基于柔性电子技术的康养家具设计∗——以颈椎矫正枕设计为例

白洪涛 熊先青 周卓蓉

（ 南京林业大学家居与工业设计学院，江苏 南京 210037)

睡眠姿势对人体健康有着至关重要的作用，一些 不良睡姿会引发颈椎和脊椎突变[1]。1～18 岁是人体发育和养成习惯的关键阶段，保持良好的睡姿有利于身体发育。老年人由于身体机能下降，不良睡姿会引发心脏骤停等危险。而人在睡眠中，大脑处于休息状态，无法有意识地调节睡姿，因此对睡姿进行实时监控并及时调整睡姿非常重要[2]。

人体在睡眠过程中可进行机体复原、整合和巩固记忆等工作，但是因自身因素和外界环境干扰往往会严重影响人们的睡眠质量，特别在学习和工作压力大的情况下更容易出现睡眠问题，而枕头的舒适度和颈椎问题是影响睡眠质量的两大主要因素。近年来，颈椎病发病率越来越高。据调查显示，相比于前十年，颈椎病患者人数增加了3～4 倍[3]。为解决颈椎病引发的睡眠问题，部分患者选择购买矫正颈椎康复的产品，但由于使用较麻烦，且治疗耗费一定时间，因此使用频率较低。有些则选择购买各类保健枕，通过机械式按摩来缓解颈椎痛感以助快速进入睡眠状态，由于人的身体结构不完全相同，保健枕头并不适合所有人使用，且按摩功能比较单一，很难达到治疗效果。

基于此，本文研究设计一款可根据用户身体结构进行外形尺寸自动调整的枕头，用以支撑颈椎达到一个健康的生理曲度，预防和辅助治疗颈椎病，从而保证用户健康睡眠。

1 柔性电子技术内涵及应用情况

柔性电子是由柔性和电子两种特性组成的，既具有一定的形变能力，又可满足电子功能的需求，以柔性的方式对信息进行获取、处理、传输。柔性电子技术是在柔性基底上集成有机/无机材料电子器件的材料元器件，该技术已广泛应用于人造皮肤、柔性传感器、柔性电池和柔性电子显示器等方面，且在医疗保健、航空航天、军事等领域取得了丰硕研究成果[4-5]。宋江等[6]研制了一种可检测血液中的葡萄糖浓度及身体其他生理信息的柔性贴片传感器，相比于传统检测设备具有创伤小、佩戴方便、降低副作用等优点。

图1 转印技术工艺流程图Fig.1 Transfer technology process flow chart

目前柔性电子加工只有超薄芯片转移和柔性混合电子两种路径。其中从超薄芯片转移是通过转印技术将功能结构（如硅晶圆等无机半导体材料）从施主基片黏附到图章表面，再将功能结构转移到受主基片上，如图1所示。根据技术要求，图章材料需具有较好的柔韧性和一定的黏附力，通常采用聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）。因此不同界面间的黏附与脱黏过程是转印过程的关键点所在。目前转印方法主要包括控制分离速度法、表面改性法和牺牲层法等[4，7]。

柔性混合电子路线的核心技术是电子墨水材料技术，将具有电子功能的材料制备成墨水进行印刷。该印刷方法具有工艺简单且实用性强等优点，不足之处是分辨率较低。针对此问题，崔铮[7]的科研团队研发出一种新型混合印刷技术，不但将分辨率提高10 倍以上，且实现了卷对卷批量化印刷制造。

柔性电子技术使刚性的电子元器件柔性化，将人、机、物有效集成在一起，实现了功能扩展，对人工智能和物联网等领域的发展将产生深远的影响[8]。根据已有报道，目前尚未将柔性电子技术融于枕头设计，因此有必要研究运用柔性电子技术丰富睡眠枕的功能，提高人们的睡眠质量。

2 用户需求及颈椎矫正产品现状调研

2.1 问卷调查法

本研究问卷调查采用随机抽样的方法，在江苏省某高校随机抽取480 名学生和120 名教师作为调查对象。调查目的是了解颈椎问题是否影响人们的睡眠以及颈椎按摩产品的使用情况。共发出调查问卷600份，收回了577 份，其中合格的调查问卷有556 份（男性有261 名，女性295 名），合格率为92.7%，具有一定的研究价值，见表1。

