金佳勤,于 淼,王 俠,張春明,孫亞寧
(青島大學(xué) 紡織服裝學(xué)院,山東 青島 266071)
跑步是一項(xiàng)周期性有氧運(yùn)動(dòng),由于跑步時(shí)長(zhǎng)時(shí)間重復(fù)同一動(dòng)作,極易造成膝關(guān)節(jié)的過(guò)度使用性損傷[1-4]。為了減少運(yùn)動(dòng)損傷,科研人員潛心于各種緊身型運(yùn)動(dòng)褲的開(kāi)發(fā)。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展,以柔性壓力傳感器為代表的可穿戴設(shè)備已成為健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。壓阻式壓力傳感器具有種類(lèi)豐富、器件單一、導(dǎo)出機(jī)制簡(jiǎn)單、能耗低等特點(diǎn),是目前最受歡迎的壓力傳感器之一[5]。現(xiàn)階段針對(duì)緊身運(yùn)動(dòng)服的研究集中于人體壓力舒適性、服裝壓對(duì)人體生理機(jī)能的影響以及服裝壓的影響因子等方面[6-7],將智能可穿戴技術(shù)與緊身運(yùn)動(dòng)服相結(jié)合,對(duì)服裝壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的研究較少[8]。
文中結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)和市場(chǎng)需求,將柔軟性、延展性、輕便性、安全性、功能性和可拆卸性作為膝關(guān)節(jié)壓力監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)褲的設(shè)計(jì)目標(biāo),使運(yùn)動(dòng)褲在滿(mǎn)足膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)要求的同時(shí),實(shí)現(xiàn)對(duì)膝關(guān)節(jié)立體受力情況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),以期在自身健康監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷及康復(fù)檢測(cè)方面取得更好的效果[9]。
1.1.1原料 經(jīng)編彈性針織面料(1#,2#),廣州偉卓布行有限公司提供;Coolmax?纖維針織面料,美國(guó)杜邦公司生產(chǎn)。面料規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。
1.1.2儀器 YG(B)606G型紡織品熱阻和濕阻測(cè)試儀,溫州大榮紡織儀器有限公司制造;YG461E-III型全自動(dòng)透氣量?jī)x,寧波紡織儀器廠(chǎng)制造;YG(B)216-II型織物透濕量?jī)x,溫州際高檢測(cè)儀器有限公司制造;KES-F織物風(fēng)格儀,上海羅中科技發(fā)展有限公司制造;YG065H-250型電子織物強(qiáng)力儀,萊州電子儀器有限公司制造。

