基于通用設計理念的升降洗碗櫥柜設計

摘要：優(yōu)化差異化用戶使用洗碗櫥柜的人機工程體驗，解決櫥柜高度和使用人員身高非最佳匹配導致身體勞損酸痛的問題。從人機工效學角度提高用戶體驗為目的，為差異化人群提供臺面高度可調節(jié)的產(chǎn)品解決方案。以通用設計發(fā)展為理論基礎，以用戶意識形態(tài)變化、使用需求、身高、行為、認知差異化為設計依據(jù)。融合結構設計、人機工學、用戶體驗三類設計要素，基于身高、習慣、認知3種差異提出了包含多模態(tài)交互、結構造型的洗碗櫥柜設計方案，用JACK進行人因分析驗證。通過設計方案，在JACK人因虛擬仿真中得出的數(shù)據(jù)分析，可以得出以下結論：與傳統(tǒng)80cm櫥柜高度臺面相比，該產(chǎn)品設計方案能普遍優(yōu)化身高高于142cm的男女性在洗碗櫥柜交互的人機體驗。身高越高，人機體驗優(yōu)化越明顯。該設計方案能夠讓高于142cm的身高差異化人群和各年齡段人群使用洗碗櫥柜時都可獲得優(yōu)良的人機工學體驗和升降操作方式友好的交互體驗。該設計方案可為智能化家具的結構設計和提高廚房洗碗櫥柜用戶體驗的創(chuàng)新研發(fā)提供參考。

關鍵詞：洗碗櫥柜；人機工效；用戶體驗；設計創(chuàng)新；結構設計

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A文章編號：1003-0069（2024）09-0125-03

Abstract：Optimize the ergonomic experience of differentiated users using dishwashing cabinets，and solve the problem of physical strain and soreness caused by non optimal matching of cabinet height and user height. From the perspective of ergonomics，we aim to improve user experience and provide product solutions with adjustable tabletop height for differentiated populations.Based on the development of universal design theory，the design is based on changes in user ideology，usage needs，height，behavior，and cognitive differentiation. Integrating three design elements：structural design，ergonomics，and user experience，a design scheme for dishwashing cabinets that includes multimodal interaction and structural modeling is proposed based on differences in height，habits，and cognition. Human factors analysis and verification are conducted using JACK.Through the data analysis of the design scheme in the JACK human factors virtual simulation，the following conclusions can be drawn：compared with the traditional 80cm cabinet height countertop，the product design scheme can generally optimize the humanmachine experience of male and female interaction in the dishwasher cabinet with a height of more than 142cm. The higher the height，the more obvious the human-machine experience optimization.The design scheme allows people with height differentiation taller than 142cm and people of all ages to obtain excellent ergonomic experience and friendly interaction experience of lifting operation when using the dishwashing cabinet. This design scheme can provide a reference for the structural design of intelligent furniture and the innovative research and development to improve the user experience of kitchen washing cabinets.

Keywords：The kitchen cabinet；Ergonomics；User experience；Design innovation；Structural design

引言

隨著日益增長的物質文化水平和精神文明的進一步提高，人們對家具基本的功能需求滿足外，更看重家具在使用過程中所帶來的享受[1]。

近代廚房櫥柜設計從無障礙設計發(fā)展到通用設計，又逐步重視適老化設計的變遷發(fā)展中，體現(xiàn)對人類群體的每一個人和人逐漸變老、身體失能的整個過程的產(chǎn)品用戶體驗設計關懷。而櫥柜生產(chǎn)企業(yè)中出現(xiàn)大量板材式拼裝的非智能化、機械結構范式固化的櫥柜產(chǎn)品設計，在產(chǎn)品設計生產(chǎn)中傾向于固定臺面高度的柜臺產(chǎn)品設計方法。雖然酌情考慮家庭成員廚房主要使用人士的身高情況進行尺寸改良設計。但并未讓身高不同的所有家庭成員都能獲得優(yōu)良的人機工效學體驗。當下智能產(chǎn)品更替的時代，這類固定結構的產(chǎn)品設計策略方式延緩了櫥柜智能化產(chǎn)品的研發(fā)進步、當代大多數(shù)家庭享受智能化櫥柜的進程。大量用戶群體使用洗碗櫥柜時因人機功效方面不合理的結構飽受身體肌肉酸痛、情緒煩躁等困擾。

