汽车零重力座椅的设计分析和发展趋势

李健,吴小青，许海霞,马广义，俞荣贵

吉利汽车研究院(宁波)有限公司，浙江宁波 315336

0 引言

汽车座椅舒适度是指从生理和心理两方面对乘坐人员满意度的主观评价，直接影响到乘坐人员的身体健康。不舒适的汽车座椅很容易导致乘坐人员产生疲劳感，一旦乘坐人员长期处于疲劳状态，会增加安全隐患，提升交通事故的发生率。根据美国汽车协会的交通事故统计，6%交通事故由疲劳驾驶引起。座椅是汽车的配件，保障着乘坐人员的安全性与舒适性。随着科技发展，座椅不断升级，作为汽车行业新兴技术之一的零重力座椅对汽车座椅设计的影响将是汽车企业必须研究和克服的挑战。至此，零重力座椅从普通座椅形式进化到汽车座椅形式。零重力座椅逐渐走近人们的生活，不少企业开始应用零重力座椅技术。在车辆系统中，座椅是人机交互的主要界面，座椅质量直接关系到乘坐人员的驾驶体验。舒适度基本上是乘坐人员的主观感受，舒适度评价因个体差异而存在不确定性和模糊性。另外，由于每个人的身体结构不同，因此身体感受到的舒适度不同[1]，进而导致座椅对人体舒适度影响也不同。零重力座椅可加强乘坐人员的舒适度，密切贴合人体，减少对骨骼及肌肉的压迫。因此，零重力座椅已经成为座椅发展的未来主要方向。

1 零重力座椅设计的科学标准

在座椅设计中，人体工程学在“座椅”中的使用首先是身体的支持，其次是身体的技术兴趣[2]。 因此，用于零重力设计的功能是通过人体工程学应用于座椅结构而形成的。 功能人机工程学的改进主要体现在标准参考数据在设计中的应用，包括身体尺寸、活动领域、环境因素等。

1.1 身体角度

现代人体工程学对人体进行细致的科学研究，首先测量人体的不同部位及其周围的活动范围，并对坐姿如脊椎形状和身体压力分布等各个方面进行生理分析。其次根据身体的肌肉力量、可动区域、长度、身体特征等分析坐位引起的能量消耗的变化和心理疲劳，进而寻求行动限制。 最后为每个人提供最佳的标准座椅尺寸：第一，座位。 零重力座椅过高会导致身体质量压在腿上，大腿前缘软组织负荷过大，出现肌肉麻痹;如果座椅太低，物理压力会集中在腰部和座椅上。在接触位置，身体向前弯曲，背部肌肉承受体重的压力，容易诱发疲劳。因此，最合理的座高是就座时脚底，尤其是脚后跟完全离地，而座高是膝盖低于臀部。背部应该有一定的宽度来支撑大腿部分，但如果太深，就会失去对下背部的支撑，很难支撑背部，所以看起来像支撑臀部。身体上的任何质量都会让人感到不舒服。座面的面积大于臀部的面积，为人们改变坐姿提供了足够的空间，同时支撑了臀部的各个部位。座面的曲率在左右方向上最好是平的或近乎平直，在前后方向上稍有弯曲，这样乘坐人员的身体压力分布适当，舒适性好。将零重力座椅的座面挖成臀部形状是不合适的，难以适应不同人群的需要，干扰坐姿调整，使身体压力和软组织过于均匀。第二，靠背。零重力座椅的靠背重视舒适度，作为对肩颈、后背的托举支撑，可减少身体负荷。其中，颈托需要高于脊椎的位置，这样才能将头部的重力分散到肩托的高度应该低于肩胛骨，这个高度可以让乘坐人员在转动腋窝时向后倾斜，如果太高，脊柱会向前弯曲。腰椎受到后靠的力度影响，脊柱自然倚靠靠背，形成支撑。第三，扶手。零重力座椅扶手的作用是帮助手臂，对肩膀、背部和手臂施加压力，减少压力，使人长时间坐着感觉不到疲倦。所以，零重力座椅扶手的高度应根据坐在座位上时肘部的高度来计算，使手臂处于自然舒适状态。如果座椅扶手太高，手臂搭放上去会导致肩膀高抬，产生酸胀感;如果扶手过低，手臂难以着力。扶手最佳倾斜度是10°～20°，扶手宽度应该大于肩宽，保持手臂的自然放置。第四，座面与靠背的夹角。零重力座椅所形成的夹角也是给人舒适感的重要因素，很多座椅不仅就座舒适度差，还会引起疲劳，需要研究生理结构来寻找原因除确保座椅各部分的标准尺寸外，根据科学和物理研究，人体的结构已经从四足进化到双足，两条腿直立已成为人类最具特色的姿势。人体也必须进化以适应这种站立姿势，当身体放松，脊椎呈自然S形时效果最佳。但当一个人坐下时，脊椎会改变以适应坐姿，臀部会向后转，而且脊椎和尾骨一起移动，保持脊椎的S曲线。椎间盘部分压力大，久坐会损坏腰椎。为让乘坐人员下背部回到正常曲线，上半身和腿之间的角度至少为90°，以便为下背部提供支撑。因此，零重力座椅靠背必须倾斜以提供更好上身支撑，同时座椅座面也必须结合倾斜度滑出座椅，座椅表面和靠背之间的角度取决于预期用途和坐姿。

