服裝人體工學的應用與發展

劉 可

（北京服裝學院，北京 100029）

1 服裝人體工學定義

人體工程學，也稱人類工程學、人間工學，按照國際功效學會所下的定義，人體工程學是一門研究人在某種工作環境中的解剖學、生理學和心理學等方面的各種因素；研究人和機器及環境的相互作用；研究人在工作中、家庭生活中和休假時怎樣統一考慮工作效率、人的健康、安全和舒適等問題的科學。即人成為研究的中心，針對人體工程學可以展開我們的問題及研究。如怎樣可以讓座椅更舒服？在工作中放什么樣的音樂可以讓工作者工作效率更高？什么樣的杯子更符合人喝水時的習慣？等等。為了使人生活得更舒適、心情更愉悅、工作效率更高，我們需要學習人體工程學。人體工程學可以改變我們的生活方式，帶來新的發明創造。如圖1所示，人體工學研究的人在使用電腦時最合適的各種角度和距離。

對于服裝工效學的定義還沒有一個統一的說法，但可以借鑒人體工效學的定義和研究內容來對服裝工效學的概念作一個說明。服裝工效學是運用人體生理學、心理學、服裝材料學、環境科學等學科的知識來設計和制造服裝，以期最大限度的適合人的生理和心理需求；使人、服裝和環境的配合達到最優狀態。服裝人體工學是研究人體特征及服裝與人體相互關系的分支科學，其研究對象是“人—服裝—環境”的系統，從適合人體的各種要求出發，對服裝設計和制作提出要求，使設計盡最大可能地適應人體的需求，達到舒適衛生的狀態。對于服裝人體工學來說，涉及的領域很廣，可包括人體心理學、人體解剖學、人體測量學、環境衛生學、服裝材料學和服裝造型設計學等，如圖2所示。

圖1 使用電腦時的最佳設置

圖2 服裝人體工學相關領域

2 研究目的

服裝人體工學給服裝的設計和制作都提出了要求，使設計盡最大可能地適應人體的需求，達到舒適衛生的狀態。服裝的功能要求與材料選擇相匹配，使其形式更直觀、更豐富、更有操作性。服裝最終要求與人體配伍、對應、匹配、并強調效能業績［1］。

從1935年以來，文胸大小的分級系統是基于胸圍和胸下圍。但是，女性的胸部是一個完全的立體的三維形態，所以基于胸圍和胸下圍來確定文胸大小的分類系統也許是不適當的［2］。所以，可以用VOXELAN 3D激光掃描儀對人體進行三維立體掃描，通過三維軟件計算可以得到女性乳房的寬度和深度，通過因子分析和K－means分析方法得到8個因素對于描述胸部的形狀有影響。開發一個新的決定文胸分類大小的系統，它基于胸下圍和乳房深寬比兩個變量。通過這個文胸大小的分類方法使女性能更加輕松明確的找到適合自己的文胸，這充分說明基于服裝人體工學可以更大限度地達到人類需求。

另一個例子是虛擬的三維人體試衣。為了使服裝更合體，可以采用三維掃描的方式把三維的人體掃描下來，精確的量取人體皮膚的尺寸。根據三維數據測量的尺寸制作服裝樣板，可使得到的服裝更合體［3］。把裸態的人體和穿衣后的人體分別進行三維掃描，再利用三維試衣軟件，得到虛擬狀態下人穿著服裝的狀態，并根據著裝后的狀態觀察服裝的合體度，進一步對服裝不合體的部位進行修改，得到最為合體的服裝。

人體工學就是使人類創造出最大物質文明生產力的同時，創造最適宜的工作或生活環境。研究服裝人體工學的目的就是使人穿著更舒適，更有利于保護人類自身，提升人類某方面的能力。

3 應用現狀

隨著人類社會文明的進步，生活中服裝人體工學的應用比比皆是。服裝人體工學講求在設計中為人提供“幫助”，為設計中“人的因素”提供人體尺度參數，體現其設計目的是為人而不是為產品。在設計中，需要考慮為“產品或物品”的功效提供科學依據，也要考慮“環境因素”提高設計標準。只有考慮到人體工學對設計科學的作用，才能達到設計中方便、舒適、可靠、安全、價值、效率、衛生與環境的要求。