表1 面料規(guī)格
1.2.1熱濕舒適性測(cè)試 根據(jù)GB/T 11048—2018《紡織品生理舒適性穩(wěn)態(tài)條件下熱阻和濕阻的測(cè)定(蒸發(fā)熱板法)》[10],采用織物保溫儀測(cè)試面料(1#,2#)的傳導(dǎo)系數(shù)。每組實(shí)驗(yàn)測(cè)3次,取平均值(下同)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境:溫度(25±5) ℃,相對(duì)濕度(65±5) %,靜置24 h。
參照GB/T 5453—1997《紡織品 織物透氣性的測(cè)定》[11],采用透氣量?jī)x對(duì)面料(1#,2#)的透氣性進(jìn)行測(cè)試;依據(jù)GB/T 12704.1—2009《紡織品 織物透濕性試驗(yàn)方法 第1部分:吸濕法》[12],采用織物透濕量?jī)x對(duì)面料(1#,2#)的透濕率進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)環(huán)境:溫度(25±5) ℃,相對(duì)濕度(65±5) %。
1.2.2接觸舒適性能測(cè)試 運(yùn)用織物風(fēng)格儀測(cè)試面料(1#,2#)的彎曲剛度、彎曲滯后矩、動(dòng)摩擦平均系數(shù)、摩擦系數(shù)平均偏差、表面粗糙度。實(shí)驗(yàn)環(huán)境:溫度(25±5) ℃,相對(duì)濕度(65±5) %。
1.2.3拉伸彈性性能測(cè)試 參照ASTMD3107— 2007《彈力紗機(jī)織物拉伸性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》[13],采用織物強(qiáng)力儀對(duì)面料(1#,2#)的伸長(zhǎng)率和形變率進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)環(huán)境:溫度(25±5) ℃,相對(duì)濕度(65±5) %。
1.3.1熱濕舒適性 面料的熱濕舒適性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 面料熱濕舒適性測(cè)試結(jié)果
由表2可以看出,面料2#熱阻值比1#的小,說(shuō)明面料2#熱傳遞效率高,且其透氣率、透濕率比1#大。因此,面料2#熱濕舒適性更好,能夠滿(mǎn)足人體在正常運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度下的透氣、透濕及散熱等需求,適合作為運(yùn)動(dòng)褲的主面料。
1.3.2接觸舒適性 面料的接觸舒適性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 面料接觸舒適性測(cè)試結(jié)果
由表3可以看出,兩種面料的彎曲滯后矩均較低,產(chǎn)生彎曲變形后易恢復(fù),而面料2#的抗彎剛度更低,手感更佳,適合作為樣褲的主體面料。兩種面料經(jīng)向的摩擦系數(shù)和粗糙度比緯向的小,其中面料1#表面更為粗糙,適合局部配伍,以減少與下肢的接觸面積。
1.3.3拉伸彈性性能 面料的拉伸彈性性能測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 面料拉伸彈性性能測(cè)試結(jié)果
由表4可以看出,面料1#的定負(fù)荷伸長(zhǎng)率明顯小于面料2#的,且面料1#的定負(fù)荷急彈性變形率大于面料2#的,故面料1#在外力作用下不易產(chǎn)生形變且形變后易恢復(fù),說(shuō)明其拉伸彈性、形變回復(fù)能力良好,更適合分配在膝關(guān)節(jié)等活動(dòng)較為頻繁、形變程度較大的部位,從而有效增大服裝壓,提高防護(hù)功能。
根據(jù)人體運(yùn)動(dòng)自由度與人體各區(qū)域溫度及出汗分布情況,采用區(qū)域分割的方法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)褲設(shè)計(jì):①跑步過(guò)程中,人體會(huì)產(chǎn)生很多熱量和汗液,運(yùn)動(dòng)服極易被浸濕,因此選取具有透濕、透氣、速干以及降溫功效的運(yùn)動(dòng)服面料;②跑步過(guò)程中,人體后腰中部是熱量和汗液聚集的部位,選用Coolmax?面料[14-15],因其具有許多毛細(xì)血管效應(yīng)強(qiáng)的細(xì)小芯吸管道,且纖維的比表面積大,能夠使織物表面的汗液快速蒸發(fā),保持皮膚干爽,提高主觀(guān)舒適性;③在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,體表皮膚會(huì)根據(jù)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)在縱、橫向上發(fā)生不同程度的拉伸形變,膝關(guān)節(jié)外側(cè)皮膚的拉伸形變大于膝關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)皮膚的[16],且均為縱向拉伸形變量大于橫向拉伸形變量,因此膝關(guān)節(jié)采用上下不對(duì)稱(chēng)式外長(zhǎng)里短的圓弧形設(shè)計(jì),搭配彈性較大的面料1#,滿(mǎn)足膝關(guān)節(jié)的壓力舒適性需求,并對(duì)膝關(guān)節(jié)起一定的保護(hù)作用;④除膝關(guān)節(jié)和后腰中部,剩余區(qū)域選取熱濕舒適性、接觸舒適性良好的面料2#;⑤為提高視覺(jué)效果,臀部運(yùn)用心形設(shè)計(jì),以提升翹點(diǎn)、改善臀型,臀部?jī)蓚?cè)與后腰中部為一體式設(shè)計(jì),可拉長(zhǎng)腿部弱化胯寬,達(dá)到增高顯瘦的效果[9]。
在此基礎(chǔ)上得到研究所需運(yùn)動(dòng)褲基礎(chǔ)樣板,具體如圖 1所示。
緊身褲規(guī)格尺寸為:160/68A。褲長(zhǎng)90 cm,腰圍65 cm,臀圍84 cm,褲口寬12 cm。在運(yùn)動(dòng)褲膝關(guān)節(jié)前片對(duì)應(yīng)位置的反面縫制略大于柔性壓力監(jiān)測(cè)傳感器尺寸的橢圓形內(nèi)貼口袋,內(nèi)貼口袋只縫合3/4,上部1/4不縫合作為袋口,便于柔性壓力監(jiān)測(cè)傳感器的放置與取出。
利用電阻應(yīng)變?cè)碓O(shè)計(jì)具有良好柔韌性、伸縮性、貼合度以及舒適性的立體柔性壓力監(jiān)測(cè)傳感器,間接測(cè)量跑步運(yùn)動(dòng)過(guò)程中膝關(guān)節(jié)壓力變化。
2.2.1柔性壓力監(jiān)測(cè)傳感器 在跑步運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,膝部是人體承受壓力最大且使用最頻繁的部位之一,也是損傷概率最高的部位之一。膝關(guān)節(jié)損傷主要表現(xiàn)為運(yùn)動(dòng)后的區(qū)域性疼痛,主要分布如圖2所示。

