基于人機工程學的手持刀具創新設計研究

柳州工學院設計藝術學院 莫紅蕾

柳州梵貓設計有限公司 黃洋（通信作者）

深圳市道集工業設計有限公司 龍瑞康

人機工程學是應用系統工程的觀點，從系統的高度，將人、機、環境看成是一個互相作用、相互依存的系統[1]。手持刀具作為人們的廣泛日常工具，在使用的過程中考慮人、機、環境這三個因素之間的關系，并在其中尋找到某一個平衡點。手持刀具的手柄尺寸、結構、形態、材料等都會影響使用者的操作與舒適度，提高手持刀具的可用性、舒適性具有重要的意義，可以從人機工程學的角度對手持刀具進行創新設計，使手持刀具更為符合操作者的使用，利于人們的健康與安全。

1 人機工程學概述

人機工程學不僅僅研究人的行為，也研究并分析人體感覺器官的生理變化與對人的影響，同時分析勞動工作時的疲勞程度、疲勞點、心理因素等對人的影響。人機工程學在設計學領域的應用十分廣泛，通過人機因素的研究，將產品賦予人性化，給用戶帶來良好的使用效果，提升用戶使用產品的舒適性與安全性，讓使用者擁有良好的體驗。許多產品設計都需要通過人機工程學的分析與研究，進行調整與修正，使產品能夠適應人體的客觀要素，滿足不同情況下不同人群的使用需求。

2 手持刀具設計的現狀

手是人體進行操作活動最好的器官之一，手握式工具需要頻繁地與人手進行接觸和交互[2]。手持刀具的基本功能是可以切開某一樣物品。手持刀具主要分為兩類：一類是掌握式刀具（見圖1），另一類是指握式刀具（見圖2）。在生活中掌握式刀具十分常見，如水果刀、菜刀等，此類刀具的主要特征是由手掌各部分肌肉均參與抓握。掌握式刀具的操作一般會由腕部肌肉或者上臂肌肉完成，掌部肌肉主要具有保持工具姿勢的作用；而指握式刀具在生活常見的是剪刀、美工刻刀等，指握式刀具是以指球肌作為主要工作面，輔助掌部和前臂其他肌肉共同來完成動作，指握式工具工作時主要表現為手指的運動，肢體活動范圍比較小，但工作精度較高[3]。

圖1 掌握式刀具

圖2 指握式刀具

經過調研發現，目前市面上出現了許多手持刀具的款式，但是從人機工程的角度去分析看，目前的產品仍然存在一些問題：一是，刀具的刀柄設計不符合人體掌心的弧度，在使用時會因為來回的切割運動對掌心產生摩擦，長期使用會感到疲累或者受傷；二是，掌心與刀柄之間不留間隙，手柄與掌心完全貼合，這樣能增加掌部的摩擦與壓力，使手部感到不適，易產生疲勞；三是，局部細節沒有考慮手指的受力，導致在切割運動過程中容易產生疲勞或損傷。

3 基于人機工程學的手持刀具創新設計意義

生活中有各式各樣的手持刀具是我們的生活中不可或缺的一部分。同樣，人機工程學也是我們生活中不可或缺的一部分，它圍繞著我們的產品設計，不斷地進行試驗、改良，因此基于人機工程學的手持刀具創新設計具有重要的意義。一是，將人機工程學應用于手持刀具創新設計，使手握工具不僅僅滿足功能與審美上的需求，同時遵循“機宜人，人適機”的原則；二是，基于人機因素的手持刀具創新設計可以使刀具不再是一件冷冰冰的工具，而是將人作為主導地位；三是，基于人機工程學的手持刀具創新設計，讓手持刀具不再是工具，而是一件有故事、有理念、有感情的產品。

4 基于人機工程學的手持刀具創新設計原則

4.1 人機性原則

手是人體重要的肢體部分，很多工作操作尤其是高精度工作操作需要它來完成。所以對于手持式工具的創新性設計，需要從人機工程學的角度進行考慮，設計其尺寸、結構、造型、使用角度等，來減少在長期使用時對手的傷害。根據手的生理特點，手掌有神經和血管，手指節、拇指以下，以及第5 個手指以下厚實肌肉的柔軟區域是較為容易受傷的[4]。如果對手掌長期的過重使用或者在使用手指工作中，把壓力分布到手指的柔軟區域，可能會引起對手上韌帶的壓迫，增加手的疲勞感或者使手產生麻木疼痛的感覺，影響人們的工作或者勞動時的效率。因此，應避開手部的敏感部分，減少一些手部敏感部分的壓力或者接觸。

對手持刀具進行設計時，應符合以下原則：

1）最大最小值準則。在測量得出的數據中選用最大或最小的人體尺寸數值來進行具體的方案設計。在手持刀具的設計時，可以根據人體手部的相關測量數據開展造型、結構等設計，同時還應考慮人的手部形態測量、生理測量、運動測量等數據。

