服裝壓力對人體會產生積極作用，如緩解運動中的肌肉疲勞，有利于運動后肌肉恢復，提高運動表現等[2-4]，但過大的服裝壓力會產生不舒適感，也會對人體產生危害，因此服裝壓力舒適性的研究是非常重要的[5]。通過對服裝壓力分布預測、測試等的研究，可以為服裝設計提供理論依據和參考，從而指導生產，提高服裝性能和增強企業間競爭力。本文主要從壓力舒適性的測試評價方法展開，闡述了目前在航天、機械、汽車、醫學和運動神經等領域已經得到廣泛應用和認可的新技術在服裝壓力舒適性研究中的應用，分別為有限元、神經網絡、腦電波、表面肌電。

1壓力舒適性的測試評價方法

1.1客觀評價方法

客觀評價就是指通過服裝壓力測量儀器測量壓感部位的壓力值來評價壓力舒適性，具有一定的可靠性和準確性，是壓力舒適性研究的重要方法。目前已經出現了多種不同的壓力測試裝置，常用的有以下幾種：氣壓式壓力測試裝置、氣囊式壓力測試裝置、傳感器式壓力測試裝置（如電阻式壓力測試裝置、電容式壓力測試裝置、半導體壓力測試裝置）、彈性光纖裝置、流體式壓力測試裝置。其中美國F1exiForce傳感器壓力測試系統、日本AMI氣囊式傳感器壓力測試系統和德國Novel pliance服裝壓力測試系統最常見，均可動態連續測量人體在不同姿勢、不同運動狀態下某個測量點的壓力變化規律。由于測試系統是通過線纜連接傳感器探頭，運動中有牽絆，使得動態測量存在一定的不便和誤差，而且測量成本高。服裝是以人為載體的，僅從客觀測量值評判服裝的舒適性是不夠的，穿著者的感受是不可忽略的，故需將人的主觀穿著感受相結合起來，更有實用價值。

從目前的研究情況來看，壓力測試設備僅能獲取某個點的壓力值，仍無法對某個部位的壓力分布進行預測，或是某個面的壓力測量。

1.2主觀評價方法

主觀評價是直接由穿著者來感知的，符合以人為本的基本原則。服裝壓力舒適性的主觀評價一般采用心理學標尺法，即5級區間標尺：1分為無壓迫感，2分為輕微壓迫，3分為壓迫，4分為很壓迫，5分為非常壓迫。隨分值增大壓迫感依次增加，將主觀感受定量化，其中主要的評價指標有壓迫感、束縛感、刺癢感、滑爽感、柔軟感、厚重感等，以及整體的舒適感。但由于人體的著裝舒適感受環境、人體、服裝、運動等多方面的影響，因此僅采用主觀評價是不科學的，缺乏一定的可重復性和準確性，應將主客觀評價相結合起來評判服裝壓力舒適性。

2服裝壓力舒適性的分析方法

2.1有限元分析

有限元法是基于近代計算機的快速發展而發展起來的一種近似數值方法，其原理就是將連續的、均勻的物體劃分為有限個單元體，單元體通過節點連接，對物體施加力的作用，引入邊界條件，再通過力的平衡條件建立一套線性方程組，通過求解便可以得到每一個單元節點的位移和應力，目前在航空航天、建筑、醫學和機械等領域已經得到廣泛的應用。近些年許多學者逐漸將有限元引入服裝舒適性研究領域，建立了服裝壓力分布預測模型，并驗證了有限元法的可行性，成為了近期服裝壓力舒適性研究的熱點。參考已有研究理論，在有限元模擬中可將人體視為彈性體，人體的材料屬性參數見表1[6-10]。