圖2 膝關(guān)節(jié)損傷及疼痛區(qū)域分布Fig.2 Distribution of knee injury and pain area
文中根據(jù)膝關(guān)節(jié)損傷情況及疼痛發(fā)生區(qū)域分布進(jìn)行膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測(cè)傳感器設(shè)計(jì),具體如圖 3所示。膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測(cè)傳感器及其內(nèi)部的壓力監(jiān)測(cè)元件設(shè)計(jì)和制作均自行完成。

圖3 膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測(cè)傳感器示意 Fig.3 Schematic diagram of flexible pressure monitoring sensor for knee joint
壓力監(jiān)測(cè)元件以強(qiáng)彈性化纖面料為基底,保證監(jiān)測(cè)元件的延展性,表面涂覆納米級(jí)的導(dǎo)電涂層(導(dǎo)電涂層厚度由電腦根據(jù)膝關(guān)節(jié)壓力值范圍模擬計(jì)算所得)。
柔性導(dǎo)體置于化纖面料和壓力監(jiān)測(cè)元件之間,以“+”字設(shè)計(jì)將柔性導(dǎo)體的所有監(jiān)測(cè)元件連接起來(lái),每一塊壓力監(jiān)測(cè)元件下方有兩根柔性導(dǎo)線(xiàn),一根連接外部線(xiàn)路,一根連接其他壓力監(jiān)測(cè)元件。壓力監(jiān)測(cè)元件下柔性導(dǎo)體排列如圖 4所示。圖4中置于壓力監(jiān)測(cè)元件下的柔性導(dǎo)體以?xún)蓚€(gè)交叉的“F”形排列,監(jiān)測(cè)元件與柔性導(dǎo)體充分接觸以確保所測(cè)壓力數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

圖4 壓力監(jiān)測(cè)元件下柔性導(dǎo)體排列示意Fig.4 Schematic diagram of flexible conductor arrangement under pressure monitoring element
柔性導(dǎo)體和壓力監(jiān)測(cè)元件均固定于長(zhǎng)直徑為15.6 cm、短直徑為15.2 cm的橢圓形化纖面料之上,化纖面料、壓力監(jiān)測(cè)元件和柔性導(dǎo)體共同構(gòu)成膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測(cè)傳感器。橢圓形化纖面料上均勻設(shè)有4個(gè)長(zhǎng)5 cm、寬0.9 cm的省道,以提升膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測(cè)傳感器的貼體度,減小測(cè)量誤差。
2.2.2微控制元件 微控制元件包含具有16 KB~1 MB Flash、多種控制外設(shè)、USB全速接口和CAN的微控制器STM32F103以及4 cm×6 cm的22402A-18電路板,通過(guò)上下焊接方式組合在一起。微型控制元件利用柔性導(dǎo)線(xiàn)與傳感元件相連接,為傳感器提供驅(qū)動(dòng)電阻的同時(shí),接收、放大傳感器所感知的外界壓力,并將傳感器內(nèi)部產(chǎn)生的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成可被電腦識(shí)別的數(shù)字信號(hào),傳輸?shù)诫娔X終端,最后完成壓力數(shù)值的實(shí)時(shí)記錄與導(dǎo)出。
自行設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)褲兩條,一條運(yùn)動(dòng)褲內(nèi)貼袋中放置膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測(cè)傳感器,另一條作為參照組。
選取6名年齡為(24±2)歲、身體健康、有跑步運(yùn)動(dòng)經(jīng)歷且無(wú)膝關(guān)節(jié)損傷的女大學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象,其腿型相似,平時(shí)均穿M碼褲子。受試者具體信息見(jiàn)表5。

