基于人類工效學的運動夜跑護膝設計研究

欒熙鵬 （北京服裝學院，北京 100029）

一、人類工效學理論方法

人類工效學是一門研究“人—機—環境”之間互相作用的學科。它是研究人在某種特定工作環境中的心理學、生理學和解剖學的學科；研究任何機器及環境的相互作用；研究在工作、家庭生活和休閑時間怎樣考慮工作效率、人的健康、安全和舒適性等問題的學科①。

針對穿戴產品的設計有服裝工效學。服裝人體工效學的研究內容主要涉及人、服裝及生活、工作環境三方面及三者之間的關系。

（1）人的因素。靜動態尺寸測量、生理指標測量。研究人體舒適指標、耐受限度、作業姿勢和人體負擔研究等生理心理研究。

（2）系統因素。分為材料因素、結構因素、色彩因素。材料因素首先是適合并符合健康、舒適的目標。其次考慮的是材料的功能性，如防風、防水。結構因素是設計應達到合體合理、舒適方便的目標。色彩因素是色彩和圖案對人心理所產生的影響。和諧的色彩搭配能使人賞心悅目。

（3）環境因素。包括內環境和外環境兩方面，內環境指人體與服裝間的環境。外環境指著裝人體的服裝之外的環境。

二、人體膝關節生理需求研究

膝關節是兩端杠桿長周圍骨肉少的結構復雜的大關節。據北京運動醫學研究所對2725例運動創傷病例的分析，膝損傷占25.82%，占各部運動損傷之首②。

膝關節是由脂肪墊、半月板、韌帶、骨骼和滑膜組成的結構復雜的人體重要關節，具體結構如圖1。從生物力學的角度分析膝部護具的設計需求，結合膝關節的結構，損傷機理以及運動防護知識，為研究護膝的實際防護效果提供理論基礎。

圖1 膝蓋部位

（1）髕骨。其是膝關節的核心骨結構，由肌肉控制運動，常規的運動狀態下髕骨不會發生大的位移③。跑步運動中髕骨受到的傷害主要為三點，一是摔倒后髕骨容易受到撞擊損傷。二是當膝關節在屈曲到130°～150°時力量可以達到最佳支撐狀態，當角度大于這個度數，髕骨軟組織受力會更大。三是膝關節做內外旋活動時，膝關節內、外側兩側副韌帶順勢出現松弛，髕骨受到“擠壓”和“捻搓”④。

（2）半月板。其是一塊對股骨和脛骨發生的碰撞起到緩沖作用的半月形的軟骨，以起到對兩塊骨頭的保護作用。半月板是軟骨組織，會隨著人體衰老而逐漸消磨，并且膝蓋受到劇烈沖擊也會導致半月板受損。跑步運動中半月板受到的傷害主要為三點，一是在重力和沖力作用于半月板時易受到戳傷。二是半屈曲狀態時肌肉和韌帶出現松弛，膝關節會失去穩定性，在出現擰轉或內外翻情況時，內側半月板會發生破裂⑤。三是膝過伸或過屈動作也對半月板有損耗。

（3）韌帶。膝蓋內有四條主要的韌帶，內側和外側突韌帶的作用是限制膝蓋的軸向運動，其余兩條前、后十字韌帶的作用是約束膝蓋前后方向的運動。跑步運動中韌帶受到的傷害主要為兩點，一是關節屈曲較大超過130°～150°時內側韌帶纖維松弛，容易產生損傷。二是小腿內旋或者外旋發生外側副韌帶損傷⑥。

三、護膝防護結構需求

防護產品的最主要功能就是對于運動時關節發生的沖擊進行緩沖，保護關節骨骼結構和其他組織不受傷害或者減緩傷害。首先要通過護具減小運動中過程中的膝部的彎曲程度，膝關節的曲度變化過大的情況下部分韌帶松弛，長此以往容易對半月板、部分韌帶、髕骨造成損傷。其次是過屈、過伸、重力太大或者撞擊等過度損壞造成的髕骨、半月板損傷。所以要針對摔倒容易受到撞擊的部位加強防護。最后是膝部彎曲時小腿內旋或者外旋對膝關節產生額外角度受力，長此以往容易造成髕骨、半月板以及韌帶受損。所以要對兩側韌帶進行穩定緊固，從而減小橫向的彎曲扭動。

四、護膝防護材料需求

綜合考慮面料的厚度、透氣透濕性能和親膚舒適度，通過護膝面料的熱濕傳遞等作用，找到人體保持舒適滿意的性能。結合用戶的功能需求對面料三個方面進行優選。將套筒穿戴式和開口調節式護膝的面料所占比重進行分類對比。

（1）護膝面料實驗。從功能性護膝的市場調研數據中，選取套筒式護膝中最常用的幾種材料：尼龍、帶絨竹炭、不帶絨竹炭和棉，以及開口調節式護膝的聚氨酯復合面料，對這些面料的透氣、透濕性，厚度和接觸舒適性進行分析對比。其中厚度d的單位為 mm，透氣性為R，透濕率為WVT，透濕度為WVP，透濕系數為PV。