1.2 行为标准

零重力座椅的规格尺寸不同，用途也不同。零重力座椅表面必须向后倾斜，并且与靠背之间的角度至少为95°。座面高度比较低，为35～40 cm，适合这类座椅的台面高度通常为65～78 cm。零重力座椅可减轻乘坐人员的身体压力，自然放松的倚靠。零重力座椅的前部应该宽大舒适，坐垫最好有一定的硬度，如果太软，坐下会有塌陷的感觉。

2 零重力座椅设计原理

不同的行为特征对应着不同层次的需求，从低层次的生理、安全和便利需求到高层次的情感归属。零重力座椅设计师需要了解用户行为特征与产品之间的关系，从而遵循设计原则，设计出合理的零重力座椅产品。零重力座椅设计原则，主要包括智能、实用、关怀等原则。

2.1 智能原则

零重力座椅设计以后座为例，在家居用品市场及智能家居中有比较好的发展前景。智能的应用可以重新定义零重力座椅的传统功能形态，尤其是对于乘坐人员来说，智能科技的加入可以在一定程度上弥补身体上的不适。同时需要指出的是，在介绍智能技术的应用原理时，需要注意适当的智能，就产品而言，智能并不是设计核心。同时，乘坐人员可通过APP选择座椅的角度和高度，定义自己的舒适度[3]。

2.2 实用原则

汽车座椅与儿童或学生座椅不同，但由于尺寸限制，儿童和学生座椅可以在外观上直接反映用户群体。汽车座椅的关键在于座椅的目标服务群体是汽车乘坐人员，在通用设计理念下，汽车座椅首先要满足大众群体的适用性，然后再考虑该产品的其他用户群体。国内外科学家尚未开展培训产品功能取向或功能水平的相关性研究，正在参考其他职业群体的产品设计研究，可以理解，具有零重力的产品功能设计主要应发挥基本功能。零重力座椅基本功能必须满足要求，在这种情况下，附加功能可以起到有效的作用[4]。一般来说，零重力座椅的功能取向原则主要表现在两个方面:首先考虑用户。其次考虑人员配置需求的优先顺序。

2.3 关怀原则

零重力座椅产品中的情感取向原则是更加聚焦用户的情感经验和产品引发的情感需求，创造舒适感人的产品，创造充满美好经验和回忆的人生。同时，零重力座椅产品也让用户从生理学、心理、精神理想等角度享受产品的社会价值。在通用性设计方面，零重力座椅包含了对特殊群体特别重要的产品对用户的人性化护理。在设计实践中，情感取向的考虑包括两个方面，一是指司机关怀，二是指交通教育。在司机关怀方面，首先是零重力座椅产品的易用性。零重力座椅本身应该具有良好自解释性，即座椅操作模式对乘坐人员来说应该显而易见，以保证顺畅使用体验，让乘坐人员在使用过程中获得愉悦和放松感觉。对于交通教育，在初步调查中，部分司机描述在座椅上听歌曲、相声等场景，因此可以在零重力座椅上导入教育模块，满足交通知识教育需求。考虑到深层需求，除上述两个方面之外，零重力座椅的外观也是情感表达的非常重要的因素，零重力座椅外观可能直接影响乘客在使用座位时的选择和情感。同时，在选择材料向工作人员传递座位舒适度的过程中，通过材料的情感语义学，引导乘客产生正面情绪，这也是零重力座椅的亲和力。