3.1 Speedo“鯊魚皮”泳衣

2008年北京奧運會，菲爾普斯破紀錄的獨攬八枚金牌而震驚世界。一方面得益于自己的游泳天賦，另一方面得益于speedo“鯊魚皮”游泳衣的幫助。鯊魚皮第4代泳衣專門進行了CFD實驗，并在風洞里通過了表面摩擦力測試。CFD是計算流體動力學的英文簡稱，它與風洞通常被廣泛的應用在航空領域。CFD負責設計，風洞負責驗證。為了減少靜態水阻，科研人員采用一種模仿鯊魚皮的材料，通過無縫拼接技術制作，泳衣完全緊貼在人體上，沒有一處縫合處，如圖3所示。特殊的鑲條可將人體盡可能的塑成流線型，從而減少游泳時的阻力。

圖3 speedo鯊魚皮泳衣

Speedo第1代鯊魚泳衣出現在2000年的悉尼奧運會中，成為備受矚目的發明。到2004年的雅典奧運會前，speedo公司又推出了第2代鯊魚皮，在第1代的基礎上面料的表面又加上顆粒狀的小點，進一步減少水阻［4］。根據統計，當年逾8成游泳獎牌得主，都是穿著Speedo泳衣，15人中有13人創造過泳壇世界紀錄。新研制的第2代鯊魚泳衣，可減少4%的水流阻力，號稱是世界上最快速泳衣。

鯊魚皮第4代采用更優異的極輕、低阻、防水和快干性能LZR脈沖面料，包含了美國宇航局提供的航空科技，并因此被稱為“太空泳衣”。在LZR脈沖主材質的表面還覆蓋著一層聚亞安酯材料，這種材質可以為運動員提供更大的浮力。為了配合聚亞安酯增大浮力的作用，鯊魚皮第4代還采用了無縫拼接的技術，在泳衣的胸部、腹部和大腿外側加上特別的鑲條，令水流更順暢地通過泳衣表面［5］。鯊魚皮4代號稱是全球第一款無縫泳衣。為了更好地幫助運動員在水中節省體能，鯊魚皮第4代的腰部增加了類似腰封的設計，這樣不僅可以幫助運動員在水中將最佳姿勢保持的時間更長，還可以幫助運動員節省不少體力。而泳衣背后的拉鏈也被安排在后腰最低的位置，這樣可以把由拉鏈帶來的水阻降到最低。

鯊魚皮第4代泳衣整體功能比第2代鯊魚皮提升10%；比第3代提升5%；起步和轉身時，比第3代鯊魚皮速度快4%。這些信息和數據說明，鯊魚皮泳裝面料通過模仿鯊魚皮的機理組織，得到了較小的靜態水阻，通過無縫拼接技術使泳衣沒有接縫，流線型的設計提高了運動員的速度。這得益于對服裝工效學的研究，通過服裝的設計提高了人的能力。

3.2 滑雪服

滑雪能提高人的肺活量、增強體質，有利于形成良好的心理素質，越來越受到人們的歡迎。滑雪場地天氣低溫多變，為能夠保證滑雪者舒適地運動，戶外滑雪服必須具備防寒、防風、防水、透氣、耐磨等功能［6］。

由于滑雪場地天氣寒冷，為增強其保暖性，須選擇保暖或沖絨材料，導致滑雪服外觀顯得較為臃腫。再加上滑雪運動具有一定的危險性，在制作時要考慮滑雪服的防護性。但滑雪是一項競技運動，需考慮運動的靈活性，因此，滑雪服必須輕便，只有這樣才能極大地減少對人體的壓迫感，提高滑雪運動速度和成績。美國科羅拉多州的蜘蛛人滑雪服公司生產的滑雪服裝中，就有一種具有前瞻性的、輕型的、可撓曲的全新保護材料D3O。D3O材料由英國工程師理查德·帕爾默發明，屬于“膨脹性泡沫”材料的類別。這是一種由黏性流體（viscose fluid）和聚合物（polymer）合成的材料，具有“應變速率敏感性”（strainrate sensitivity）的特殊性能。在正常情況下，材料中的分子間只有很弱的連接力，并且可以自由運動，所以材料柔軟、可彎曲。當突然受外力的沖擊而變形時，就會引起材料中分子間的連接力增強，可自由運動的分子立即被凍結，使材料變得非常堅硬，能吸收沖擊能量，成為具有保護性的盾牌；沖擊結束后，材料又回復到原有的柔軟狀態，這一過程是瞬時的、可逆的［7］。面料在正常情況下和受到沖擊的情況下分子間的連接狀態如圖4所示。

