汽車零重力座椅的設計分析和發展趨勢

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乘坐人員滿意度的主觀評價，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致乘坐人員產生疲勞感，一旦乘坐人員長期處于疲勞狀態，會增加安全隱患，提升交通事故的發生率。根據美國汽車協會的交通事故統計，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。隨著科技發展，座椅不斷升級，作為汽車行業新興技術之一的零重力座椅對汽車座椅設計的影響將是汽車企業必須研究和克服的挑戰。至此，零重力座椅從普通座椅形式進化到汽車座椅形式。零重力座椅逐漸走近人們的生活，不少企業開始應用零重力座椅技術。在車輛系統中，座椅是人機交互的主要界面，座椅質量直接關系到乘坐人員的駕駛體驗。舒適度基本上是乘坐人員的主觀感受，舒適度評價因個體差異而存在不確定性和模糊性。另外，由于每個人的身體結構不同，因此身體感受到的舒適度不同[1]，進而導致座椅對人體舒適度影響也不同。零重力座椅可加強乘坐人員的舒適度，密切貼合人體，減少對骨骼及肌肉的壓迫。因此，零重力座椅已經成為座椅發展的未來主要方向。

1 零重力座椅設計的科學標準

在座椅設計中，人體工程學在“座椅”中的使用首先是身體的支持，其次是身體的技術興趣[2]。 因此，用于零重力設計的功能是通過人體工程學應用于座椅結構而形成的。 功能人機工程學的改進主要體現在標準參考數據在設計中的應用，包括身體尺寸、活動領域、環境因素等。

1.1 身體角度

現代人體工程學對人體進行細致的科學研究，首先測量人體的不同部位及其周圍的活動范圍，并對坐姿如脊椎形狀和身體壓力分布等各個方面進行生理分析。其次根據身體的肌肉力量、可動區域、長度、身體特征等分析坐位引起的能量消耗的變化和心理疲勞，進而尋求行動限制。 最后為每個人提供最佳的標準座椅尺寸：第一，座位。 零重力座椅過高會導致身體質量壓在腿上，大腿前緣軟組織負荷過大，出現肌肉麻痹;如果座椅太低，物理壓力會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，容易誘發疲勞。因此，最合理的座高是就座時腳底，尤其是腳后跟完全離地，而座高是膝蓋低于臀部。背部應該有一定的寬度來支撐大腿部分，但如果太深，就會失去對下背部的支撐，很難支撐背部，所以看起來像支撐臀部。身體上的任何質量都會讓人感到不舒服。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，同時支撐了臀部的各個部位。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，舒適性好。將零重力座椅的座面挖成臀部形狀是不合適的，難以適應不同人群的需要，干擾坐姿調整，使身體壓力和軟組織過于均勻。第二，靠背。零重力座椅的靠背重視舒適度，作為對肩頸、后背的托舉支撐，可減少身體負荷。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該低于肩胛骨，這個高度可以讓乘坐人員在轉動腋窩時向后傾斜，如果太高，脊柱會向前彎曲。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，對肩膀、背部和手臂施加壓力，減少壓力，使人長時間坐著感覺不到疲倦。所以，零重力座椅扶手的高度應根據坐在座位上時肘部的高度來計算，使手臂處于自然舒適狀態。如果座椅扶手太高，手臂搭放上去會導致肩膀高抬，產生酸脹感;如果扶手過低，手臂難以著力。扶手最佳傾斜度是10°～20°，扶手寬度應該大于肩寬，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，還會引起疲勞，需要研究生理結構來尋找原因除確保座椅各部分的標準尺寸外，根據科學和物理研究，人體的結構已經從四足進化到雙足，兩條腿直立已成為人類最具特色的姿勢。人體也必須進化以適應這種站立姿勢，當身體放松，脊椎呈自然S形時效果最佳。但當一個人坐下時，脊椎會改變以適應坐姿，臀部會向后轉，而且脊椎和尾骨一起移動，保持脊椎的S曲線。椎間盤部分壓力大，久坐會損壞腰椎。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，同時座椅座面也必須結合傾斜度滑出座椅，座椅表面和靠背之間的角度取決于預期用途和坐姿。

1.2 行為標準

零重力座椅的規格尺寸不同，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該寬大舒適，坐墊最好有一定的硬度，如果太軟，坐下會有塌陷的感覺。

2 零重力座椅設計原理

不同的行為特征對應著不同層次的需求，從低層次的生理、安全和便利需求到高層次的情感歸屬。零重力座椅設計師需要了解用戶行為特征與產品之間的關系，從而遵循設計原則，設計出合理的零重力座椅產品。零重力座椅設計原則，主要包括智能、實用、關懷等原則。