2019 年7 月由国务院发布的《健康中国行动（2019—2030年）》中建议成人每天的睡眠时间为7～8 h，正常的睡眠潜伏期应为20～23 min[9]。而根据调查数据显示，有七成被调查者的睡眠潜伏期为20 min以上，且枕头舒适度和颈背部不适成为主要原因；不愿意购买或较少使用颈椎治疗仪的原因有使用较麻烦，浪费时间，治疗效果不佳等；导致人们睡眠质量差的原因有3 种：

1）枕头在侧卧和仰卧睡姿交替时不能对颈部达到合理支撑，导致与头部和颈部的贴合度较低，舒适度降低。

表1 问卷调查内容与统计结果Tab.1 Contents and results of the questionnaire

2）由于颈背部不适，导致无法尽快进入睡眠状态。

3）目前市场上治疗颈椎的仪器，治疗耗时，用户经常忘记使用。

2.2 文献综述法

根据相关文献，对目前人们普遍选用的四类枕头进行分析，得出以下特点[10]，见表2。

枕头的关键作用是托起颈曲, 使颈部肌肉、关节和韧带得到放松，释放颈椎关节所承受的压力和负荷，减少颈椎病的发生。若枕头过高, 任何睡姿都不能保持颈椎正常曲线弧度，颈背部的肌肉和韧带处于紧张状态, 会出现颈背部酸痛、疲劳症状, 加重颈椎病。若枕头过低,头颈过度后仰, 由于颈椎没有枕头支撑，将会出现颈肩部酸痛，面部浮肿等症状[11-12]。

表2 各类枕头特点Tab.2 Characteristics of various types of pillows

目前普遍使用的枕头形状和尺寸是固定的，为此，侯建军等[13]在2013 年研发了一款可以手动调节适用于3 种睡姿高度的枕头，其不足之处在于，当人处于睡眠状态时无法实现手动调节枕头高度。方季群[14]发明了智能化的设计方案，通过脑电波控制枕头进行自动变形。但根据专利说明书所述，该枕头只能实现纵向升降，无法实现对头部的横向平移。侯建军等[15]研究睡枕高度对仰卧位睡眠舒适性的影响，认为仰卧睡姿时应选用压缩高度为6～7 cm的枕头。但是由于人的头部重量、头部和颈部的尺寸各不相同，睡眠时枕头被压缩的高度也不同，因此不能变形或只具有较少高度变形的枕头不适用于每一个人，为此，本文以保持健康的颈椎曲度为目的，设计一款可以根据用户身体结构自动调节尺寸的枕头。

3 颈椎矫正枕设计实践

3.1 设计要求

目前颈椎矫正枕的监测模块是根据人体睡姿计算颈椎高度，然后对枕头内机械结构进行调整，存在获取的颈椎曲度数据不精确，只能实现纵向调节等问题。为保证用户良好的睡眠质量，本设计目的是监测颈椎曲度和矫正不良睡姿，因此首先探索一种新的人机交互方式，通过监测设备实时准确地了解颈椎曲度，其次监测设备不能对用户睡眠产生任何干扰，枕头内的传动结构至少要实现横向及纵向两个方向的调节，以便于矫正人体睡姿。选用枕头的表面材料必须适合安装于机械传动结构上，使用时应具有一定的舒适度。

3.2 设计方案

3.2.1 总体思路

采用柔性电子技术与机械传动结构相结合的设计方案，实现对颈椎曲度实时监测和及时矫正的目的。其中，对监测模块进行了柔性化设计，使其获得的数据更加精确。对调节模块进行分区化设计，以实现多方位调节。设计方案主要包括系统运行流程及柔性传感器贴片和枕头的内部结构设计。其中控制系统主要分为监测模块、控制模块、电源模块和调节模块，如图2 所示。

图2 整体系统图Fig.2 Overall system diagram

实践过程中，将监测模块-柔性传感贴片贴于用户颈部后侧，正常情况下，各导电颗粒间由于硅橡胶的阻隔形成绝缘势垒，但颈部不同程度的弯曲将使各导电颗粒接触的机会增加，于是导电链的数量也随之增加，柔性传感器内的电阻值随之减小。于涛[16]对炭黑/硅橡胶的性能进行检测，结果显示电阻值会随着拉伸量的增大而线性增加。监测模块将电信号传至控制模块，控制模块将检测模块内的电阻值，并与健康颈椎曲度所对应的电阻值相比较，计算出调节模块需要调节的角度，进而控制调节模块在一定时间内使模块内的电动滚筒转动至合适的角度，枕头形状也将随着该电动滚筒的转动而改变。