2）功能尺寸修正準則。在保證手持刀具功能的同時，可根據用戶的人體尺寸進行修正。

3）心理尺寸修正。在進行手持刀具的設計時，還應考慮一些心理因素，如使用刀具時的恐懼心理或者產品的美觀度等，并進行尺寸修正[5]。

4.2 安全性原則

從物質方面來說，手持刀具手握部分的材質需更符合用戶的健康安全要求，造型外觀上滿足用戶在人機工程學上的舒適度及對美的追求，色彩上滿足用戶在視覺上的主觀感受。從精神層面上看，不同的材質、造型、色彩、肌理可以在一定程度上給人的觸覺、視覺感受帶來一定的寄托。因此，從手持刀具的材質、造型、色彩上進行創新可以在很大程度上滿足用戶的心理訴求。

4.3 人性化原則

人性化設計是借著研究人的生活習慣、生理、心理情況，以及人的思維，在實用的基本功能和性能的基礎上對用戶體驗進行優化，是使用戶在體驗過程中更加舒適、便捷的一種設計理念[6]。在手持刀具的設計中應考慮人性化設計原則，考慮用戶的心理、生理需求及精神追求。可以從用戶的實際需求出發，在設計中增加貼心的、帶有溫度的人文關懷，給用戶帶來更加愉悅、舒適的使用體驗，最大程度為用戶提供便捷。

5 基于人機工程學的手持刀具創新設計思路

5.1 造型創新設計

造型設計活動自古以來都與產品制造息息相關，它是將人的審美和人對產品功能作用的要求，以現代科學化的生產方式體現在產品上。不同的造型有著不同的視覺感受，不同產品造型風格的選擇都是基于前期的市場調查，在了解產品的市場動態、分析用戶的喜好后再進行設計活動。因此，新的產品造型設計要在用戶的基礎上來進行創新設計，手持刀具也不例外。想要在市場上有一定的競爭力，滿足用戶的需求，實現手持刀具的功能性是一方面，還需要在造型上滿足用戶的審美。

造型上，手持刀具的設計是可以多樣化的，突破傳統的造型設計，對手持刀具的本身進行造型的重組、變化及創新，采用多重流線型設計，使其更加具有靈動性。手持刀具的造型主要分為兩個部分：一部分是手柄，一部分是刀片。刀片是扁平化的造型，設計的風格可以根據線條的應用來進行。刀片線條的靈活運用所形成的整體感可偏柔，也可偏剛，甚至是剛柔對半。手柄的設計與人息息相關，在設計時應考慮人的需求，再將造型與刀片進行整體化設計。在手持刀具的造型設計上，可選擇剛柔對半，既有刀片的堅硬，又有造型的柔，使手持刀具的冰冷感降低，通過柔性的線條修飾使其富有情感因素。這樣的手持刀具會在一定程度上吸引用戶，在市場上具備一定的競爭力。

從人機工程學的角度來看，手持刀具的造型創新設計滿足我們日常生活中的各種習慣、人體活動的范圍、人體的運動系統（包含人體的骨骼、關節、肌肉）、手掌尺寸的大小、刀具手柄的舒適程度，貼合手掌的程度、受力點分析等，這些都可以通過造型設計來實現。在設計手持刀具的造型時，要對不同人群的手部尺寸、肌肉、肌腱、血管、神經的受力情況等數據進行測量。如各年齡段人群有很大的力量差異，比如6—11 歲兒童在使用刀具的時候，他們可能會用雙手來支持這個行為過程，如一只手握住刀柄，一只手按壓住刀背位置，就會使手部的肌肉、肌腱、血管、神經等受到很大的壓力，而且手掌的尺寸大小不一，手握手柄的感受就不一樣，在使用刀具的時候有可能會產生疲勞。從這個使用行為可以了解到，在進行手持刀具的造型創新設計中要不斷地進行測試、完善手柄的形態，使其符合測量數據中的一個閾值。人體的測量方法有兩種：接觸測量和非接觸測量。接觸測量即是傳統的手工測量。非接觸測量是應用計算機和其他復雜設備的測量，可較快地獲取大量數據。由于人體尺寸隨著不同人群年齡的身體特征存在著一定差異，在設計時需要整理融合很多人體數據來發揮產品的實用性。以下是結合實際測量得出的一組手持刀具姿勢時的部分尺寸數據，見表1。

表1 人體手部尺寸及使用角度（單位：mm）

上表也反映了用戶在運動系統方面的范圍是不一樣的，人體的運動系統主要由肌肉、骨骼與關節組成。比如說使用刀具切水果時，手腕活動的角度有很大的區別，是因為握姿與使用力度有差異，當用戶切到比較硬的水果或其他物品時，就需要手部肌肉承受很大的壓力來支撐，手腕活動的范圍可能變大；反之手部肌肉就不需要承受太大的壓力，手腕活動的范圍就小些。這些人機因素都是進行刀具造型創新設計時需要考慮的。