2.1 智能原則

零重力座椅設計以后座為例，在家居用品市場及智能家居中有比較好的發展前景。智能的應用可以重新定義零重力座椅的傳統功能形態，尤其是對于乘坐人員來說，智能科技的加入可以在一定程度上彌補身體上的不適。同時需要指出的是，在介紹智能技術的應用原理時，需要注意適當的智能，就產品而言，智能并不是設計核心。同時，乘坐人員可通過APP選擇座椅的角度和高度，定義自己的舒適度[3]。

2.2 實用原則

汽車座椅與兒童或學生座椅不同，但由于尺寸限制，兒童和學生座椅可以在外觀上直接反映用戶群體。汽車座椅的關鍵在于座椅的目標服務群體是汽車乘坐人員，在通用設計理念下，汽車座椅首先要滿足大眾群體的適用性，然后再考慮該產品的其他用戶群體。國內外科學家尚未開展培訓產品功能取向或功能水平的相關性研究，正在參考其他職業群體的產品設計研究，可以理解，具有零重力的產品功能設計主要應發揮基本功能。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]。一般來說，零重力座椅的功能取向原則主要表現在兩個方面:首先考慮用戶。其次考慮人員配置需求的優先順序。

2.3 關懷原則

零重力座椅產品中的情感取向原則是更加聚焦用戶的情感經驗和產品引發的情感需求，創造舒適感人的產品，創造充滿美好經驗和回憶的人生。同時，零重力座椅產品也讓用戶從生理學、心理、精神理想等角度享受產品的社會價值。在通用性設計方面，零重力座椅包含了對特殊群體特別重要的產品對用戶的人性化護理。在設計實踐中，情感取向的考慮包括兩個方面，一是指司機關懷，二是指交通教育。在司機關懷方面，首先是零重力座椅產品的易用性。零重力座椅本身應該具有良好自解釋性，即座椅操作模式對乘坐人員來說應該顯而易見，以保證順暢使用體驗，讓乘坐人員在使用過程中獲得愉悅和放松感覺。對于交通教育，在初步調查中，部分司機描述在座椅上聽歌曲、相聲等場景，因此可以在零重力座椅上導入教育模塊，滿足交通知識教育需求。考慮到深層需求，除上述兩個方面之外，零重力座椅的外觀也是情感表達的非常重要的因素，零重力座椅外觀可能直接影響乘客在使用座位時的選擇和情感。同時，在選擇材料向工作人員傳遞座位舒適度的過程中，通過材料的情感語義學，引導乘客產生正面情緒，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

工業革命帶來許多新材料和新技術，有利條件使座椅的形狀和功能發生了新的變化。隨著新材料、新結構、新機制的出現，板材不僅會改變其形狀，還會改善其功能，創造出許多新的功能。新材料在設計上給座椅結構帶來很多變化，讓使用者更加舒適方便[5]。

3.1 結構設計的多樣性

通過將新材料和新技術應用于零重力座椅，改變零重力座椅形狀和結構，相應的功能也得到改進，出現新的功能，使人們更加舒適。第一，設計行業對人體新材料的試驗產生了許多新結構。膠合板通過成型給零重力座椅帶來曲面結構，即座面和靠背由平面變為立體，采用曲面結構。零重力座椅是三維的，使座椅能夠適應人體曲面的復雜曲率和角度變化。第二，改善坐姿，零重力座椅為座椅設計提供了新的視角。乘坐人員不再會受到身體壓力，使身體的每個部位都處于最佳狀態，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 形態設計的多樣性

隨著新材料、新功能的出現，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。零重力座椅是造型和功能的多樣化試驗性控制的結果，座椅的形狀上下彎曲，具有一定的柔軟性和強度，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，是可以達到舒適性的目的的。

4 汽車零重力座椅形狀尺寸

對于汽車來說，零重力座椅的尺寸必須滿足基本的汽車人體工學對座椅尺寸的要求，同時還要保證座椅符合人體工學設計規律。

4.1 座位安排要求

零重力座椅布置主要為前排的兩個旋轉座椅和后排2～3座設計。這種布置的前排和后排座位可以朝向后排座位旋轉，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布局和設計特點，在旋轉模式和零重力情況下更改座位需要不同的選項，因為座位本身不需要適應，只需保持原始形狀和設計，并滿足與前排座位的交互[6]。