早在2004年，Winnie YU[11]開發了一種人體模型，并嘗試用于壓力測試從而節約測試的成本。該模型采用真實的女性人體尺寸，分別用不同模量的軟質聚氨酯泡沫和硅橡膠來模擬人體軟組織和皮膚，使用不同的織物在真實受試者和人體模型上做對比測試，發現二者的壓力值相近。該研究的人體模型為測試服裝壓力提供了一個新穎的思路，為后期壓力分布預測研究奠定了基礎。之后，有學者將人體模型用于服裝壓力的測試和分布預測，進行了進一步的研究和驗證。Mirjalili等[12]采用Ansys-9軟件建立人體模型用于服裝壓力預測，發現測試壓力與有限元分析壓力分布數值誤差小于7%，驗證了有限元建立服裝壓力分布預測模型的可行性和有效性;但該模型是將人體視為由圓柱體和圓錐體組合成的幾何體，而實際人體是一個復雜的曲面體，因此該模型的精確度直接影響了模擬結果的精確度。忽略人體的動態，僅對靜態人體模型進行研究，并不能對實際穿著壓力舒適性進行準確預測和評價，因此，ZHANG[13]在已有的基礎上，提出了運用有限元方法進行動態服裝壓力數值模擬，將人體與服裝的接觸模擬成動態接觸，通過不同材料的實驗測量，發現結果與有限元分析壓力值較接近。由此可見，在允許的精度范圍內該模型模擬服裝動態壓力是有效的，可用來模擬和預測服裝與人體的動態力學行為。但是，ZHANG的模擬存在一定的局限性，因為他將人體視為剛性體，服裝視為具有幾何非線性的薄彈性外殼。因此，該動態模型不能模擬真實的人體動態，不能真實反映服裝與人體的動態接觸。

隨著科技的進步和計算機的發展，不少學者采用醫學界的CT掃描方法、最新的三維人體掃描技術提取的數據來建立人體模型，極大提高了模型的精確度，從而使得模型更加接近于真實人體，得出類似的結論，而且發現有限元模型不僅可用于預測接觸壓力分布，還可用于估算服裝的變形[14-17]。Yu等[18]通過3D激光掃描儀獲得手的幾何形狀，得出了類似的結論。然而，在目前的研究中，雖然提高了模型的精度，仍缺乏對人體與服裝動態接觸的模擬和動態壓力分布的預測。

該方法可預測人體某個部位的壓力分布，通過應力云圖能直觀地顯示人體和織物的壓力大小分布，極大程度上節約測量成本和提高效率。但由于人體是由骨骼、肌肉、軟組織和韌帶等構成的曲面體，動態下人體和織物會產生變形和應力，在模擬過程中動態模型的建立、邊界條件的設定和加載負荷等計算量很大而且十分復雜，與實際穿著過程的模擬仍存在一定的差距，所以模型的實際應用仍然存在一些不足和困難。

2.2BP神經網絡

BP（Back Propagation，反向傳播算法）神經網絡是一種類似于模仿人類神經系統的信息處理技術，是目前應用最廣泛的神經網絡。BP神經網絡一般是多層的，它強調采用誤差反向傳播的學習算法進行權值調整，使誤差沿梯度方向下降，經過反復學習訓練，確定與最小誤差相對應的網絡參數（權值和閾值），訓練即告停止。此時經過訓練的神經網絡即能對類似樣本的輸入信息，自行處理輸出誤差最小的經過非線形轉換的信息。

研究表明，BP神經網絡在面料性能預測方面有廣泛應用，服裝面料性能是服裝壓力舒適性的影響因素之一。劉曉航[19]以面料、里料和人體數據作為輸入層，共28個節點，以主觀壓迫感和塑形效果作為輸出層，選用Python進行訓練、學習，結果預測值與實際值對比誤差小于5%，結果表明神經網絡具有良好的預測效果，為塑身內衣舒適性建立了可靠的神經網絡智能預測系統，也為面料性能與壓力舒適性的關系研究提供了新思路。由于該模型的輸出參數是主觀值，導致了模型預測的結果缺乏一定的客觀性和可靠性。以上研究表明了BP神經網絡對服裝舒適性具有較好的預測效果，由于選取的輸入、輸出參數不同，形成了不同的預測模型。為了更全面地探索面料性能與壓力舒適性的關系，孟祥令[20]通過因子分析法獲取更符合研究的織物性能因子作為輸入變量，將人體著裝的主觀評價因子分值（松緊感、柔軟感、粗糙感、壓迫感、總體舒適感）作為輸出層的變量建立不同的神經網絡模型，結果發現BP模型對于松緊感與壓迫感的預測較好，該研究對接觸壓力舒適性的研究方法進行了探索和驗證。吳志明等[21]將客觀服裝壓力值作為輸入參數，各項主觀感覺因子分值作為輸出參數，選擇1×3×3的BP網絡模型（圖1），結果表明預測值與實際測試值相差甚少，得出頸部壓力舒適閾值為1.046kPa，并認為服裝壓力與主觀感覺因子有密切關系，該研究摒棄了傳統的回歸分析法而是利用BP神經網絡探討人體頸部的服裝壓力閾值及相關感覺因子的相關性，對于建立完善的服裝壓力舒適性的評價模型具有指導意義。此外，韓韜等[22]提出了基于LSTM神經網絡結構的人體不同部位的壓力預測，采用柔性壓力陣列收集一個部位壓力信息來預測人體其他部位的壓力分布。