為避免洗碗櫥柜產(chǎn)品柜臺不可調而導致身高與固定臺面高度非最佳匹配的大量身高數(shù)值差異化人群，以自身舒適度為代價換取的以不良姿勢去進行廚房洗碗櫥柜交互勞動而感受到肌肉酸痛、精神疲勞等情況，以櫥柜產(chǎn)品可升降結構設計為出發(fā)點，基于通用設計和用戶體驗理念進行產(chǎn)品設計創(chuàng)新，通過設計高度可以調整的智能化櫥柜產(chǎn)品和多模態(tài)的交互方式為身高、使用行為差異化的每個用戶提供洗碗櫥柜的人機工程學、交互體驗方面的優(yōu)化。

因此，梳理櫥柜設計相關設計理論，從理論出發(fā)，結合交互應用中常用的現(xiàn)代科學技術，進行重新定義櫥柜產(chǎn)品設計新需求、新產(chǎn)品設計概念和多模態(tài)的交互方式，形成新的設計方案來推敲驗證。

一、櫥柜相關設計理論

（一）通用設計相關理念

1.無障礙設計：無障礙設計理念中一個重要理念是如果能被失能者使用，就更能被健全人使用。設計目標是通過創(chuàng)造更具包容性的環(huán)境和產(chǎn)品，為更多的人帶來便利[2]。

通用設計強調產(chǎn)品的可用性和對功能性障礙使用人群的包容性為主，始于殘疾人權利運動和民權運動。該理念運用中會優(yōu)先考慮到產(chǎn)品的最大使用人群特別是殘疾伙伴群體[3]，而并非對單個人或健全人群而言的最優(yōu)解。

2. 通用設計理念：由“無障礙設計”理念發(fā)展到“通用設計理念”，又名“包容性設計”。通用設計定義為關于產(chǎn)品、環(huán)境、程序和服務的設計，可以讓最大范圍的人群使用，而無需調整或特殊設計。但具體通用設計環(huán)節(jié)中不應取舍掉特定殘疾人群使用部分常規(guī)產(chǎn)品時所必須提供特殊輔助的產(chǎn)品功能模塊。

包容性設計定義為主流產(chǎn)品或服務的設計，用以確保其能為盡可能多的用戶在最廣泛情境下滿足使用需求并易于使用，而無須特別適應或設計。通用設計和包容性設計兩者在觀念重點定義上有少許不同。2020年，人本設計研究院（Institute for Human Centered Design）執(zhí)行總裁Valerie Fletcher女士解釋了包容性設計區(qū)別于通用設計用語的變化，她認為，在多樣性受到挑戰(zhàn)的現(xiàn)代社會，包容性設計更直接地強調了對多樣性和包容性的承諾；更容易被廣泛的觀眾自然理解和接受；包容性設計更正確地表達了一個為真實世界提供解決方案的持續(xù)努力。通用設計理念是以簡單易懂的方法讓設計產(chǎn)品都能最大程度地被所有人使用。強調可用人群的范圍是所有人。依據(jù)人機工效學參數(shù)應用標準，在通用設計理念下的產(chǎn)品尺寸設計環(huán)節(jié)，所運用的相關人機參數(shù)的上下限會先考慮到極端情況，通過確定在相關使用場景上下限情況下產(chǎn)品功能滿足用戶需求，來確保能滿足整個區(qū)間條件的用戶需求。在常規(guī)現(xiàn)有硬件產(chǎn)品中的物理設計變化是應該優(yōu)先考慮的[4]。

如今，更新的定義則更加強調“通用設計”不僅包含主流產(chǎn)品/服務設計，也包含必要的輔助技術，更趨向于涵蓋“主流設計+輔助設計”以提供最大準入與包容，但無法包容全部人群，總有一部分人需要特殊的設計。而這些特殊設計總體上會提升產(chǎn)品與服務的“可及性”（accessibility）與“包容性”（inclusivity）通用設計原則的相關演進：從有形包容到無形包容。布法羅的Edward Steinfeld在其書《通用設計——包容性環(huán)境》中提出了8點通用設計目標，即合身、舒適、察覺、理解、健康、社會融合、個性化、文化適宜性。8點分別具體表現(xiàn)在適應各種體形和能力；將需求保持在身體機能的理想限度內；確保（產(chǎn)品）使用的關鍵信息易于獲得；使操作和使用的方法直觀、清晰、明確；有助于促進健康、避免疾病和預防傷害；以有尊嚴和尊重的方式對待所有群體；包含選擇機會和個人偏好的表達；尊重和加強設計項目的文化價值及社會和環(huán)境背景。這些目標并不涉及具體的研究方法，但明確了通用設計應該在多個維度上努力的方向[5]。