5.2 材質的創新設計

任何產品的生產都需要原材料，而材料的質感對產品的外觀設計起著決定性作用。隨著時代的發展，新技術全新材料不斷涌現，其中為手持刀具的生產和性能也為人們提供了更多的可能性。不同材質對人的心理感受會產生不一樣的影響，每種材質都有著不一樣的特征。人們第一眼看到一個物體的時候，第一印象主要來源于產品的外觀顏色、形態、圖紋，再者就是產品的材質。產品的材質是產品外殼所用材料表現出來的質感，不同的材料其表現出來的材質是不同的，不同材料呈現出的質感會融入人的不同情感，讓人產生許多情感上的聯想，不同材質的應用給產品賦予了不同的性格。例如，透明材質晶瑩剔透、木質材質天然溫馨、金屬材質時尚科技等。在進行手持刀具的材質設計時，可以嘗試不同的材質搭配，如陶瓷刀片+塑料手柄、金屬刀片+實木手柄、玻璃手柄+金屬刀片等。例如，陶瓷水果刀，主要材料是陶瓷刀片、陶瓷手柄或是塑料手柄。而在眾多的陶瓷水果刀中塑料手柄的居多，這是由于塑料相較于陶瓷質量更輕，造型更多樣化，色彩更豐富。同時陶瓷刀片相對于金屬刀片來說，安全系數比較高，所以陶瓷刀片也會用于兒童使用的刀具設計上。材料的設計同樣是需要將群體細分化，根據不同的人群需求選擇不同的材質組合，能更好地適應市場的需求。

除此之外，在材料確定后還可以在其材質上增加一些圖紋、肌理的設計，主要是對材料進行一些不同工藝的處理，使產品可以呈現出不一樣的質感。例如不銹鋼刀具，我們會看到很多的不銹鋼刀片上有一些紋樣的設計。這些紋樣或者紋理的設計，不僅可以使食物在切開后可以更好地脫離刀片，同時還可以增加刀具的美觀性。不管在功能上，還是造型上都能起到重要的作用，使其質感具有一定的高級感。

5.3 色彩的創新設計

除了通過人體尺寸，設計還需要從人的感覺系統、運動系統方面來研究，感覺系統就是人們的聽覺、視覺、嗅覺、味覺等，日常生活中都要靠感覺系統來支撐。視覺是首要位置，用戶對產品的第一感覺就是從視覺接受的信息開始的，而視覺第一接收到的信息便是色彩，因此，刀具的色彩設計是極其重要的。

伴隨著我國國內經濟的高速發展，不同群體的消費需求表現出差異化特征越來越明顯，即個性需求特征越來越突出。人們對產品外觀的美學價值的認知和認可度也越來越高，而CMF 儼然成為產品顏值的主要表達與呈現[7]。對手持刀具的CMF（即材質、色彩、工藝）的考慮也是節省產品迭代成本的方式之一，而手持刀具的色彩設計是最節約成本的。色彩具有強大的視覺表現效果，色系本身就有著明確的多種情感意義，即冷暖、輕重、光明與黑暗等，運用其無盡聯想和象征意義，促進消費者消費。在手持刀具的色彩創新設計中，顏色不應采用高純度的單一色彩，而應采用多樣化色彩來組合或者將溫暖的色彩與刀片的鋒利相結合。同時，還需要更加注重色彩構成的形式美，使手持刀具的創新設計更加符合用戶的審美需求，更好地詮釋產品的屬性及設計理念。色彩的設計靈感可以來源于大自然，大自然的色彩豐富，也有一定的寓意或者象征意義。從大自然中尋找符合刀具的配色，看起來會更自然、更貼近生活。手持刀具的色彩設計還應考慮與室內環境相和諧。在進行色彩配色之后，還可以給色彩一個感性的命名，如中國紅、霧霾藍、祖母綠、葡萄紫等，感性的色彩命名可以為刀具在市場營銷中占有一定的優勢。

6 結論

隨著科學技術的發展，以及人們對人機工程學的深入研究，為設計師們提供了無盡的設計數據和靈感，潛移默化的影響著現代產品的設計，涉及產品設計的各個方面，迎合用戶的喜好，是現代設計師的無盡財富，可以說人機工程學是產品設計的基礎。手持刀具是我們生活中使用較為頻繁的產品之一，通過考慮人機因素，在造型、結構、尺寸上設計更為合理、舒適，減少用戶在長期使用刀具所造成的健康損失是最重要的。面對人們日益增長的需求，還可以通過對手持刀具的材質、色彩、工藝等進行后期的創新設計。總之，產品設計的升級迭代為人們的生活提供了越來越好的物質支持。