基于人因工程学的人体节律照明设计研究

■李可欣 邵晓峰 Li Kexin & Shao Xiaofeng

(1.2.南京林业大学，江苏南京 210037）

“人因工程学又称人的因素工程学，主要立足于人的角度来思考和解决问题，其核心是研究人-机-环境三者之间的相互作用，其中人的因素需要考虑到人体的神经系统、感觉系统、脑力劳动与神经紧张作业时的生理变化特点以及人的心理因素等”。照明光环境是人因工程学中着重研究的一部分，室内照明对人的生理及心理均有一定程度的影响，让室内照明遵循生物节律是对人本设计的进一步落实。境的各种指标作为计量，人体节律会根据光钟变化而变化，且通过光钟和生物钟作为依据来判断人体生物节律的变化更加准确。

1 照明光环境对人体生物节律的影响

1.1 时间生物学与人体生物节律

时间生物学是研究机体生物节律及其时间结构和应用的科学，“在生物领域，无论是单细胞生物或高等动物，所有的生命活动迹象均按照一定规律运行，且该活动现象已经大量实验验证是明显节律性活动，生物学界称之为生物节律”[1]。一般情况下生物节律与环境节律同步，但当环境节律发生变化或机体受到环境中某些理化因素的刺激时，其生物节律（尤其近日节律）会发生变化，主要体现为相位反映，即节律的前移或滞后，相位反映的方向（超前或滞后）和大小（移动的时间长短）与环境刺激的种类、强弱、作用时间均相关[2]。

目前，已有大量研究证明光照条件对机体的生理活动和节律有重大影响，“在昼夜节律周期的某个点处添加光线脉冲可以加速或延缓生物节律的运转”[3]，因此研究不同光照条件下人体节律的变化也是时间生物学的重要内容。

1.2 生物钟与光钟

研究者普遍认为人体生物节律是内源性的，也就是说生物节律是由内源性生物钟启动和控制的、机体内部自主产生的规律性变化，而不是由外部环境变化而产生的被动反映，由此可知人体具有自行感知时间的能力，而这种能力与大脑中的松果体所分泌的褪黑素有关，“褪黑素是人体应对黑暗环境而产生的化学信号，大量医学研究表明，视觉系统在传递光信号的同时，将外界光环境的信息传递给大脑的松果体，由松果体产生的褪黑素进入体液（血液、尿液、脑脊液、细胞内外液等），从而影响人的睡眠水平”[4]。除了昼夜变化的光线会对生物钟造成影响，季节性变化的光线同样如此，比如冬季日光摄取量减少引起体内褪黑素的分泌变化，这种变化会导致生物钟的紊乱，甚至出现失眠、食欲不振、情绪低落等症状。人体生物钟会因为光环境的不同，而出现不同的生物节律，“现代研究表明控制人体昼夜节律的照明因素复杂多样，包括光源本身的光谱分布、光区分布、总体照度、照明时长、变化速率、以及前后的短期照明历史情况”[5]。由此我们引入“光钟”的概念，它与物理学上的光钟有所不同，这里的光钟是将光照环境与时间相结合，以不同时刻光环

2 人因工程学对节律照明的需求

2.1 人的视觉生理需求和心理情绪需求

“视觉-视觉作业-光环境间的相互作用和影响是人因照明研究的核心内容”[6]，视觉是最重要的人体感官系统之一，而影响视觉的主要因素就是光照环境，视网膜上存在有管理时间的感光神经节细胞（杆状细胞和锥状细胞），“它主要负责调节人体内非视觉情况下的光生物效应，包括人体生命的各种体征变化，如血压、体温、心跳速率、激素分泌、睡眠质量、甚至情感的展现等”[7]。杆状细胞感光性较强并在较暗的环境下发挥作用，视网膜上感光细胞的分布决定了视觉的感光特性。在视觉上人因照明要求照明光环境满足人的“视力需求”，如光线均匀分布，强弱有度等，“视野需求”要求光照范围适度，“色觉需求”要求光色符合环境氛围，“视觉适应需求”要求照度强弱之间有过渡段，此外，视觉健康也是目前照明工程中需要考虑的人因要素，“光照的强度、时长、形式、位置，光谱构成等要素对视觉系统、眼底功能、脑力认知均产生一定影响，且与人的工作状态、人体机能、生理和心理上的舒适程度联系紧密”[8]。而对节律照明的落实和研究更是视觉健康的方向，让照明环境贴合人体节律的变化会更加符合人因工程的要求。

■图1 智能夜灯

■图2 拟落地玻璃窗背景墙

人的心理因素是人因工程学的重要内容，它包括人的性格、能力、动机、情绪以及意志。“光照作用于视网膜，不仅产生视觉，还对人的情绪和行为产生影响”[9]。比如高色高温照度的环境会让人精神紧张和振奋，而底色低温照度的环境则会让人更加放松；一些休闲娱乐场所就需要缓慢变化的橙色光照环境，“多年的临床医学经验表明，柔和偏暗的环境可帮助产妇缓解紧张压抑的情绪，以获得较好的分娩状态”[10]。而对于节律照明而言，则需要考虑人在一天之中不同的心理状态，以及季节变化带来的情绪变化，以此来进行节律照明设计。

