折疊式仿生自行車頭盔設計研究

張睿 劉宇治

關鍵詞：折疊式 仿生 自行車 頭盔 產品設計

引言

自行車頭盔是用于城市居民騎行安全防護的產品，其質量關乎騎行者的生命安全。由于頭盔佩戴者頭形差異較大，佩戴主觀感受難以統一，國內外頭盔設計長期存在佩戴適合性差、佩戴穩定性有限及佩戴舒適性不足的難題，給佩戴者帶來了安全隱患。因此，有必要從實際出發，參照仿生學知識，優化設計自行車頭盔結構。產品形態仿生設計以其生動形象的造型讓產品具有強烈的情感色彩，并在使用過程中帶給用戶趣味化的體驗，使用戶在高壓狀態下的生活得到放松，極大滿足了用戶期望從產品上獲取溫暖的心理需求，符合工業產品設計“以人為本”的發展趨勢。

一、城市自行車頭盔市場現狀分析

（一）國際品牌主導國內市場

目前，市場上較為常見的自行車頭盔多為來自北美和歐洲的知名品牌，如閃電、TREK、GIANT、BELL、GlRO和KASK等，價格均為干元以上。國產品牌以GuB為代表，價格區間在200元至500元。還有一些山寨產品，價格在幾十元到百元不等。在山地車騎行運動發燒友這個群體中，90%以上的用戶都選擇購買國際頭盔品牌，因為這些產品大都通過了歐洲、美國和澳大利亞（分別為CE、CPSC和AS/NZs標準）三大市場的自行車頭盔安全認證，質量有保障，其所用材質和安全性設計要高于國產品牌及山寨產品。有些高端頭盔產品更添加了智能導航、遠程控制等功能。面對國際品牌強大的競爭力和國內低碳出行的倡導，中國城市自行車頭盔的自主設計任重而道遠，如圖1、2。

（二）自行車頭盔使用率不高

以筆者生活的城市為例，路上隨處可見自行車騎行者，卻幾乎沒有人佩戴頭盔。據不完全統計不佩戴頭盔騎行者多達70%;佩戴頭盔騎行者只占10%左右，主要為山地車騎行運動者;曾經佩戴過頭盔的騎行者約占20%。根據對這些群體的隨機訪談結果來看，自行車騎行者不佩戴頭盔的原因主要有：

1.根本沒有要佩戴頭盔的意識。

2.騎行路程較短，沒有必要佩戴頭盔。

3.啟己騎車技術好，不會出現意外。

4.頭盔佩戴麻煩。

5.長久佩戴頭盔容易發悶發熱。

6.啟己本來想戴，看大家都沒戴，就不戴了

7.形式感太強，沒有必要。

8.頭盔不方便攜帶。

自行車騎行者戴頭盔現象之所以少見，是因為公眾主動預防傷害的意識較弱。醫學研究發現，騎行時佩戴自行車頭盔可防止頭部受傷的概率達85%，同時也可以大大降低損傷程度和事故死亡率。頭盔能夠對最初的沖撞起到緩沖作用，降低沖擊力度，以及顱骨骨折和腦出血的可能性。因此，頭盔應成為自行車騎行者的必備品。

（三）自行車行車安全教育不足

為了提升城市交通安全系數，國內很多城市都對道路進行了重新規劃和建設，如將機動車道和非機動車道隔開，以及建設專用自行車道。但仍避免不了機動車占用非機動車道的現象，也可見自行車騎行者為圖方便快捷，漠視交規，在機動車道上飛馳的現象。建設有效的非機動車行車安全宣傳和監管平臺，包括騎行時佩戴頭盔的提示，也是十分必要的。

二、城市自行車頭盔設計要素解析

（一）種類及造型

按用途分，自行車頭盔可分為山地盔、公路盔和競賽盔三種，且多為橢圓形。適于普通城市自行車的頭盔在種類造型上必須滿足以下幾點：（1）圓形，更加貼合亞洲人頭形，佩戴緊湊，可避免頭部兩側夾持感;（2）輕便，便于拿握、佩戴和懸掛，但頭盔重量受結構和材質的影響，設計時需要根據用戶需求，結合產品成型工藝進行優化;（3）滿足對用戶后腦的保護。人類后腦很脆弱，極易受到傷害，對頭盔覆蓋后腦的部分設計要求更高，也是區別頭盔價值所在。