（二）中國洗碗櫥柜人文分析

每個國家和地域的文化不同，僅以中國國情進行分析。在中國的廚房勞務場景中，大多以老人、婦女、青少年為主要角色人員，在廚房中進行家庭勞務活動，尤其與洗碗櫥柜進行大量交互。具體原因總結出以下幾點：1.與中國舊時代男尊女卑的觀念關系影響有一定關系，導致部分家庭男性對廚房勞作意識薄弱，更注重工作養(yǎng)家方面。2.整體上看，老人、婦女和青少年身高較為接近，而成年男性和三者身高普遍又有較大差距，在通用設計理念中，櫥柜臺面高度應優(yōu)先確保所有家庭成員所對應的產(chǎn)品可用性的下限，即老人、婦女、青少年中身高最低的使用人群。3.廚房洗碗櫥柜臺面高度固定，且臺面高度和大量男性身高高度所對應的舒適臺面高度差較多，導致稍長時間在廚房勞務過程中形成較多肌肉酸痛和痛感，影響男性對廚房勞務的體驗和評價，一定程度上導致男性不愿在廚房長時間進行勞務。以上3點綜合導致了中國國內男性較少參與廚房勞務的現(xiàn)象產(chǎn)生。

隨著時代發(fā)展，男尊女卑的舊觀念逐漸被平等合作觀念取代，家庭觀念中人人平等、男女合作、共同分擔家庭勞務的觀念愈發(fā)受到推崇，輪流制和共同參與形成新的風尚主流。隨著現(xiàn)代觀念的普及弘揚，越來越多男性參與到廚房勞務中。但洗碗櫥柜產(chǎn)品人機尺寸與男性身高所對產(chǎn)品最佳人機尺寸有明顯差距，導致男性在廚房長時間勞務飽受人機不合理所帶來的身體疲勞和疼痛以及疾病。

（三）洗碗櫥柜設計現(xiàn)狀

關于傳統(tǒng)結構固定的洗碗櫥柜產(chǎn)品臺面高度設定流程，一般情況下是通過在生產(chǎn)環(huán)節(jié)前家裝工作人員到實際場地測量所需生產(chǎn)尺寸，與客戶溝通確定定制櫥柜臺面設計高度。這類結構固定的櫥柜臺面高度初始定位為80cm，洗碗櫥柜高度的確定由家庭成員的具體情況和意向在此基礎上進行加減調整。由用戶決定臺面高度設計固定數(shù)值，這種設計師與用戶的關系為“與用戶共同設計”的方式，其臺面高度參數(shù)決定的主導因素是用戶主要考慮到家庭本身主要的廚房櫥柜使用人是誰或身高較低的使用人是誰，結合標準設計參數(shù)進行臺面高度的設計落地，設計生產(chǎn)后不可改變，其定制參數(shù)最終責任方為消費者。這類櫥柜產(chǎn)品在一定程度上，是以通用設計、包容設計理念為設計基礎。但在使用過程中，身高差異化的家庭成員們，在使用過程中會因固化高度產(chǎn)品的臺面高度非人機參數(shù)最佳范圍，而在與洗碗櫥柜長時間交互的過程中感受到身體各部位不同程度的不適或痛感。

（四）洗碗櫥柜設計研究

1.人機尺度標準：理想情況下廚房作業(yè)過程中人機尺度的4個標準為不踮腳、不累腰、不累手、不碰頭。安裝櫥柜能將空間進行模塊細分，提供結構支撐，從而能擺放更多物品，節(jié)省出許多家庭空間，給使用者帶來便利。但如果櫥柜尺寸選擇不當，對使用者健康非常不利，過高會令人肩膀疲累，過低則會令人腰酸背痛，因此櫥柜尺寸的選擇非常重要。