3 零重力座椅人性化性能特点

工业革命带来许多新材料和新技术，有利条件使座椅的形状和功能发生了新的变化。随着新材料、新结构、新机制的出现，板材不仅会改变其形状，还会改善其功能，创造出许多新的功能。新材料在设计上给座椅结构带来很多变化，让使用者更加舒适方便[5]。

3.1 结构设计的多样性

通过将新材料和新技术应用于零重力座椅，改变零重力座椅形状和结构，相应的功能也得到改进，出现新的功能，使人们更加舒适。第一，设计行业对人体新材料的试验产生了许多新结构。胶合板通过成型给零重力座椅带来曲面结构，即座面和靠背由平面变为立体，采用曲面结构。零重力座椅是三维的，使座椅能够适应人体曲面的复杂曲率和角度变化。第二，改善坐姿，零重力座椅为座椅设计提供了新的视角。乘坐人员不再会受到身体压力，使身体的每个部位都处于最佳状态，并消除背部、颈部、下背部和脚部的压力。零重力座椅非常适合有背痛症状的用户，可以改善坐姿并减轻身体压力。

3.2 形态设计的多样性

随着新材料、新功能的出现，零重力座椅造型更加多样化，不仅提供了新的功能，还为用户提供了审美和情感体验。零重力座椅是造型和功能的多样化试验性控制的结果，座椅的形状上下弯曲，具有一定的柔软性和强度，可以承受身体的重力，确保身体的平衡。合成塑料材料具有灵活性，是可以达到舒适性的目的的。

4 汽车零重力座椅形状尺寸

对于汽车来说，零重力座椅的尺寸必须满足基本的汽车人体工学对座椅尺寸的要求，同时还要保证座椅符合人体工学设计规律。

4.1 座位安排要求

零重力座椅布置主要为前排的两个旋转座椅和后排2～3座设计。这种布置的前排和后排座位可以朝向后排座位旋转，使得前排和后排座位面向后排乘客，从而使前排和后排座位更交互式、更高效地交流。由于后座高度舒适的常见布局和设计特点，在旋转模式和零重力情况下更改座位需要不同的选项，因为座位本身不需要适应，只需保持原始形状和设计，并满足与前排座位的交互[6]。

4.2 座椅设计要求

当前科技发展较快，自动驾驶技术能给人类带来的最大便利，就是无须接管汽车就可以处于自动驾驶状态。在此期间，乘客可以在不接管汽车的情况下进行许多其他活动，例如乘坐人员与后座乘客的面对面交流和互动。零重力座椅的设计基于与后排乘客的个人交互需要，座位可以在有限的空间内旋转180°。在旋转过程中，必须保证足够的活动空间，避免在转动座位时伤害乘客。零重力座椅旋转功能必须满足相关条件，如座椅的形状和尺寸、零重力座椅的最终效果以及脚下的空间[7]。

5 零重力座椅未来的发展趋势

5.1 汽车零重力座椅驾驶舒适性与身体压力分布发展趋势

压力和重力之间的作用力作用于皮肤和软组织，在传递心理特征，反映板材对人体的压力和人体的分布特征。零重力座椅中，髋部接触面积相对于身体压力增大，但如果表面张力大于接触面积，则界面压力分散，大腿平均压力增大。大腿与背部接触面积的增加大于受力的增加，对人体脊柱的支撑增加，压力分散，平均压力减小，说明各部位接触的界面人体和座椅两辆车之间的身体压力分布随着驾驶时间的长短而变化。乘客的身体压力分布随时间的变化而变化，身体压力与舒适程度的相关性分析结果表明，身体散布的影响最终影响到平均臀部压力、大腿平均压力、平均腰部压力、大腿压力、臀部力量上。因此，在未来发展中，需要结合座椅舒适度与身体压力，改善零重力座椅的性能。通过零重力座椅，减少乘坐人员的身体压力，提升人体各部位舒适性[8]。

