极地防寒服设计系统构建及评价体系研究

范俊华，周莉，张龙琳

（西南大学，重庆 400715）

随着科技的发展和中国智能制造的迅速崛起，当前很多行业都融入了产业尖端科技，智能穿戴设备也应运而生，极地环境下的智能运动设备也层出不穷，包括能监测心率的运动智能手环，能缓解脊柱受力的智能背包，能帮助腰部、膝盖受力的外骨骼设备，能调节温度的智能防寒服等。但是这些产品都还存在着诸如品类不多、效果不稳定等问题，也没有系统的评价体系。本研究以极地防寒服为研究对象，从研究背景、研究理论、智能穿戴、人机交互等几方面做出防寒装设计系统构建体系，为防寒服产业的可持续发展提供一些可借鉴的思路。

1 研究背景

地球的极地范围一般称为“极地”，在地球的南北两端，即南极和北极。极地科考、极地极限运动及极地旅游的日益普及，也是对极地环境下的装备提出更多样化的需求。其中，提升极地防寒服装设计的系统化及促进产业的可持续发展，显得格外迫切。

极地主要是指位于地球南北极极圈以内的陆地和海域等，极地自然条件恶劣，地质条件复杂，其主要特点为气温酷寒、干燥、大风和强辐射，还有冰山、浮冰的环境以及强风暴雪、地震频发等。人类探索的极地环境温度大约在-55～10℃，极地探索项目有极地体育运动、极地科考、极地旅游等。虽然极地项目只是小众参与，但是每年都有新科技力量的加入。随着物联网的普及，极地防寒服可以与智能运动穿戴设备、智慧保健、电子传感器等高新技术相结合。

国内相关研究中，周燕[1]分析了关于智能服装在医疗检测、运动、休闲娱乐、军工等相关领域的发展过程中需要攻克的难点及发展趋势；苏文桢、卢业虎[2]通过对气凝胶防寒服的研制与性能评价的实验，得出了将气凝胶应用到防寒服中是可行的结论，具有较强的实际应用价值；吴海燕[3]关于柔性传感器与新型面料的制备技术及发展前景的研究，为服装业的转型提供了技术支撑。

国外相关研究中，Meng 等[4]提出了一种简化的织物动态模型和实现高质量真实感的虚拟试衣集成方案，通过复杂时间模拟的方式演示系统运行情况、虚拟试穿及布料模拟。科技化是服装未来发展的重要方向。

本研究在防寒服装设计体系中，采用根据人体肌肉变化做出的新型结构设计和利用智能数据库做出的与智能设计相结合的方式，更好地为目标消费者提供更精确的设计体验。检验设计的途径是反馈评价，评价部分从环境因素、人体因素及智能应用评价三方面进行，给出全面综合的评价体系。

2 设计理论

2.1 人体肌能在极地环境下的运动需求研究

根据调查研究，极地运动对人体肌肉的要求主要有：登山探险、滑雪运动、科考研究等活动均需要强有力的胸大肌、股四头肌、股二头肌、臀大肌、臀小肌和腓肠肌等，运动神经元下受累的体征如图1（图片来自https://m.toutiao.com/is/daNTfnq/）所示，主要包括肌无力、萎缩和肌束颤动，这些均可检测。胸大肌无力无法提供足够的牵引力，腹肌薄弱则会造成脊椎负担，肱头肌无力会致使肢体无力、颤抖甚至无法完成伸缩运动等。肌肉疲劳会引发肌肉劳损等不健康状态，还会增加危险系数，开发有效延迟疲劳或有效缓解疲劳的穿戴设备势在必行。本研究根据肌肉疲劳特征做的简单有效措施是利用面料的斜向拉伸结构来改良拉伸。

图1 运动神经元下受累的体征

程慧婕根据这些肌肉在运动中的皮肤形变，做出了对光标位移轨迹跟踪测试[5]，目前多数研究是通过选取几个典型动作代表单独的运动过程，再测量各动作的皮肤变化值。可以通过光学捕捉系统，建立一段时间内人体各关键点的运动轨迹模型，对任意时刻皮肤情况进行研究讨论，成为未来借助皮肤拉伸测量设计运动服装的有效办法。本设计系统采用此皮肤形变检测方法与Style3D 相结合建模，帮助结构设计优化。

2.2 设计要素

2.2.1 面料设计

采用多种材料共同协同的设计方式，里层采用现代高科技针织棉面料，四川大学赵长生教授课题组制备了亲疏水性可切换的双向油水分离材料。运用这种功能性针织速干、环保再生聚酯面料，可打造紧身版型，为拉伸、训练等运动提供全方位的健康帮助，可以同时满足运动状态下对织物透气性、导湿性、散热性的需求。

中间保暖层利用石墨烯及气凝胶，最大程度地做好续航保暖。外层面料以适应性为基础，着重突出消费者更关注的防辐射、个性化、环保和可持续需求的功能性面料。

2.2.2 结构设计

根据极地运动中人体运动的姿势分析，利用三维扫描设备收集皮肤形变数据，在结构上采用多层、分解、重组解构等方式，具体做法为：里层在膝盖、大腿内侧、肘部、肩部运用低摩擦材料，膝关节增加软垫，结构上采用斜裁方式，对人体肌肉具有一定提拉作用，达到有效缓解运动中肌肉疲劳的效果；外层在臀围、上裆部位采用增加弹性面料满足松量要求。以增加结构线的方式达到多面料组合的实用性，又可以起到装饰作用。