2. 尺寸設計原則：產(chǎn)品尺寸設計中，依據(jù)應用人體尺寸百分位數(shù)的通則[6]，界定產(chǎn)品高度上限或下限時，只需要一個人體尺寸百分位數(shù)作為尺寸上限值或下限值的依據(jù)，稱為Ⅱ型產(chǎn)品尺寸設計，又稱單限值設計。只需要第50百分位數(shù)作為產(chǎn)品尺寸設計的依據(jù)，稱為Ⅲ型產(chǎn)品尺寸設計，又稱平均尺寸設計。李銀霞等人提出洗盤時最優(yōu)操作臺面高度對比女性和男性肘高平均分別約低4cm和8cm[7]。肘高計算公式：肘高=0.620×身高-0.23cm[8]。周恩雯等人通過實驗得出身高、臂長、肘長、腿長均對被試者認為的最舒適操作臺面高度有一定影響，且身高對的影響系數(shù)最大，KMO檢測值達到0.968.而臂長、肘長、腿長對最舒適高這一變量的KMO檢測值分別為0.551、0.554、0.573，均大于0.5小于0.6，說明變量間存在相關性，相關性不大，后者3項指標可不納入設計參考數(shù)值計算參數(shù)。因此，后續(xù)JACK人因實驗以人員的肘高為主要參數(shù)計算最佳臺面高度，進行相關人因仿真實驗。

3.智能交互原則：根據(jù)通用設計中八點目標為評判標準，智能廚房洗碗櫥柜的交互方式應該是多通道的，滿足不同人群的需要。對剛接觸智能產(chǎn)品升降臺面算法功能、對洗碗池臺面人機最佳高度并不熟悉的使用者來說，簡單的參數(shù)設定就是非常友好的交互，如自己的身高。參數(shù)信息輸入方式也可以多樣，如觸屏輸入、語音輸入、不同設備端之間信息交互傳輸所需的參數(shù)信息來提供便捷、減少調節(jié)臺面高度環(huán)節(jié)人機互動所需的認知、時間和具體步驟。此外，部分用戶群體因自己的差異化原因如自己獨特的操作習慣、個別特殊場景對臺面高度的額外要求等，對其身高所對應的最佳臺面高度并不滿意，除了設定最佳臺面高度相關的產(chǎn)品交互邏輯以外，還應添加個性化高度設定，如“降低4cm”“升高5cm”等多通道交互邏輯。

二、智能升降洗碗櫥柜設計

（一）設計定位

1.明確應用領域：將通用設計應用領域為家庭場景中的洗碗櫥柜產(chǎn)品。2.定義用戶范圍：整個家庭成員中身高大于或約等于142cm的人員。適用于身高142cm以上的全部家庭成員，有利于調整到臺面高度與肘部高度接近8cm左右，通過合理的臺面高度緩解身高高于人需要彎腰、下蹲、駝背等需要調節(jié)自身身體達到某種不舒服，但卻因此才能達到和洗碗櫥柜共同形成滿意的交互結果的情況所帶來的乳酸堆積過多、肌肉疲勞、肌肉勞損等不良情況。參考人機工效學中各部位活動的舒適范圍角度區(qū)間，合理且舒適的姿勢才能使用給使用個體長期勞作減少身體肌肉疲勞度和精神疲勞，達到更好的用戶體驗。

3.用戶特征：具體成員在身高數(shù)據(jù)、認知能力、與洗碗櫥柜交互習慣、作業(yè)姿勢存在差異性。4.構思內外因素：在概念設計中考慮到通過對“物”即對洗碗櫥柜事物內外部因素，內部因素包括機械運轉結構、管道布局，外部因素包括智能交互方式、產(chǎn)品個性化開發(fā)和其他功能模塊化櫥柜組合可行性。外觀造型設計簡約，便于企業(yè)對結構原理分析理解，在此基礎上更自由地進行設計創(chuàng)新。