2.3腦電波技術

腦電波技術作為一種客觀的生理心理學的研究技術和評價方法，目前已經逐漸被應用于服裝舒適性，包括熱濕舒適性、接觸舒適性、壓力舒適性、視覺美觀舒適性等研究領域[23-25]。腦電波原理是：在人體中細胞兩側離子分布不均勻，細胞內外離子（Na+、K+、A-）的濃度存在很大差異，因而在細胞膜兩側存在很高的濃度梯度，在這樣的濃度梯度作用下，離子將向低濃度一側擴散，從而形成一定的電位差。

服裝壓力舒適性是服裝的物理機械信號作用于人體皮膚，然后該刺激信號在大腦形成感覺，從而產生的一個綜合的主觀舒適判斷[26]。Y Horiba[27]通過腦電圖（EEG）測量來評估由服裝中腰帶施加在腹部上的壓力所產生的心理和生理壓力。在研究中，將電極固定在頭皮上，測量EEG在腰部壓力和非壓力狀態，睜眼并閉著眼睛狀態的腦電波。實驗表明，在腰帶產生壓力條件下，α波強度比較明顯，在睜眼情況下，與非壓力條件下的α波強度相比，腰帶壓力下α波的強度顯示下降;閉眼情況下，兩種壓力條件下的α波強度沒有明顯差異，并認為服裝緊身壓力的視覺感官也會影響腦電波變化。隨后，杉田明子等[28]采用腦電波再次驗證了服裝壓力影響受試者的生理和主觀評價。在此基礎上，有學者將壓力測量和腦電波結合，試圖將壓力舒適性感覺從定性分析轉為定量評價。尹玲[29]將胸部至小腹間作為實驗對象，研究了不同壓力的塑身腹帶對人體心率變異、腦電波的影響規律，該研究為服裝壓力舒適感覺定量評價和壓力舒適性閾值的預測提供了新的研究思路和技術方法，使得壓力舒適性的研究更具可靠性和客觀性。服裝壓力舒適性受多方面因素影響，如環境、服裝、人體等。M Uemae等[30]發現在不同亮度條件下，腰帶產生的壓力感對腦電波的影響不同。劉運娟[31]將EEG和ERPs兩種腦電技術結合，分別探索主觀感受和腦電指標的關系，以及服裝壓力和腦電成分的關系，實驗發現在同一動作時與未穿著塑形腹帶相比，穿著狀態時的α波頻譜能量更大。服裝壓力抑制了α波，使人產生不舒適感，但不同的動作也影響了α波頻譜能量變化，證明了在一定服裝壓力下腦電α波強度與主觀心理反應、束縛感和舒適感是有相關性的，為壓力舒適性的后續研究提供了理論基礎和參考價值。

綜上可見，由于人對服裝舒適性主觀感受和評價受多方面因素影響，包括服裝、環境等，存在個體差異性問題，可重復性差，因此將客觀心理學的腦電波技術引入舒適性研究會更精確、更客觀、更可靠。由于腦電波或腦電圖是非常敏感的客觀指標，容易受環境、個體差異的影響，保持單一變量原則比較困難。

2.4表面肌電技術

已有許多研究表明適當的服裝壓力不僅能提高運動機能表現，而且能夠緩解運動產生的肌肉疲勞和恢復，也有研究表明過大的服裝壓力會對人體產生危害，會加速運動中的肌肉產生疲勞。sEMG能夠反映肌肉活動狀態，可以用于肌肉疲勞的評價[32]。表面肌電具有無創性、時效性、精確性和易操作性等特點，目前在臨床醫學、人類工效學、康復醫學和體育科研等領域得到廣泛應用。肌肉疲勞對人體會產生一定的危害，有學者研究發現緊身運動服產生的壓迫在運動中對人體有積極作用，如維持肌肉功能、緩解肌肉疲勞、提高運動表現、防護性能，在運動后有利于肌肉恢復[33-35]。

肌肉疲勞受運動強度、運動時間、運動者體質和服裝壓力等多方面因素影響。日本Mikiko和Miyamoto N[36-37]探索了服裝壓力與腿部肌肉表面EMG指標的關系，認為適當的壓力可以緩解小腿肌肉的運動疲勞。陳金鰲等[38]同步采集不同程度緊身壓迫下踏蹬運動中股內側肌下iEMG和MF值，發現不同程度緊身壓迫在不同強度的運動下，服裝壓力對肌肉疲勞會產生不同的影響。之后，有學者進一步研究了不同強度的運動下服裝壓力對肌肉活動的影響，得出了類似的結論[39-40]。

