基于FBS 模型的下肢殘疾者游泳假肢設(shè)計(jì)研究

盧菲菲，周婧怡

（長春理工大學(xué)，長春 130000）

游泳是一種低強(qiáng)度沖擊的訓(xùn)練活動(dòng)，可以在不損傷殘肢軟組織的情況下增強(qiáng)耐力，是一種有效的全身有氧運(yùn)動(dòng)，作為一種運(yùn)動(dòng)和康復(fù)手段，在下肢截肢者中被廣泛接受。首先，水的浮力能夠減輕截肢者的鍛煉難度，可以讓下肢截肢者從日常生活中負(fù)擔(dān)的沉重重力中解脫出來。其次，游泳與其他運(yùn)動(dòng)相比，肢體缺失的人可以在不依靠假肢的情況下獨(dú)立參與游泳。然而，下肢截肢者通常不戴假肢游泳，實(shí)際上不使用假肢游泳將會(huì)存在諸多問題，例如，游泳時(shí)平衡感不好，可能會(huì)造成身體失衡，進(jìn)而導(dǎo)致受傷；截肢部分暴露在他人面前；下水困難，容易滑倒等。因此，為了使膝下截肢者在學(xué)習(xí)游泳或在進(jìn)行常規(guī)游泳運(yùn)動(dòng)時(shí)更具安全性，本文根據(jù)消費(fèi)者日益增長的需求，基于功能-行為-結(jié)構(gòu)（Function-Behavior-Structure，F(xiàn)BS）拓展模型的設(shè)計(jì)方法，通過在市場上觀察到的游泳假肢技術(shù)在運(yùn)動(dòng)時(shí)考慮到的特定需求，由新需求引出新功能，建立游泳假肢的需求-功能-原理-行為-結(jié)構(gòu)映射機(jī)制，從而實(shí)現(xiàn)游泳假肢的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

1 下肢殘疾者的特征分析

1.1 生理特征

殘疾人更容易出現(xiàn)二次健康問題，如抑郁、焦慮、肥胖、疼痛、疲勞和尿路感染，而運(yùn)動(dòng)對其康復(fù)和預(yù)防至關(guān)重要。然而，下肢殘疾者參加游泳活動(dòng)受到包括個(gè)人和環(huán)境因素在內(nèi)的多因素限制，患者膝關(guān)節(jié)肢體缺失，其下肢肌肉組織和下肢本體感覺能力都受到重大損失，在下肢截肢后，個(gè)體使用下肢假體的能力取決于殘余肌肉組織的強(qiáng)度。腿部力量與殘肉的長度、截面積成正比，膝下截肢者是指失去了膝蓋以下腿部的人，截肢的程度決定了最終佩戴的人工假肢的要求。腿部肌肉力量的喪失會(huì)對個(gè)體操作假肢的能力產(chǎn)生負(fù)面影響。同樣，研制的假肢重量過大，也會(huì)導(dǎo)致因截肢者腿部力量的喪失而導(dǎo)致其功能下降。

1.2 心理特征

下肢截肢不僅在生理上會(huì)帶來諸多不便，而且在心理上也是一種障礙。為了恢復(fù)肌肉活動(dòng)和回歸社會(huì)生活，對截肢者來說，進(jìn)行體育鍛煉的可能性是非常重要的，包括改善健康、改善身體形象、增強(qiáng)自信、增加成就感和融入社會(huì)的能力。截肢患者，不僅必須忍受因失去肢體而導(dǎo)致的功能喪失，還必須忍受與周圍人不同而受到的社會(huì)歧視。因此，截肢的個(gè)體經(jīng)常會(huì)感受到自尊和自我價(jià)值感的下降，截肢個(gè)體的自我形象傾向于關(guān)注因失去肢體而導(dǎo)致的身體局限性，而不是身體的能力。