（二）設計策略

1.柜體功能模塊化

（1）和將烹飪、切菜、洗碗?yún)^(qū)集成的智能升降廚房櫥柜相比，該設計方案更模塊化。模塊機械運動的受力計算集中于該產(chǎn)品洗碗功能模塊本身，避免了鑲嵌在墻體或受力分攤到其他功能如切菜、烹飪等模塊的櫥柜結構中的情況。更便于廚房不同功能區(qū)域的櫥柜個性化單獨研發(fā)和裝配，同時便于單獨移動、安裝、檢修、維護。傳統(tǒng)洗碗櫥柜結構主要包含柜體、臺面、水槽、柜門，達到使用要求還需要冷熱進水管、排污管等配件的安裝組合。為滿足該產(chǎn)品包容性和優(yōu)化人機工效學方面的用戶體驗需求，需要對產(chǎn)品附加可調整臺面高度的新設計需求。重新考慮產(chǎn)品在可升降需求上所需結構的功能模塊，包含轉機、齒輪、柔性齒條。該升降功能模塊需要在產(chǎn)品運行過程中完全不影響其他功能模塊的正常使用。（2）因此，在內部結構空間布局上需要有一定考慮，包括產(chǎn)品整體重心位置和整體結構安全性的問題，產(chǎn)品重心需盡量位于產(chǎn)品中心區(qū)域。排污管道下半部分需要設計成可伸縮波紋水管，為確保波紋水管下端和接地排污管道銜接緊密，采用波紋水管下端安裝重物環(huán)的方式確保該水管下端接口始終與接地排污管道相連，縱向上不發(fā)生任何位移，避免漏污水風險，也保留接地排污管道和外界可以交換空氣，若發(fā)生堵塞情況，也能及時從底部流出發(fā)現(xiàn)問題解決，避免櫥柜柜體排污管道完全封閉后污水堆積上溢至臺面的糟糕情況。（3）由于冷熱進水管是軟管且對產(chǎn)品升降結構系統(tǒng)討論影響可以忽略，通過后方留出條形孔槽即可使留有一定余量長度的非固定冷熱進水軟管，伴隨柜體上下部分整體運動時進行相對運動完成進水軟管結構的適應性變化，因此，暫不納入柜體升降結構考慮范圍。

2.升降高度計算方式

洗碗櫥柜臺面高度限定：臺面的升降高度尺寸設計中，臺面降至最低位80cm，升至最高位110cm。可滿足絕大多數(shù)人群得到最佳臺面高度體驗。80cm是基于廚房櫥柜普遍臺面高度為參考，110cm是基于男P99所對應的最佳臺面高度。

（1）柜體升降交互方式：交互方式為用戶從左側柜邊預設觸屏區(qū)域內進行向上或向下的緩慢滑到理想臺面高度或輸入自己身高數(shù)值，櫥柜上部分結構整體以1cm/秒的速度勻速上升或下降直到達到目標臺面高度，轉機停止，整體結構達到穩(wěn)定。通過簡易的數(shù)據(jù)代入到系統(tǒng)內置的關于身高對應臺面高度的算法中，輸出相應臺面高度結果，系統(tǒng)以此結果進行反向計算整體結構如何調整高度。關于不同用戶輸入自身的身高數(shù)值，柜體所具有的算法有兩種：（2）柜體高度初始算法為：原來臺面高度=底部轉軸高度+齒輪旋轉時間×齒輪轉速×法向+齒條上下中心圓間距+齒條上部分中心圓到臺面的間距。（3）柜體后續(xù)調整算法為：目標臺面高度=原來臺面高度+齒輪旋轉時間×齒輪轉速×法向。

這樣可以直接判斷出所需升降的方向和具體時間。系統(tǒng)就可以使轉機帶動產(chǎn)品上下結構勻速運動，直到時間結束，形成對應的臺面結構高度。

3.人機交互方式

（1）考慮到老人、小孩一類容易有認知障礙的人群，直接在交互屏幕上手動輸入或語音交互過程中輸入身高數(shù)值和性別并確認，系統(tǒng)將臺面升降到所以配的最佳臺面高度。（2）除了輸入自己個人參數(shù)系統(tǒng)匹配出最佳臺面高度以外，用戶可通過與交互屏自然行為觸摸、滑動、直接輸入臺面高度數(shù)值的方式進行智能化臺面的升降。臺面升高降到具體數(shù)值，可通過長期使用不斷找到自己的最佳舒適高度或按照使用推薦記住自身最佳舒適高度。或嘗試新的平臺高度作為娛樂消遣。該交互方式在用戶自己洗菜洗水果和洗鍋碗瓢盆等由于自身勞務姿勢習慣、身體特征等因素在不同使用場景中有特殊的臺面高度需求通過用戶自身經(jīng)驗總結也能進行差異化滿足。