2.2 不同人群不同阶段的照明需求

在各种年龄段的人群中，需要特别考虑到的是儿童和老人，胎儿在6个月时已经可以感知外部光线的变化，2至5岁是视力发育的关键时期，需要着重保护，5岁以后视力才趋于稳定，“在婴幼儿时期人体的节律并不稳定，缺少睡眠会引起植物神经功能失常导致的眼睫状肌调节功能紊乱，形成近视眼。此外，持续性高强度光照，会减少人体褪黑激素的分泌，从而对婴幼儿的成长发育造成不利”。因此，为婴幼儿进行节律照明设计十分必要。

随着我国人口老龄化的加剧，为老年用户设计成为研究热点，老年人的照明需求与其他人群有所差别，65岁以后人体的各项机能衰退，眼部退化较为明显，如晶状体硬化造成远视，晶状体蛋白质变性而发生混浊导致的白内障等眼部疾病，可以通过提高居住环境照度、控制眩光、增加显色度等方式来缓解视力下降造成的问题。此外，“神经生理学家发现衰老会引起视交叉上核（简称SCN）对光的敏感性显著降低”[11]。同时松果体和褪黑素随年龄增长逐渐衰退，这些均导致老年人睡眠模式紊乱，少眠、早醒等情况，需要通过调节室内的光谱、光线分布、光照时间、光照频率等要素来应对老年人群的昼夜节律。

3 以人为本的节律照明设计

3.1 LED可调光的应用与差异化环境照明

随着LED可调光的技术发展，为节律照明设计提供了技术支持，根据人体昼夜节律的变化调节LED灯带是实现节律照明的方式之一。Zumtobel公司，通过MELLOW LIGHT V tunableWhite灯具结合LITECOM照明控制系统，提供3000K到6000K色温的照明环境，例如早晨可以将色温调节至5000K，水平照度500xl以上，可直接抑制褪黑素的产生，调节生物钟，让人精神振奋清醒；在夜间准备入睡时，将色温调节3000K，不干扰褪黑素的分泌，提高睡眠质量。在2018年上海国际商业及工程照明展览会上曼佳美获得金殿奖，其中的设计亮点之一在于根据环境需要提供变色调光灯带，2700K至6500K的色温区间，10%至100%的调光，利用遥控操作，同时配备混合反射器，提供精准的光束控制并防止眩光（图1）。

除了可调光外，差异化照明也是目前应用较多的节律照明方式，尤其是在大型办公空间、医院等场所运用较多。“为了更好地凸显较大空间的内部关系，通常使用不同的视觉语言来营造差异化的空间组成形式”[9]，面积较大的办公空间常利用灯光的差异来区分空间，办公区用照度较高的冷白光，而休闲区使用柔和的暖橘光；医院则对灯光的要求更高，不同区域的划分也更加细致，医院大厅常使用暖白光，避免造成压抑紧张的氛围，大厅的灯光由照明系统管理，系统以一天的时间为基准自动调整灯光效果；护士站和咨询处需要醒目的灯光效果，方便人员寻找，同时可以根据当天的人流情况进行控制和调整；检查科室需要高显色度LED平板灯；ICU病房则需要专门根据不同病人的节律调整光照环境，以帮助病人更好的进行康复治疗（图2）。

3.2 智能化节律照明

智能化照明设计一直是照明领域研究的热点，节律照明作为光与健康的未来方向与智能化设计紧密联系，比如在美国Indiegogo众筹平台登录的一款智能夜灯产品，“侧重人机交互及产品语义”，它可以与手机系统连接实现各种功能，可调节至任何色温和亮度，且会在睡眠时间自动减少蓝光的强度，帮助用户调节褪黑素水平，此外，当用户起夜时，它能够自动探测到用户动向，开启40%的柔和灯光，对用户起夜习惯具有记忆功能，自动识别用户路线。类似的产品还有Circadia睡眠系统，它由睡眠跟踪器和便携式昼夜节律灯组成，Circadia可以监测人体的心率和呼吸频率，并建立用户生理时钟模型，设有睡眠模式和失眠模式，通过个性化的光疗法来调整人体节律，预设不同的模式人体会呈现不同的状态[10]。

德国杜塞尔多夫汇丰银行餐厅项目的设计，由Licht Kunst Licht（LKL）公司提供照明设计，并荣获IALD卓越奖，亮点在于设计团队做了模拟落地玻璃窗的背景墙，横跨餐厅一侧，照片的尺度模仿人们从地面高度看的视角。用“智能”的人本照明（HCL）控制系统，模拟日光，增加真实感，让位于地下室的餐厅也能感受到模拟的自然光照，设计团队最终确定了发光墙的场景编程，模拟日光的年变化、日变化，包括动态、光色、方向和强度。擦墙灯的色温可调，早上是温暖的2700K，逐渐上升到中午的冷白6000K，傍晚回落温暖色调。地面还安装了一整条RGBW混色的LED线型擦墙灯，以增强模拟效果。

4 结语

基于人因工程学的照明设计已经逐渐发展成独立的设计系统，对人生理心理的各项研究不断成熟，而其中的人体节律照明仍缺乏细致详尽的理论指导，设计者在了解人的各项因素的情况下，还需深入剖析人群需求和环境需求，并与当下的最新科学技术紧密联系。伴随科技的发展和研究的深入，节律照明的方式也更加多样化和复杂化，一个空间的照明设计通常会结合多种方式共同完成，目前节律照明正处于发展时期，未来将会有更多科技的植入，节律照明设计也会在研究中不断完善，在生活中更加普及。