5.2 零重力座椅与生理信息发展趋势

长时间体力运动容易产生疲劳，短时间内肌肉激活和力量特性的研究表明，大腿肌肉作用于肩膀、背部和臀部。在整个过程中，臀部、下肢和上身相应的肌肉会被连续地加压。在这种情况下，很容易产生血液供应、疼痛甚至肌肉收缩，从而降低整体的舒适性。因此，有必要根据乘坐人员的身体信息增加上述细节的舒适性，结合座椅优点，尽量减少局部不利因素对总体舒适性的影响。

5.3 零重力座椅与神经网络发展趋势

人工神经过程通过在一个人的神经网络上对行为特征进行建模来分发并行信息。它提供了容错和非线性逼近功能，广泛用于模式识别、分类和预测。血压神经网络可以进行分类、近似、回归、压缩等。利用自学习特性，可以进行任意复杂的非线性映射，这是一个非常普遍的神经网络。BP神经网络与失重页的结合，改善数据转换，及时调整座椅状态，从而产生优异的通用性[9]。

5.4 零重力座椅与人体工程学发展趋势

设计是以人为本的工作，与人类行为完美契合的设计才是优秀的设计。而人体结构和生理结构的知识属于生物学和行为学的范畴，人机工程学弥补这一不足。人体工程学是一个基于其他领域的技术研究主题，为人类学、人体力学、工作生理学、工作心理学和设计实践者提供一系列适用模型。人体工程学包括人的功能、结构、尺寸、质量、面积、重心等。另外，还包括触觉、听觉、视觉等生理学感觉。在驾驶过程中，乘坐人员久坐，腰部肌肉松弛，脊柱弯曲，腰椎受力，这时零重力座椅的支撑就很重要。据调查，躺椅对于很多人来说是一种非常舒适的坐姿，因为躺椅可以减轻脊椎压力。零重力座椅可与人体工程学相结合，强化零重力座椅倾斜角度，根据人体生理感觉，解决身体劳累、受损等不适。

5.5 零重力座椅人性化设计发展趋势

由人性化设计引起的各个层次的人们需求的满足通常以材料的形式表示。设计人性化的性质是让人们生活得更好，但随着人们生活环境的日益恶化，最基本的生活条件就会丧失。因此，人性化设计不仅要考虑个人的短期直接利益，还要考虑整个世界和自然，将人类社会的长期利益和需求融入设计思维中。随着世界经济的快速增长，工业化时代引进的一些技术不仅会危害舒适和便利，还会危害人们的生活环境。例如，广泛用于座椅设计的塑料，给环境带来许多不容忽视的问题，危害人类的健康。在设计零重力座椅时，必须考虑材料对环境问题和未来人类责任的影响。绿色思维反映在零重力座椅设计的过程中。但是，这种环境设计与人类生活的结合，尤其体现在座位材料的选择上。例如，纸张、织物材料和纸座的回收利用等，未来零重力座椅将在材料环保方面做出各种新尝试。

6 结束语

综上所述，随着汽车的逐渐普及，乘坐人员长时间驾驶久坐问题严重，汽车座椅作为长期的坐具，其舒适性和智能优越性尤为关键。零重力座椅在国内还处于起步阶段，但从长远来看有很好的发展前景。本文分析了零重力座椅的应用情况及设计原理。零重力座椅不仅满足乘坐人员久坐的需求，还能在自动驾驶时提供便捷服务，具有广阔的发展前景。最后对零重力座椅的未来发展趋势进行了展望，揭示了长时间驾驶造成的隐性损伤机制，用舒适度分析零重力座椅的乘坐舒适性，实现车辆乘员优化设计，提高汽车座椅的乘坐舒适性。