（二）結構及材質

自行車頭盔的結構設計主要從以下幾部分入手：

1.帽殼——覆蓋于帽體之外的薄膜，與帽體相貼合，可分散撞擊力，材質主要有聚碳酸酯（PC）、滌綸樹脂（PET）和聚氯乙烯（PVC）真空成型。

2.帽體——頭盔的主體，設計須符合頭部結構，符合國際認證安全標準，材質主要有合成樹脂（EPS）和聚氨酯泡沫塑料（EPU）兩種。一體成型的頭盔帽殼和帽體間沒有空隙，韌性和強度也更好。

3.束鎖裝置——將頭盔固定在用戶后腦部，增強頭盔穩固性。束鎖裝置應具有調節作用，以協調帽體本身尺寸和頭部的貼合程度，因此，可在保證產品整體結構協調的基礎上，在頭盔后腦部加入可調節的彈簧帶，并根據產品成型工藝仔細推敲。

4.帽帶及扣環——帽帶與臉部皮膚緊貼，材質以柔軟、不傷皮膚的尼龍為主。扣環的主要作用是扣緊帽帶，防止頭盔晃動。設計時應避免尖銳棱角，考慮系扣和解扣時的便捷性。

5.氣孔——通風導流。其位置和大小均對頭盔的舒適度有很大影響，設計時需要結合產品整體尺寸和造型確定最優方案。

6.村墊——由于人體頭部結構不盡相同，在設計時可在帽體內部不同區塊增加可移動調整的襯墊，以補足帽體與頭部之間的空隙，使頭盔佩戴更加舒適。材質一般選用透氣性強的棉或發泡物。

三、折疊式仿生自行車頭盔的創新設計

（一）市場定位及設計概念

根據市場分析可知，普通城市自行車頭盔設計應在保證品質和工藝的基礎上，不盲目追求高端智能的產品功能，而真正從大眾用戶需求出發，應用仿生學原理，設計真正符合大眾需求的自行車頭盔產品。而在設計的課題中，往往在開始階段只有極少量的信息可供參考，更多的是依靠個人的判斷以及做出的種種假設，并且總是有不止一種正確答案。本次設計的目的是設計一款實用、堅固、美觀、輕便的城市自行車騎行頭盔，根據自行車頭盔結構標準，選擇合適的生物原型，并提取其特征點，進行仿生產品創新設計的路徑探索。仿生頭盔設計抗沖擊系數更高，整體重量比同類城市騎行頭盔更輕，風阻性更低，透氣性更好。設計過程中主要運用形態仿生和結構仿生兩種方法。生物原型為穿山甲和蜂巢。

（二）仿生原型分析

穿山甲全身覆蓋由角蛋白組成的菱形鱗片，鱗片相互堆疊，由脊背中央向身體兩側縱向排列，呈剃刀狀，這種順序排列的鱗片能防止穿山甲在打洞時泥土黏附身體。受其他生物攻擊時，穿山甲的身體能夠蜷成球狀，堆疊的鱗片在每個節點處相互咬合，使穿山甲身體外殼更加堅硬，有效防御外敵入侵，如表1。穿山甲流線型的身體外形和自行車頭盔的基本造型相吻合，可作為頭盔帽殼的設計參照物，設計特征提取為堅硬的材質、合理的物理結構以及優美自然的形態。

自行車頭盔的帽體為產品主體部分，對強度和韌性有很高的要求，此處提取蜂巢的結構形態進行簡化處理，使其更加符合產品形態設計要求。蜜蜂在長期的演化中具有了制造蜂巢的本能，而且工蜂總是用六棱柱形的單元結構制作成蜂巢。研究表明，這種穩固的結構重量輕，剛性大，隔熱性好，如表2。將此結構運用于頭盔帽體內襯，能夠使產品更加美觀舒適。