1.3 下肢殘疾者游泳的行為特征

1.3.1 下肢殘疾者游泳的行為方式

下肢殘疾者由于身體受限導(dǎo)致的心理問題可以通過鍛煉的方式得到緩和，在研究過程中發(fā)現(xiàn)，下肢截肢的患者如果希望參加游泳等水下活動(dòng)，有以下幾種選擇。①不戴假肢游泳；②使用海灘兩棲假肢；③直接連接到游泳鱔狀的假肢；④在水中穿有踝關(guān)節(jié)的游泳假肢。而現(xiàn)有的游泳假肢在設(shè)計(jì)時(shí)需考慮尺寸、可調(diào)節(jié)性、穩(wěn)定性、材質(zhì)和使用方式的差異性等。只有將這些都考慮齊全，下肢殘疾者才能安全、方便、有效地運(yùn)用假肢進(jìn)行游泳鍛煉。

1.3.2 下肢殘疾者游泳的行為規(guī)律

對于運(yùn)動(dòng)員而言，可能是追求速度，但對于普通人而言，在水中保持身體的平衡則更加重要。人類的游泳運(yùn)動(dòng)與其他水生動(dòng)物相比是非常獨(dú)特的，因?yàn)槿祟悰]有任何適合游泳的特征，如流線型的身體或鰭。取而代之的是，人類利用其四肢大范圍地移動(dòng)和多角度的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，以一種特殊的方法游泳。Swum 團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一款“水下游泳人體模擬模型”SWUM（Swimming human Model）軟件，SWUM 是為人類游泳的力學(xué)分析而開發(fā)的，在SWUM 中，游泳者的身體被表示為一系列21 個(gè)截?cái)嗟臋E圓錐，該工具可以用來分析人類游泳中的各種動(dòng)力學(xué)問題，如游泳形態(tài)差異的影響，關(guān)于游泳速度和身體的絕對運(yùn)動(dòng)優(yōu)化計(jì)算，通過仿真求解，分析人體在水下運(yùn)動(dòng)時(shí)的腿部特征。對自由泳、仰泳、蝶泳等泳姿進(jìn)行比較分析[1]。比如蛙泳時(shí)腿部動(dòng)作可分為4 個(gè)步驟：收腿、翻腳、夾蹬水、停。

而截肢對游泳影響最明顯的是劃水時(shí)身體會(huì)不對稱，如面朝下的自由泳左臂前伸劃臂時(shí)，右臂則會(huì)更大程度地向外劃水。為了彌補(bǔ)左側(cè)殘肢的推進(jìn)力不足[2]，所以使截肢者輕松地走到游泳池，重建對稱性泳姿進(jìn)行游泳，加強(qiáng)殘肢肌肉的鍛煉，是在嘗試截肢者運(yùn)動(dòng)的可及性以及恢復(fù)尊嚴(yán)方面向前邁出的重要一步。

2 基于FBS 模型的下肢殘疾者游泳假肢研究方法和設(shè)計(jì)思路

2.1 FBS 模型概念

FBS（Function-Behavior-Structure）模型是由GERO 等人在1990 年首次提出的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法論，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)領(lǐng)域。該模型強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)品包括一系列基本步驟：“功能”（F）是產(chǎn)品設(shè)計(jì)滿足用戶需求的設(shè)計(jì)意圖或目的；“行為”（B）是用戶與產(chǎn)品間的交互形式，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)如何實(shí)現(xiàn)其功能；“結(jié)構(gòu)”（S）是人工制品及其構(gòu)成組件之間相互的組合、位置關(guān)系，是設(shè)計(jì)的結(jié)果。

2.2 基于FBS 模型的產(chǎn)品開發(fā)流程

基于FBS 模型的游泳假肢設(shè)計(jì)開發(fā)流程如下。

2.2.1 需求確定功能

對患者和醫(yī)護(hù)人員進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，并結(jié)合文獻(xiàn)研究分析膝下截肢人群的生理和心理特征，根據(jù)用戶需求對產(chǎn)品功能進(jìn)行分析，提取關(guān)鍵設(shè)計(jì)要求，得出游泳假肢的基本功能需求，并歸納其所對應(yīng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)，作為游泳假肢的功能設(shè)計(jì)要素。