2.2.3 穿戴设备

对于防寒保暖设备、外骨骼装备，运动保护类智能可穿戴设备通过监控肌电信号，对运动时易出现的腰部损伤问题进行提醒和保护，降低运动者受伤的概率[6]。

2.2.4 AI 智能设计

在臀部及大腿根部增加湿热传感器，实时感应肌肉及环境状态。当人体运动产生的热量大量聚集时，利用线路感应器把热量储存起来，以供产热不足时再释放热量保暖。在股二头肌、股四头肌、腓肠肌部位增加疲劳感应传感器，在肌肉形成劳损时进行语音提醒。

3 设计体系

综合上述设计理论，得出适合当代多元化的设计体系，服装设计系统运行模式如图2。

3.1 建立数据库

根据项目类型及极地环境分析初建基本设计数据库，再根据彩色人体三维扫描设备对目标消费者的实际身体检测数据，得出目标消费者对款式、面料、功能甚至外穿戴设备、功能监测、人机交互等方面的需求，并做好信息存储，建立消费者信息数据库。

3.2 设计

设计内容有款式设计、面料设计、结构设计等。结构设计中，根据人体肌肉状态监测设计内层包括松量、分割线、面料方向、辅助牵拉等。运用CLO-3D、Style3D 软件进行款式设计，加上特定面料虚拟试穿，与消费者进行最后设计沟通，做出最终确定。

行走过程中的内翻推力，在负重过程中表现为膝关节前平面过度运动，是膝骨关节炎的一个可改变的危险因素。医学上有一种方法，可以在行走和踩踏运动任务中识别出个体的肌肉激活信号。

在智能穿戴设计中，如上述设计依然不能满足消费者需要，还可以添加智能穿戴设计如智能眼镜、智能手环、智能外骨骼、智能鞋等。结构以保暖为主，利用多分割线、多面料的组合方式，使服装在满足松量要求的情况下调控服装内小环境，以保证舒适度，或增加智能穿戴设备，尽量减少肌肉劳损程度，更加科学、持久地保护人体健康。

3.3 AI 设定

AI 设定包括智能保暖设定、智能湿热小环境调控、智能肌肉放松设定。当气候条件处于极冷环境（-55～-35℃）时，人体自身难以保持体温，可以借助智能保暖设定散发的热量满足正常机能所需；当气候条件处于寒冷环境（-20～-10℃）时，在穿着极地防寒服并且在运动状态下，背部、胸部、臀部等部位会产生湿热等不适现象，除了里料采用透湿散热面料外，还可以增加智能湿热小环境调控，使人体与服装间的小环境处于干燥适度状态；当消费者处于运动甚至疲劳状态时，增加肌肉放松设定，可以在运动或静止状态下，对肌肉进行按摩放松，缓解疲劳或减少疼痛，以提高工作效率。

3.4 移动终端与人机交互

随着智能手机和平板电脑等移动终端的普及应用，大多数可穿戴式智能设备依托移动终端可以接收和分析数据。为使可穿戴设备与终端之间的信息处理达到较高的服务效率，需要对数据信息在可穿戴设备间、可穿戴设备与移动终端间传输和交互的方式进行研究，即多交互方式。

关节健康检测：在容易受伤的关节部位增加健康监测，并在关节开始处于劳损、严重劳损和不适宜运动的情况下给予提示，保证人体健康。

肌肉疲劳检测：在肌肉处于肌颤等不适状态下给予提示，如语音提示怎样运动可以减少不适，甚至充当智能私人教练，帮助消费者正确运动。

消遣娱乐交互：对于极地旅游者，增加消遣娱乐交互，实时讲解所在地的地质地貌、历史事件，并能进行智能地质检测，进行路线智能导航、数据存储等。

3.5 远程监控

将消费者在极地时的状态实时传输给远程监控系统，在出现生命体征异常时拉响报警系统，及时实施救援措施。样衣制作试穿时模拟各种突发状况，确保智能防寒服能有效保护消费者安全，直到消费者满意便可交付使用。并对穿着过程做跟踪服务，穿着后提交调查问卷，为以后的性能改良进行数据收集，为防寒服行业的可持续发展做出贡献。

4 评价体系

这种定制化智能服装设计在虚拟试穿之后、交付消费者之前生产样衣，并进行评价，从两方面进行，评价系统如图3 所示。

图3 评价系统

4.1 环境评价

模拟极地环境，在大风状态下是否可以有效消解大风对人体肢体的影响，主要体现在能否减轻大风对人体动作的阻碍作用，减轻风透力度从而更好地保温；模拟高湿环境下服装表层是否吸水以及里层是否透湿；模拟污染物及细菌，检测服装能否起到良好防护作用；模拟高紫外线辐射，检测服装能否有效防护。若防护效果好，即说明性能好。

4.2 人体评价

实验人员穿着防寒服，在模拟环境下做科研主要动作1h，检测汗液导湿性能，以评价人体是否有闷热不适、疲劳时间有没有延迟以及人体机能状态是否良好。

4.3 智能应用评价

极地运动后也难免出汗，人衣小环境会滋生细菌，检测添加的智能除菌应用是否达到有效抑菌效果；检测极地环境下人体健康实时数据能否及时传输；检测外装备能否减轻运动员对身体机能的损耗，这些检测效果好说明智能防寒服效果好。

5 结语

随着智能化的发展，防寒服的智能化设计趋势日益明显，本研究从智能数据、智能设计、智能穿戴以及人机交互和智能终端多方位考虑提出的设计系统的构建，采用的是客户先沟通定制再生产的销售模式，提升服装企业技术及效率，专注于消费者不断变化的多样化需求及自身的价值主张，提升消费者的着装体验感与高端品质享受，对品牌忠诚度也有着明显的促进作用，为未来防寒服装的智能化、产业化的发展提供新的方向和新的理论参考。