（三）產品創新點

1.簡化及應用生物原型特征

單純的一個生物不會引人注意或者引起情感共嗚，但是將其與產品聯系起來就會有豐富的聯想空間并能夠產生豐富的情感，將其衍生為產品也會成為迎合大眾的設計，同時會增強作品的個性化。通過對穿山甲體態特征的研究與分析，并且對自行車頭盔產品造型形態的研究發現，頭盔帽殼的外部輪廓能夠詳細表達穿山甲獨特的形態特征，給用戶最直觀的設計感受。由于穿山甲身體造型多為自由曲線，為設計出貼合人類頭部外形特性的產品，這里主要選取穿山甲背脊主特征線用于控制頭盔形態的主要風格，從整體上顯性有效地表明產品形態特征，如圖3。頭盔內襯造型則由蜂巢生物特征出發進行聯想，采用六棱柱形的網眼單元結構，使產品既輕便透氣，又堅固耐用，如圖4。

2.便攜折疊式設計

為使頭盔便于攜帶和收納，可折疊自行車頭盔具有極佳的靈活性。設計時，主要參照穿山甲鱗片相互堆疊的菱形結構，頭盔能夠以雙耳部位為軸縱向折疊和展開，如圖5。值得注意的是，如果折疊組塊過多，可能會影響組件之間鏈接的穩定性，也可能會引起頭盔內襯斷裂，從而導致使用安全隱患。因此，在后續改良設計中，還需要應用力學原理對產品結構進行計算和評估。

3.產品結構細節及功能

頭盔產品的主要目的是拯救生命和防止創傷性腦損傷。在正確佩戴的情況下，頭盔應當遮擋以眉毛為基線以上的頭部范圍，并對后腦形成保護。除了上述仿生設計的部分外，本次設計在頭盔前部眉心位置設計了固定環和折疊卡扣，用于固定頭盔打開后的造型以及佩戴在頭部的位置。帽體兩側的透氣孔主要起到通風和確保頭部干爽的作用。警示燈用于夜間騎行時提醒來往車輛注意和騎行者保持安全距離，警示燈的開關則設計在帽帶上，便于操控。在帽帶下顎處設計固定扣環，并在側耳處安排調節器，以確保頭盔佩戴時不會左右搖晃，如圖6。

4.產品CMF

（1）顏色：本產品從創新設計視角出發，發現用戶的細節需求，提供創新的產品色彩定義及產品圖案設計，通過高光區域顏色減淡和暗部顏色加深處理增加對比度。并針對不同性別、性格用戶提供豐富的色彩選擇，對不同色彩賦予不同的象征意義。比如，黑色代表沉穩，灰色代表時尚輕便，綠色象征環保等，如圖7。

（2）材質與工藝：此次頭盔帽體將采用一體化注塑成型工藝，能夠使產品更加堅固耐用，注塑成型的成型周期短，特別適合大批量生產。外殼采用可發性聚苯乙烯（EPS）材質，防潮性、絕緣性和保溫性好，亦可使產品質量輕，便于佩戴。傳統頭盔內部采用泡沫、聚乙烯等實心材料作為緩沖結構吸能結構.折疊式仿生自行車頭盔內襯采用3D速干材質和多層開孔結構工藝，使騎行更加舒適。帽帶材質考慮以尼龍為主，配以十字編織工藝，既滿足用戶保護皮膚的要求，也起到裝飾的作用。

結語

本次折疊式仿生自行車頭盔設計是為了彌補同類高端品牌和地段產品之間的斷層，解決大多數城市居民騎行安全問題。雖然設計還存在許多瑕疵，但它是在理解人、產品、自然和社會的關系的基礎上做出的創新嘗試，是以為符合大眾安全性需求為設計出發點的，能夠為研究類似產品和相關設計生產實踐提供參考。日后，在時刻關注市場發展趨勢的基礎上，在設計過程中以用戶需求為出發點，掌握產品創新設計的基本原則和一般規律，還能夠進一步找到解決問題的方法，設計出符合要求的自行車頭盔產品。