2.2.2 功能映射行為

從功能出發(fā)，將已確定的游泳假肢功能映射到期望行為（Be）中，將期望行為進(jìn)行評估得到實(shí)際操作行為（Bs），兩者結(jié)合做進(jìn)一步分析。

2.2.3 行為映射結(jié)構(gòu)

對功能行為進(jìn)行分析之后，映射分析出產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析出用戶與游泳假肢之間的交互行為，綜合得出結(jié)構(gòu)模塊，確保設(shè)計(jì)的完整性[3]。

最后，將這個(gè)分析過程進(jìn)行歸納總結(jié)，生成基于FBS 的游泳假肢創(chuàng)新方案，如圖1 所示。該模型為接下來的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了詳細(xì)的參考[4]。

圖1 基于FBS 的游泳假肢設(shè)計(jì)過程

2.3 下肢殘疾者游泳假肢設(shè)計(jì)的FBS 模型構(gòu)建

2.3.1 需求確定功能

識(shí)別用戶需求后，結(jié)合文獻(xiàn)研究和用戶調(diào)研進(jìn)行分析，總結(jié)出四大用戶需求，見表1。

表1 游泳假肢功能需求

1）基本需求。通過患者游泳時(shí)，滿足患者的基本使用需求。首先產(chǎn)品應(yīng)具有基本的運(yùn)動(dòng)功能，可以輔助患者進(jìn)行收腿、蹬腿、鞭腿、打水等運(yùn)動(dòng)，其次作為輔助運(yùn)動(dòng)的醫(yī)療器具，產(chǎn)品需滿足殘疾人在運(yùn)動(dòng)過程中的數(shù)據(jù)收集和智能分析需求。

2）安全性需求。作為可穿戴醫(yī)療器具，游泳假肢在設(shè)計(jì)中最重要的是安全性設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)時(shí)需滿足患者在游泳過程中的安全性需求，如水下呼救感應(yīng)功能，緊急停止功能。

3）易用性需求：該產(chǎn)品滿足患者操控的易用性需求，主要體現(xiàn)在滿足患者在使用過程中的便利性需求，如穿脫方便，便于調(diào)節(jié)，其次體現(xiàn)在人機(jī)交互界面足夠人性化，簡單易懂，清晰明了。

4）情感需求。可穿戴醫(yī)療器具應(yīng)該時(shí)刻關(guān)注患者的情感需求。在使用過程中，其產(chǎn)品的外觀看上去容易讓患者接受，在公共場所暴露假肢進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，尤其需考慮患者的心理情緒；形態(tài)符合游泳時(shí)的力學(xué)原理；材質(zhì)與患者下肢接觸時(shí)是否有不適感和刺痛感，材料在水中的浮力。

2.3.2 功能映射行為

首先，明確用戶需求，根據(jù)目標(biāo)用戶需求確定總功能，完成需求到功能的映射[5]，建立游泳假肢功能模型；其次，根據(jù)需求模塊對功能根據(jù)不同工作原理進(jìn)行劃分，由于游泳假肢的特殊性及復(fù)雜性，在構(gòu)建功能模塊時(shí)，除了考慮其主要的運(yùn)動(dòng)功能外，還需要考慮到控制功能、調(diào)節(jié)功能、智能化功能，一共四大模塊；最后，再根據(jù)已劃分的子功能映射出相應(yīng)的行為（Be）。