表5 受試者基本信息
膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測(cè)傳感器,自制;氣囊式接觸壓力測(cè)試儀,北京力泰友聯(lián)科技有限公司制造;Moxy近紅外光實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)無(wú)創(chuàng)肌氧監(jiān)測(cè)儀,世紀(jì)天鴻國(guó)際集團(tuán)股份有限公司制造;MSR145W溫濕度傳感器,廣州虹科電子科技有限公司制造。
3.3.1壓力測(cè)試 采用氣囊式接觸壓力測(cè)試儀和膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測(cè)傳感器對(duì)穿著樣褲受試者的膝關(guān)節(jié)壓力進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)環(huán)境:溫度(25±5) ℃,相對(duì)濕度(65±5)%。
3.3.2肌氧測(cè)試 采用近紅外光實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)無(wú)創(chuàng)肌氧監(jiān)測(cè)儀對(duì)受試者穿著樣衣運(yùn)動(dòng)過(guò)程中腓腸肌、股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌的肌氧飽和度和總血紅蛋白變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境:溫度(25±5) ℃,相對(duì)濕度(65±5)%。
3.3.3熱濕度測(cè)試 采用溫濕度傳感器對(duì)受試者穿著樣褲運(yùn)動(dòng)過(guò)程中腓腸肌、股內(nèi)側(cè)肌、股外側(cè)肌的溫度變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境:溫度(25±5) ℃,相對(duì)濕度(65±5) %。
3.4.1壓力評(píng)估 為了檢驗(yàn)膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測(cè)傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,在受試者穿著樣褲靜止站立狀態(tài)下[9],分別采用氣囊式接觸壓力測(cè)試儀和膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測(cè)傳感器對(duì)膝關(guān)節(jié)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行壓力測(cè)試,記為方法1和方法2,具體結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 靜止站立時(shí)膝關(guān)節(jié)壓力測(cè)試結(jié)果比較
由表6可知,與氣囊式接觸壓力測(cè)試儀測(cè)試數(shù)據(jù)相比,膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測(cè)傳感器所測(cè)人體膝關(guān)節(jié)受壓數(shù)值存在一定的誤差。究其原因:①膝關(guān)節(jié)立體彎曲結(jié)構(gòu)導(dǎo)致傳感器不能完全貼合體表;②傳感器置于運(yùn)動(dòng)褲內(nèi)貼袋中,未與皮膚直接接觸,該誤差由運(yùn)動(dòng)褲和人體共同導(dǎo)致。運(yùn)用t檢驗(yàn)驗(yàn)證柔性壓力傳感器所測(cè)數(shù)據(jù)的有效性[9],結(jié)果見(jiàn)表7。
由表 7可知,左右膝關(guān)節(jié)F值相伴概率均大于顯著水平0.05,說(shuō)明自制膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測(cè)傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠;當(dāng)方差相等時(shí),T統(tǒng)計(jì)量的相伴概率均大于顯著水平0.05,不能拒絕方差相等的假設(shè),即自制膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測(cè)傳感器與氣囊式接觸壓力測(cè)試儀所測(cè)得的壓力平均值不存在顯著差異。從樣本均值差的95%置信區(qū)間看,區(qū)間跨0,說(shuō)明膝關(guān)節(jié)柔性壓力監(jiān)測(cè)傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果可靠。
3.4.2肌氧評(píng)估 受試者穿著樣褲運(yùn)動(dòng)過(guò)程中肌氧測(cè)試結(jié)果如圖 5所示。

表7 左右膝關(guān)節(jié)受壓獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)輸出結(jié)果

圖5 肌氧測(cè)試結(jié)果Fig.5 Muscle oxygen test results
由圖5可以看出,肌氧飽和度和總血紅蛋白的曲線(xiàn)變化趨勢(shì)相似,監(jiān)測(cè)的3個(gè)部位的曲線(xiàn)變化趨勢(shì)也相似。前15 min,血氧飽和度和總血紅蛋白隨著跑步速度的增加而減少;15 min時(shí),其值下降到最低;15~40 min,隨著時(shí)間的推移,又逐漸回升至相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài);后10 min,逐步恢復(fù)到穩(wěn)定水平。這是由于前期加速,肌肉突然收縮,血管受到壓迫,肌肉血流量減少,肌氧飽和度和總血紅蛋白降低;隨著運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的穩(wěn)定,人體逐漸適應(yīng),各器官重新分配血流量,肌氧飽和度和總血紅蛋白恢復(fù)至穩(wěn)定水平;恢復(fù)期其含量均高于初始水平,說(shuō)明運(yùn)動(dòng)褲具有一定的緩解肌肉疲勞的作用[14]。
3.4.3溫濕度評(píng)估 受試者穿著樣褲運(yùn)動(dòng)過(guò)程中熱濕測(cè)試結(jié)果如圖6所示。