圖4 D3O材料分子間的連接狀態

3.3 宇航服

航天服（spacesuit）是保障航天員的生命活動和工作能力的個人密閉裝備，可防護真空、高低溫、太陽輻射和微流星等環境因素對人體的危害。在真空環境中，人體血液中含有的氮氣會變成氣體，使體積膨脹，如果人不穿加壓氣密的航天服，就會因體內外的壓差懸殊而發生生命危險。早期的航天服只能供航天員在飛船座艙內使用，而現代新型的艙外用航天服有液冷降溫結構，可供航天員出艙活動或登月考察。

近代的航天服是1961年在美國問世的，是由當時美國海軍的高性能戰斗機飛行員穿著的MK－4型壓力服加以改進的。這種航天服由氯丁橡膠涂在布上的防護層和經過氧化鋁處理的強化尼龍的內絕熱層疊合而成，肘和膝關節部分縫入了金屬鏈，容易彎曲。但是，當內壓提高時，航天員難以活動身體。上世紀60年代中期，美國開發了第2代航天服，在封入空氣壓的壓力囊外蒙上了一層用特氟綸混紡材料織成的網，即使空氣壓使航天服整體膨脹也容易彎曲。

第3代航天服是美國實施阿波羅計劃時使用的航天服，可使宇航員一邊步行在遍地皆是巖石的月球表面，一邊彎下身體采取巖石標本，能保護航天員經受強烈的太陽光輻射，即使從天而降的微小隕石砸在身上也不會破損。這種航天服在關節周圍制成伸縮自如的褶皺，大大提高了運動性能。但必須穿著特殊的“內衣”。這種幾乎蓋住全身的網狀內衣，縫入了長達100米猶如意大利空心面條那么粗的盤成網狀的管子，管內流過冷水，吸走航天員身上散發的熱量，并排到宇宙空間，所以航天員穿上后感到十分舒適。穿在內衣外的航天服由內絕熱層、壓力層、限制層（抑制壓力層的膨脹）幾層重疊，最外面還蒙上聚四氟乙烯與玻璃纖維制成的保護層。再戴上強化樹脂制成的盔帽、與航天服幾乎一樣多層的手套，穿上金屬網眼的長筒靴，就形成了完整的阿波羅航天服。阿波羅航天服與過去的航天服相比，根本的差別在于采用了，即將生命保障系統固定在背上，以進行供氧、二氧化碳的凈化和排除體熱。俄羅斯和美國各個階段航天服的性能如表1和表2所示。

可以看出，航天服從笨重不舒適到簡便更易于活動，人類的航天服在一步步的進步，這些都離不開服裝人體工學的理論指導。

麻省理工大學正在研發一個概念化的宇航服（biosuit），它更加合體輕便，不會對人體的活動造成束縛，如圖5所示。Bio－suit雖然是一種理想化的、概念性的宇航服，但是這個雛形并不是憑空想象，沒有科學依據的。

表1 俄羅斯（星晨公司）航天服性能

表2 美國（nase公司）航天服的性能

圖5 Bio－suit概念性宇航服

Dava J Newman通過實驗：（1）根據Iberall的無延伸的線的走向在腿模上畫出這些線條；（2）腿上穿上絲襪，用雙面膠把高模量的黃色芳綸線粘在這些線條上；（3）用聚氨酯把芳綸線交叉的節點固定；（4）將固定好的芳綸線連同尼龍襪從腿模上取下，穿到人的腿上，看膝蓋活動的情況，結果表明，根據Iberall的無延伸的線的走向制作的紙樣，即使所用的材料沒有彈性，膝蓋也可以自如的彎曲［8］。