其中，運(yùn)動(dòng)功能是游泳假肢的核心功能，我們對該功能進(jìn)行具體的映射分析，首先要對游泳行為進(jìn)行功能拆解，患者使用假肢來進(jìn)行游泳運(yùn)動(dòng)的主要行為有：患者穿戴假肢，假肢為患者提供支撐力幫助患者行走到泳池邊，患者選擇合適的運(yùn)動(dòng)模式入水，最后利用游泳假肢為患者提供助力/阻力，使患者能夠在水中進(jìn)行自由泳、蛙泳等，如圖2 所示。

圖2 下肢殘疾者的游泳行為流程

2.3.3 行為映射結(jié)構(gòu)

針對游泳假肢不同的行為方式，對功能與行為進(jìn)行相關(guān)性分析，一個(gè)完整的產(chǎn)品有著多個(gè)結(jié)構(gòu)模塊，多個(gè)相似的行為模塊可能對應(yīng)著同樣一個(gè)整體結(jié)構(gòu)模塊，如圖3 所示，這樣有利于掌握產(chǎn)品的整體布局，所以在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模塊時(shí)需結(jié)合人機(jī)尺寸充分考慮其合理性，不會(huì)因?yàn)楸姸嗟男袨閷?dǎo)致結(jié)構(gòu)的雜亂。

圖3 基于FBS 模型的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)映射

3 下肢殘疾者游泳假肢設(shè)計(jì)的預(yù)期與展望

游泳假肢主要為膝下截肢的患者提供服務(wù)，對其設(shè)計(jì)與技術(shù)要求體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

針對基本需求，使用游泳假肢的主要優(yōu)點(diǎn)是在游泳時(shí)產(chǎn)生顯著的推進(jìn)力，有助于加強(qiáng)殘肢肌肉的鍛煉和促進(jìn)功能對稱性。并且?guī)椭颊擢?dú)立在水中移動(dòng)，或使截肢者能夠獨(dú)立使用樓梯或梯子離開游泳池。

針對產(chǎn)品的安全性，游泳假肢的使用過程中和人體互相接觸，因此在設(shè)計(jì)時(shí)尤其要注意接受腔的設(shè)計(jì)，既要考慮到假肢在不影響正常游泳時(shí)的舒適度問題，也應(yīng)考慮到下肢殘疾者在游泳過程中殘肢大幅度擺動(dòng)和被水流沖擊時(shí)是否會(huì)導(dǎo)致假肢脫落的松緊度問題。若游泳過程中遇到特殊情況,可通過緊急求救按鈕進(jìn)行呼救,為殘疾人的游泳過程保駕護(hù)航[6]。

針對易用性需求，考慮到用戶有著非常強(qiáng)烈的獨(dú)立心態(tài)，既希望得到關(guān)愛，又希望贏得他人尊重[7]。因此，簡潔的外形、便于調(diào)節(jié)的功能和易懂的操作方法使游泳假肢更友好，可以大大提升用戶體驗(yàn)，增加自信與成就感。

針對情感需求，用戶雖為特殊群體，但是并未脫離當(dāng)今的社會(huì)生活，游泳假肢應(yīng)該關(guān)注患者的情感需求，讓使用者的主體地位得到體現(xiàn)。如在造型方面采用大曲面、大倒角，整體呈現(xiàn)流線型，盡可能地隱藏機(jī)械部件，弱化設(shè)備的機(jī)械感，給人一種親切感，使其向友好型產(chǎn)品發(fā)展，且為那些可能因不戴假體出現(xiàn)在公共場合而感到尷尬的人提供一些安全感。

4 結(jié)束語

綜上所述，文章針對當(dāng)前市場上的游泳假肢的功能形態(tài)單一、安全性欠缺、使用方式的差異性未考慮等等問題，基于FBS 模型創(chuàng)建了游泳假肢模型，生成了一種可水陸兩用的產(chǎn)品新結(jié)構(gòu)，并總結(jié)了基于FBS 模型的游泳假肢的設(shè)計(jì)流程，強(qiáng)化了概念設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)前期過程中的價(jià)值地位，為相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了一種新思路。