4.2 座椅設計要求

當前科技發展較快，自動駕駛技術能給人類帶來的最大便利，就是無須接管汽車就可以處于自動駕駛狀態。在此期間，乘客可以在不接管汽車的情況下進行許多其他活動，例如乘坐人員與后座乘客的面對面交流和互動。零重力座椅的設計基于與后排乘客的個人交互需要，座位可以在有限的空間內旋轉180°。在旋轉過程中，必須保證足夠的活動空間，避免在轉動座位時傷害乘客。零重力座椅旋轉功能必須滿足相關條件，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 零重力座椅未來的發展趨勢

5.1 汽車零重力座椅駕駛舒適性與身體壓力分布發展趨勢

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，對人體脊柱的支撐增加，壓力分散，平均壓力減小，說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間的長短而變化。乘客的身體壓力分布隨時間的變化而變化，身體壓力與舒適程度的相關性分析結果表明，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，在未來發展中，需要結合座椅舒適度與身體壓力，改善零重力座椅的性能。通過零重力座椅，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展趨勢

長時間體力運動容易產生疲勞，短時間內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。在整個過程中，臀部、下肢和上身相應的肌肉會被連續地加壓。在這種情況下，很容易產生血液供應、疼痛甚至肌肉收縮，從而降低整體的舒適性。因此，有必要根據乘坐人員的身體信息增加上述細節的舒適性，結合座椅優點，盡量減少局部不利因素對總體舒適性的影響。

5.3 零重力座椅與神經網絡發展趨勢

人工神經過程通過在一個人的神經網絡上對行為特征進行建模來分發并行信息。它提供了容錯和非線性逼近功能，廣泛用于模式識別、分類和預測。血壓神經網絡可以進行分類、近似、回歸、壓縮等。利用自學習特性，可以進行任意復雜的非線性映射，這是一個非常普遍的神經網絡。BP神經網絡與失重頁的結合，改善數據轉換，及時調整座椅狀態，從而產生優異的通用性[9]。

5.4 零重力座椅與人體工程學發展趨勢

設計是以人為本的工作，與人類行為完美契合的設計才是優秀的設計。而人體結構和生理結構的知識屬于生物學和行為學的范疇，人機工程學彌補這一不足。人體工程學是一個基于其他領域的技術研究主題，為人類學、人體力學、工作生理學、工作心理學和設計實踐者提供一系列適用模型。人體工程學包括人的功能、結構、尺寸、質量、面積、重心等。另外，還包括觸覺、聽覺、視覺等生理學感覺。在駕駛過程中，乘坐人員久坐，腰部肌肉松弛，脊柱彎曲，腰椎受力，這時零重力座椅的支撐就很重要。據調查，躺椅對于很多人來說是一種非常舒適的坐姿，因為躺椅可以減輕脊椎壓力。零重力座椅可與人體工程學相結合，強化零重力座椅傾斜角度，根據人體生理感覺，解決身體勞累、受損等不適。

5.5 零重力座椅人性化設計發展趨勢

由人性化設計引起的各個層次的人們需求的滿足通常以材料的形式表示。設計人性化的性質是讓人們生活得更好，但隨著人們生活環境的日益惡化，最基本的生活條件就會喪失。因此，人性化設計不僅要考慮個人的短期直接利益，還要考慮整個世界和自然，將人類社會的長期利益和需求融入設計思維中。隨著世界經濟的快速增長，工業化時代引進的一些技術不僅會危害舒適和便利，還會危害人們的生活環境。例如，廣泛用于座椅設計的塑料，給環境帶來許多不容忽視的問題，危害人類的健康。在設計零重力座椅時，必須考慮材料對環境問題和未來人類責任的影響。綠色思維反映在零重力座椅設計的過程中。但是，這種環境設計與人類生活的結合，尤其體現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，未來零重力座椅將在材料環保方面做出各種新嘗試。

6 結束語

綜上所述，隨著汽車的逐漸普及，乘坐人員長時間駕駛久坐問題嚴重，汽車座椅作為長期的坐具，其舒適性和智能優越性尤為關鍵。零重力座椅在國內還處于起步階段，但從長遠來看有很好的發展前景。本文分析了零重力座椅的應用情況及設計原理。零重力座椅不僅滿足乘坐人員久坐的需求，還能在自動駕駛時提供便捷服務，具有廣闊的發展前景。最后對零重力座椅的未來發展趨勢進行了展望，揭示了長時間駕駛造成的隱性損傷機制，用舒適度分析零重力座椅的乘坐舒適性，實現車輛乘員優化設計，提高汽車座椅的乘坐舒適性。