（三）設計方案

最終得出洗碗櫥柜產(chǎn)品設計方案如圖1所示。升降結構具體原理如下，采用轉機放置中間靠背面位置，通過齒輪、轉軸和齒條的配合完成產(chǎn)品上下模塊的相對移動。通過固定上下方轉軸位置，讓轉機發(fā)動帶動齒條運動，從而完成下方齒輪轉軸帶動兩側齒條，繼而帶動且限制上方齒輪轉軸的運動。外部兩側柜壁內嵌的金屬齒條受到齒輪傳動的影響，上半柜壁所連接的洗碗櫥柜整體上半結構垂直向上地運動。上半櫥柜結構包含柜體、臺面、洗碗槽、排污管、內嵌齒條，下半櫥柜結構包含轉軸系統(tǒng)、轉動機、齒條、柜體、接地排污管道。 該設計方案通過重心趨中心化和兩側點位同時升降具有較好的產(chǎn)品穩(wěn)定性。

（四）櫥柜的JACK人因分析

1.實驗準備：對于成年人數(shù)據(jù)庫中采用男P99、女P1的身高數(shù)據(jù)進行設置兩個虛擬角色模型在JACK[9]中進行成年人身高最大值、最小值在與洗碗櫥柜交互的人機工學測試。以為最佳升降臺面高度產(chǎn)品和不可調節(jié)的臺面高度80cm產(chǎn)品相比，身高百分位P99上限和下限P1區(qū)間整體人群在產(chǎn)品交互中JACK人因工學分析能展示出新產(chǎn)品人機功效方面的優(yōu)勢。驗證該產(chǎn)品概念設計可行性。

在文獻研究中，未發(fā)現(xiàn)人與櫥柜交互過程中的人屈膝、下蹲、彎腰過程中人的關節(jié)組相關的參數(shù)變化方程組以及具體相關參數(shù)。因此，采用模糊分析法對人體在自身身體姿勢調節(jié)過程中的彎腰、彎背、屈膝3種與肘高變動相關行為按先后順序進行調節(jié)。參考周恩雯通過動作捕捉實驗研究得出的各關節(jié)在烹飪時轉動的關節(jié)角度舒適范圍[10]來對肩部、肘部、手部進行角度調節(jié)。盡量使得調試后每個人物肩部、手部、肘部角度都在舒適區(qū)間。而通過腰、背、膝的角度調節(jié)來滿足使用洗碗櫥柜所需保持的靜態(tài)姿勢。

2.實驗過程：使用JACK人因分析軟件，采用ANSUR數(shù)據(jù)中男百分位數(shù)P99和女百分位數(shù)P1的身體數(shù)據(jù)，分別對其身高的理想臺面高度交互時身體數(shù)據(jù)評估和標準離地面80cm高的臺面交互時身體數(shù)據(jù)評估。具體參數(shù)如圖2所示。圖3為JACK軟件中仿真場景。

3.數(shù)據(jù)分析：通過人體靜態(tài)強度測試、下背部分析、OWAS 工作姿勢分析得出的數(shù)據(jù)得出以下結論：（1）和固定80cm臺面高度相比，該產(chǎn)品可升降最佳臺面高度會帶給身高差異化的使用者更好的人機交互體驗，OWAS評估均為良好。（2）當實際臺面和用戶身高最佳臺面高度差距越大時，腰背、臀部、膝蓋、腳踝所受壓力逐漸增大，OWAS評估逐漸變低。可得出99%有效人口數(shù)據(jù)范圍的成年男女性都使用可升降的洗碗櫥柜臺面場景下，可有效地使用洗碗櫥柜人機工學體驗，使背部、腰部、臀部、大腿肌肉有更好的舒適感。

結論

該設計方案在洗碗櫥柜使用交互體驗方面對身高差異、使用習慣差異、交互認知差異的人群具有更好的包容性和通用性。可以為不同身高的人尤其是高個人群提供更友好的人機工效服務。該方案物理結構尚處于概念設計階段，有諸多不足和待實踐和可完善的地方，其設計理念和結構功能模塊設計可為智能洗碗櫥柜交互方式和結構創(chuàng)新設計提供參考借鑒價值。

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