3.2.2 柔性传感贴片设计

炭黑/硅橡胶具有柔韧、易变形和良好的力灵敏性特点，可作为传感器敏感元件的一个优质选择。葛运建等[17]基于导电橡胶的压敏特性设计了一种柔性触觉传感器阵列，不但可以应用于三维触觉检测，且能同时满足三维和柔性测量的要求。但炭黑/硅橡胶也存在对外力敏感性较低、电阻-变形迟滞性等缺陷。对此，于涛[16]对炭黑/硅橡胶材料的电阻-变形性能进行了分析及改进，设计出一款可以实时检测手指动作的手套。

由于人体颈椎的弯曲过程类似于手指弯曲，因此上述手套内柔性传感器的功能正是本研究设计监测模块所需。根据体压阻效应公式⑴可求出材料电阻Rv。

式中：Rm为导电炭颗粒的电阻; m为单位面积内导电颗粒的数量; k为单位面积内导电链的数量; t为每个导电链内炭黑聚集体的数目; w为常数; p为外界应力。

令 q=kt2Rm/wm为压阻系数，则材料电阻与外界应力成倒数关系。如图3 所示，可以根据电阻值Rv的变化推断出颈部所承受的拉力（其中Rck为标准电阻，E为电源，Rv为炭黑/硅橡胶的电阻）[18-19]。由于聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有杨氏模量低、良好的延展性和耐腐蚀性以及易于与电子材料结合等优点，因此可以选用为柔性感应贴片的上下两层基底材料，增加传感器对微小应力的传感能力[20]。图4 所示为柔性感应贴片结构，可将外力引起的电阻值变化转变成电信号输出。

图3 分压电路图Fig.3 Pressure-sharing circuit diagram

图4 柔性感应贴片结构Fig.4 Flexible induction patch structure

3.2.3 内部结构设计

内部结构分为升降区和平移区两部分。枕头平移区可实现颈椎横向曲度的调节，当柔性传感贴片内的电阻值显示用户的头部歪睡在枕头上时，平移区内电动滚筒2 带动从动滚筒3 同时转动，慢慢地将乳胶平移层8 上层与头部歪向的相反方向进行平移，直至监测到颈椎不再横向歪曲。这种控制方法可避免用户出现“落枕”现象[21]。

枕头升降区的高低决定颈椎的纵向曲度，当用户采用仰卧或侧卧时，若柔性传感贴片内的电阻值与健康颈椎曲度对应的电阻值不相符，说明颈椎处于过度弯曲或过度伸直的状态。于是通过电动凸轮式滚筒5的转动来控制升降区的高低，直至把颈椎调整到一个健康的曲度，电动凸轮式滚筒停止转动。选用合适的材料可提高产品的美观性和使用舒适度[22]，乳胶具有美观、支撑力强等特点，因此是本设计表面材料的理想选择，收放乳胶层7 具有足够的长度和相应的收放空间，方便实现升降区上升到最高位置。

图5 枕头内部结构图Fig.5 Pillow interior structure diagram

3.2.4 设计优势分析

通过详细分析用户睡眠过程中的颈椎变化，针对睡眠中的颈椎问题提出了合理化解决方案。本设计以用户对产品的需求为核心[23]，优势主要体现在以下几个方面：

1）可根据使用者的身体结构调整枕头至合适尺寸，从而实现对颈椎的有效保养和矫正，受用人群较广。

2）具有睡眠时矫正不健康睡姿的功能，可避免使用者出现“落枕”现象。

3）在睡眠中对颈椎进行矫正保养，节省了大量颈椎保养与治疗的时间。

4）监测模块仅为一个贴片，不但节约空间，而且不会使用户产生任何不适感。

5）由于采用模块化设计，便于在生产中通过机械设备进行生产安装[24-25]。

4 结语

拥有健康身体是当代人们的首要追求。在家居消费中，智能家居所占比例正在逐年增加，其发展目的不只是为了方便人们生活，而是通过借助一些前沿技术，丰富传统家居所具有的功能，使人们的身体更加健康[26]。本文所设计的颈椎矫正枕正是结合了新兴的柔性电子技术，通过一个柔性传感贴片实现了对颈椎曲度的监测，相比于市场上其他矫正颈椎枕头的监测模块，使用更方便，数据更精确。在枕头结构中大胆运用了机械传动结构，使枕头所调节的方位更加全面。随着柔性电子技术迅速发展，智能家居的发展不仅应提高家具本体的智能化，还应与人体穿戴设备巧妙地融合，拉近检测模块与人的距离，进而更好地满足人们对健康生活的需求。