不同部位肌肉的運動機能存在差異，李夢園等[41]選取頻域指標中的MPF、MF和時域指標中的MA、RMS作為肌電測試指標，結合心率數據變化和疲勞性主觀評價，發現跑步運動中服裝壓力越大對股直肌和股外側肌著裝疲勞性的緩解作用越明顯，運動強度對股直肌和股外側肌沒有明顯影響，而服裝壓力的大小對臀大肌、股二頭肌、半劍肌沒有明顯影響。盧華山等[42]進一步以跑步運動服裝為例，將RMS指標和測量壓力值結合分析，再次驗證了增大服裝壓有利于緩解肌肉疲勞，而且不同部位肌肉疲勞的緩解作用不同。可見，不同運動強度、不同服裝壓力對不同部位肌肉的影響存在較大差異性，因此結合肌肉疲勞的研究，有利于運動服裝的分區設計。

表面肌電是生物力學和人體運動學領域的一種評價方法，服裝壓力對肌肉有重大影響，肌電信號是評價肌肉疲勞的主要指標，因此將表面肌電應用于服裝領域，為設計出更符合人體工效學的服裝提供了研究方法和思路。由于肌電傳感器應放置在肌肉的肌腹（肌肉最隆起處）并與肌纖維方向一致，傳感器的精確放置對于非專業領域的人具有一定的困難，同時，肌電傳感器體積不夠小，會影響服裝對測試肌肉的壓迫，而且傳感器數據的可監測范圍不夠大，無法采集一些室外運動數據。

3發展趨勢

服裝壓力舒適性是服裝人體工效學中的研究熱點，但目前服裝壓力舒適性的研究還存在一些缺陷，有待進步和完善。基于以上的總結和分析，認為未來研究可關注以下幾個方面。

3.1無線傳感器和新的動態壓力測試裝置的開發

雖然目前服裝壓力測試裝置可基本滿足動態壓力的測量，但還有待提高。近年開發的足底壓力分析儀可進行步態、靜態站立姿勢足部壓力測試和壓力可視化，操作簡便且更容易從步態和平衡測試中獲得分析結果，比以往更快速，已在醫學領域得到廣泛應用。因此開發新的壓力測試裝置，提高傳感器精度，研究無線壓力傳感器可使操作更簡易、數據更可靠、測量部位更廣、測試結果呈現更直觀且多樣化。

3.2服裝機能和人體機能的有機結合

服裝壓力舒適性是服裝和人體共同作用的結果，現有的研究很少涉及人體在運動中的變形和摩擦，只考慮了織物的組成和性能等，要進一步提高服裝的舒適性、功能性和防護性，就必須對人體形態特征、人體運動中各個部位的變化規律、運動特點及生物力學等進行深入研究，包括著裝后的心理、生理變化等。不同類型運動中的生理、心理指標存在差異，需針對性研究相關的指標并綜合分析，這些因素都會影響壓力的大小分布和壓力舒適性的評價。將服裝機能和人體機能的有機結合使得評價結果更具代表性，也是壓力分布預測的基礎。

3.3AI技術與服裝的結合應用

隨著個性化定制的推廣，服裝三維虛擬試衣系統也發展得如火如荼。在服裝定制過程中，選擇面料后，能在虛擬三維模特展示的同時，將服裝壓力分布和大小進行可視化展示，但目前的模擬試衣仍然相對簡單、粗糙。由于人體與服裝在動態接觸過程中都會產生變形和動態的相互作用力，若能結合AI（Artificial Intelligence， 人工智能）技術對織物力學性能和變形、人體動態變化規律，以及織物與人體間的應力變化進行模擬和學習，就能通過三維試衣直觀顯示出人與服裝間動態接觸的壓力分布和變化，使得三維虛擬試衣更加精確、逼真。

4結語

服裝壓力對人體健康和人體舒適感極為重要，服裝舒適性是服裝行業的一個研究重點和熱點。本文闡述了服裝壓力舒適性的主、客觀評價方法，綜述已有的研究方法，對服裝壓力舒適性的研究方法進行分析和總結，它們在服裝壓力舒適性應用中都各有特點。但目前的動態壓力測試還有待提高和改善，服裝機能和人體機能的結合研究需做進一步探討，提出建立高精度的服裝壓力預測模型，并將AI技術與服裝行業結合應用，使得三維實體展示和服裝壓力分布可視化更加精確、真實，從而提高行業核心競爭力。

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