另有實驗發現：（1）腿部88%的皮膚收縮或伸展都小于30%；（2）膝蓋前下部的皮膚縱向伸展率達到70%，膝蓋周圍的皮膚縱向伸展率達到40%～70%；（3）膝蓋后部的縱向收縮率達到60%，小腿前部表面圓周收縮率達到70%；（4）60%的腿部皮膚有“無延伸”曲線，當膝蓋彎曲的時候，這些曲線沒有延展或收縮；（5）根據“無延伸”曲線做得腿部服裝保證了腿部的移動，即使在服裝為了給皮膚提供7.5kP的壓力時纖維處于緊張的狀態。所以，根據皮膚的延展和收縮性，在皮膚的表層有一些沒有延展的曲線，根據這些曲線制板，制作的服裝在面料沒有彈性的情況下也可以滿足腿部的運動。為了使服裝為身體提供壓力，有時纖維處于張緊的狀態，可能不能為腿部的運動提供過多的彈性，這時，按照這些無延展的曲線制作樣板，就不會限制腿部的運動。

按照該研究結果制作的航天服很合體，除了膝蓋和肘部等關節部位的面料是彈性面料，其他地方的面料是沒有彈性的。服裝在給人體提供必需的壓力的同時，也不會束縛人的活動。雖然bio－suit還是一個雛形，但是它為將來的航天服指明了發展的方向，還是很值得我們去繼續研究和期待的。

3.4 其他方面的應用

服裝工效學對特殊人群的服裝有很大的指導作用，如在童裝中的應用、輪椅使用者中的應用和孕婦裝中的應用等。

服裝工效學可以用來指導兒童服裝的制作。相對成人而言，兒童在生理和心理方面都有其特殊性。其服飾須符合環保要求，既要自然休閑、舒適，又要符合兒童心理、智力活動及兒童體態、生活習慣［9］。童裝要適當寬大，否則會影響血液循環，甚至影響發育，緊身衣褲不僅影響兒童的下蹲跑跳等活動，而且不利于培養孩子自己穿脫能力［10］；盡量不要在領口處設計很長的繩子，以防兒童纏繞住頸部；兒童皮膚嬌嫩并且好動，童裝的面料應盡量選用輕柔、結實、耐洗滌、不褪色、不縮水的面料。有了服裝工效學的指導使得兒童服裝的設計和制作更加合理，減少了兒童受到傷害的幾率。

服裝工效學也應用于孕婦服裝的設計和制作。隨著社會經濟的發展，人們的思想在不斷進步，孕婦服飾已經作為一種標志性裝束，孕婦在追求規范和功能的同時總希望它也能展現自己與眾不同的精神面貌和追求［11］。孕婦服裝在造型上應采用上下一樣寬的H型或上窄下寬的A型。H型具有整體感，身體的凹凸不明顯；A型底擺寬大且具有安全感，形體的變化也不明顯。采用這兩種款型可使孕婦的腹部不凸顯。孕婦裝上衣裁片設計時，由于孕婦的胸圍和腰圍都增大了，尤其是腰圍的尺寸增幅明顯，所以在設計孕婦裝時應增大胸圍尺寸，抬高腰節，前片可比后片稍長。

服裝工效學也應用于其他的領域，比如輪椅使用者服裝、專業跑步服和籃球防護服等。

4 結語

服裝人體工效學作為研究人體與服裝之間的關系，以及通過服裝改善或提高人體能力的學科，使我們的生活更加舒適，工作效率更高。它應用于很多領域，如體育、軍事、科研和生活等方方面面，致力發展與服裝相關的科學理論，加快消化和吸收國際最新科學技術，發展具有自主知識產權的服裝高新技術。學習服裝工效學是非常有意義的，我們應利用現有的知識，加上大膽的設想，不斷更新現有的產品，創造更加前沿的、先進的發明。只有這樣我們才能縮小與發達國家之間的差距，引領服裝科技潮流。

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