圖6 平均體表溫度變化Fig.6 Average body surface temperature variation graph
由圖6可以看出,在跑步過(guò)程中,3個(gè)區(qū)域的肌肉溫度變化較平穩(wěn),維持在31~34 ℃之間,人體的熱感覺(jué)舒適性較好,沒(méi)有出現(xiàn)突然升溫或降溫的現(xiàn)象。前25 min,隨著運(yùn)動(dòng)負(fù)荷和人體代謝活動(dòng)的增強(qiáng),人體心率逐漸加快,產(chǎn)熱增加,毛細(xì)血管擴(kuò)張[17],體溫有所增加;25 min后,人體適應(yīng)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度,其內(nèi)循環(huán)穩(wěn)定,人體產(chǎn)熱和出汗率保持相對(duì)穩(wěn)定,體溫也應(yīng)保持相對(duì)穩(wěn)定,但此處數(shù)據(jù)顯示體溫有所下降,說(shuō)明運(yùn)動(dòng)褲透濕排濕性能良好,吸收體表部分熱量,達(dá)到降溫作用。
3.4.4主觀(guān)評(píng)估 文中運(yùn)用5等分量表法對(duì)樣褲進(jìn)行主觀(guān)評(píng)價(jià)。-2代表差,-1代表較差,0代表一般,1代表較好,2代表好[9]。
在跑步測(cè)試方案結(jié)束后,對(duì)受試者穿著樣褲的自身真實(shí)舒適感受進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查,具體包括束縛感、悶熱感、黏體感、潮濕感、柔軟感、壓迫感、運(yùn)動(dòng)便利性以及綜合穿著舒適感等指標(biāo),評(píng)價(jià)并打出相應(yīng)分值,取平均值。樣褲的主觀(guān)舒適性評(píng)估分析結(jié)果如圖7所示。
由圖7可以看出,樣褲滿(mǎn)足人體基本穿著舒適性要求。靜止站立時(shí)的穿著舒適性最好(跑步前大于跑步后),其次是開(kāi)始跑步的第2階段,再次是遞減負(fù)荷的第4階段,最后才是遞增負(fù)荷的第3階段。第2階段,運(yùn)動(dòng)褲產(chǎn)生形變使服裝壓增大,束縛感、壓迫感增加;第3階段,隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度的增加,運(yùn)動(dòng)褲產(chǎn)生的服裝壓增大,束縛感和壓迫感增加更為明顯;第4階段,運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度逐漸減弱,壓迫感減弱明顯,但運(yùn)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng),悶熱感增加明顯。隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和時(shí)間的增加,人體新陳代謝加快,會(huì)有大量汗液排出,導(dǎo)致悶熱感、潮濕感、黏體感等增加,尤其在第3階段和第4階段,隨著運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度和時(shí)間的增加,舒適性不斷下降;在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程,樣褲的運(yùn)動(dòng)便利性始終良好。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,樣褲客觀(guān)評(píng)價(jià)結(jié)果均保持在1.5評(píng)分以上,整體舒適性穩(wěn)定,變化小,說(shuō)明樣褲的款式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較合理。

圖7 主觀(guān)評(píng)估結(jié)果Fig.7 Subjective assessment result
隨著跑步運(yùn)動(dòng)的興起與流行,消費(fèi)者對(duì)緊身運(yùn)動(dòng)服的需求逐漸提升,在滿(mǎn)足基本穿著功能的同時(shí)期望獲取更多的附加功能。文中設(shè)計(jì)的智能運(yùn)動(dòng)褲能夠有效地獲取膝關(guān)節(jié)壓力值,結(jié)合步態(tài)分析系統(tǒng),判斷運(yùn)動(dòng)姿勢(shì)的準(zhǔn)確性,通過(guò)反饋的數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整訓(xùn)練計(jì)劃,改變運(yùn)動(dòng)方式,降低損傷風(fēng)險(xiǎn);將監(jiān)測(cè)元件微型化并與服裝有效的結(jié)合,實(shí)現(xiàn)人體生理健康參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與傳輸。