表1 織物性能對比⑦

（2）護膝面料分析。由上表數據分析得出，最輕薄的是棉質織物，具有最佳的透氣透濕性，透氣性能突出。但棉質織物和竹炭織物彈性很差，作為護膝主要面料彈性不夠。聚酯纖維比尼龍的面料市場使用率高，聚酯纖維因為添加氨綸使其彈性很好，適用于對膝關節進行加固。聚酯纖維的透濕性、透熱性不是很高，所以使其在保證一定的透濕性、透氣性的情況下還具有保溫性，因此選定以聚酯纖維作為護膝設計所用面料。

五、護膝防護的環境需求分析

跑步作為簡單的健身方式，對場合、時間、器材局限少，受到人們青睞。跑步活動的時間、地點雖然選擇自由⑧，但在不太適合運動的地點和時間，比如在馬路人行道或者夜間進行跑步運動更容易因環境導致受傷。

國內目前存在的相關夜間安全隱患如表2所示，由于相關部門監管不當、活動空間缺乏和跑步不文明行為等社會問題，導致許多地區有關夜跑的車禍、失蹤等事件層出不窮。

表2 夜跑安全隱患種類、發生概率以及主要原因⑨

通過對大量夜跑意外傷害事故進行分析，發現在夜間跑步的人群主要是由于未提前規劃好安全路線，過于忽視交通安全甚至占用機動車道等原因導致了安全問題。夜晚光線條件不佳，會大大削弱人的視覺能力⑩。所以可對夜晚跑步人群增加照明、提示或者防摔功能，增加他們的跑步的安全性。對于護膝的設計可以考慮增加3M反光條、熒光涂層等夜晚提示功能，增加對他人的提示。

六、設計原則

通過對膝關節進行人類工效學分析，總結出膝部在運動時的生理防護需求、膝部護具的結構、材料分析以及環境問題和解決方法。

（1）結構需求。首先是要通過護具減少運動中過程中的膝部的彎曲程度，從而防止關節運動中彎曲幅度過大造成的部分韌帶松弛，以及對半月板、部分韌帶、髕骨造成損傷。其次是針對摔倒容易受到撞擊的部位加強防護。最后要對兩側韌帶進行穩定緊固，從而減小橫向的彎曲扭動造成的韌帶、半月板損傷。

（2）材料需求。分別是厚度、透氣透濕性能和親膚舒適性。厚度方面將選擇較為輕盈、薄厚適中的面料；透氣透濕性方面，要求有極佳的透氣透濕性能；在親膚舒適性方面，將基于主觀評價數據，從中選擇綜合評分較高的。通過大量實驗分析得出，聚酯纖維最適合作為運動護膝的面料。

（3）環境需求。環境對跑步的主要的問題是路面的情況和夜間的安全問題。在路面狀況不好的地方跑步容易摔倒，所以需要防摔的功能。夜晚在燈光昏暗的環境下跑步，一是跑步者視覺受限，二是跑者不易被過往行人車輛察覺，所以需要反光材料或者燈光來改善跑步者的視線以及對周圍車輛行人等進行提示及讓跑者看清路況。

結語

通過對膝關節運動時的生理狀態進行分析，得出夜跑運動護膝產品的結構需求、材料需求、環境需求。夜跑運動護膝的設計原則主要為，首先對膝關節進行防磨損保護和防摔倒保護。其次為采用透氣性透濕性以及親膚性能好的材料，并且彈力和厚度也要合適。最后為對夜晚視野和交通導致的安全問題進行分析和設計。從而對夜跑運動護膝的設計提出有效的指導。

注釋：

① 黃河.設計人類工效學[M].北京：清華大學出版社，2016：5.

② 郭杰.膝關節運動損傷的生物力學因素分析[J].體育科學研究，1999(01)：47-49.③ 趙娜.老年患者跌倒的原因分析及預防對策[J].醫學信息，2011(08)：5140.

④ 王建全.骨形態發生蛋白對膝內側副韌帶止點愈合影響的實驗研究[J] . 體育科學，2001(03)：55- 58.

⑤ 郭杰.膝關節運動損傷的生物力學因素分析[J].體育科學研究，1999(01)：47- 49.

⑥ 體育院系教材編委會.運動醫學[M].北京：人民體育出版社，1992：55- 64.

⑦ 胡帆.針對膝骨關節炎功能護膝的研究與設計[D].上海：東華大學，2017.

⑧ 林天皇.在高校開展夜跑運動勢在必行[J]．體育世界（ 學術），2018(04)：170+174．

⑨ 陳思佳，侯佳希，徐銘玄.基于夜跑安全的智能運動背心設計[J].學研探索，2018(02)：130-131．

⑩ 李佳豫．以沈陽馬拉松賽為契機解析城市“夜跑”運動[J].體育世界（學術），2016(12)：52-53．