服装人体工学的应用与发展

刘 可

（北京服装学院，北京 100029）

1 服装人体工学定义

人体工程学，也称人类工程学、人间工学，按照国际功效学会所下的定义，人体工程学是一门研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的各种因素；研究人和机器及环境的相互作用；研究人在工作中、家庭生活中和休假时怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问题的科学。即人成为研究的中心，针对人体工程学可以展开我们的问题及研究。如怎样可以让座椅更舒服？在工作中放什么样的音乐可以让工作者工作效率更高？什么样的杯子更符合人喝水时的习惯？等等。为了使人生活得更舒适、心情更愉悦、工作效率更高，我们需要学习人体工程学。人体工程学可以改变我们的生活方式，带来新的发明创造。如图1所示，人体工学研究的人在使用电脑时最合适的各种角度和距离。

对于服装工效学的定义还没有一个统一的说法，但可以借鉴人体工效学的定义和研究内容来对服装工效学的概念作一个说明。服装工效学是运用人体生理学、心理学、服装材料学、环境科学等学科的知识来设计和制造服装，以期最大限度的适合人的生理和心理需求；使人、服装和环境的配合达到最优状态。服装人体工学是研究人体特征及服装与人体相互关系的分支科学，其研究对象是“人—服装—环境”的系统，从适合人体的各种要求出发，对服装设计和制作提出要求，使设计尽最大可能地适应人体的需求，达到舒适卫生的状态。对于服装人体工学来说，涉及的领域很广，可包括人体心理学、人体解剖学、人体测量学、环境卫生学、服装材料学和服装造型设计学等，如图2所示。

图1 使用电脑时的最佳设置

图2 服装人体工学相关领域

2 研究目的

服装人体工学给服装的设计和制作都提出了要求，使设计尽最大可能地适应人体的需求，达到舒适卫生的状态。服装的功能要求与材料选择相匹配，使其形式更直观、更丰富、更有操作性。服装最终要求与人体配伍、对应、匹配、并强调效能业绩［1］。

从1935年以来，文胸大小的分级系统是基于胸围和胸下围。但是，女性的胸部是一个完全的立体的三维形态，所以基于胸围和胸下围来确定文胸大小的分类系统也许是不适当的［2］。所以，可以用VOXELAN 3D激光扫描仪对人体进行三维立体扫描，通过三维软件计算可以得到女性乳房的宽度和深度，通过因子分析和K－means分析方法得到8个因素对于描述胸部的形状有影响。开发一个新的决定文胸分类大小的系统，它基于胸下围和乳房深宽比两个变量。通过这个文胸大小的分类方法使女性能更加轻松明确的找到适合自己的文胸，这充分说明基于服装人体工学可以更大限度地达到人类需求。

另一个例子是虚拟的三维人体试衣。为了使服装更合体，可以采用三维扫描的方式把三维的人体扫描下来，精确的量取人体皮肤的尺寸。根据三维数据测量的尺寸制作服装样板，可使得到的服装更合体［3］。把裸态的人体和穿衣后的人体分别进行三维扫描，再利用三维试衣软件，得到虚拟状态下人穿着服装的状态，并根据着装后的状态观察服装的合体度，进一步对服装不合体的部位进行修改，得到最为合体的服装。

人体工学就是使人类创造出最大物质文明生产力的同时，创造最适宜的工作或生活环境。研究服装人体工学的目的就是使人穿着更舒适，更有利于保护人类自身，提升人类某方面的能力。

3 应用现状

随着人类社会文明的进步，生活中服装人体工学的应用比比皆是。服装人体工学讲求在设计中为人提供“帮助”，为设计中“人的因素”提供人体尺度参数，体现其设计目的是为人而不是为产品。在设计中，需要考虑为“产品或物品”的功效提供科学依据，也要考虑“环境因素”提高设计标准。只有考虑到人体工学对设计科学的作用，才能达到设计中方便、舒适、可靠、安全、价值、效率、卫生与环境的要求。

3.1 Speedo“鲨鱼皮”泳衣

2008年北京奥运会，菲尔普斯破纪录的独揽八枚金牌而震惊世界。一方面得益于自己的游泳天赋，另一方面得益于speedo“鲨鱼皮”游泳衣的帮助。鲨鱼皮第4代泳衣专门进行了CFD实验，并在风洞里通过了表面摩擦力测试。CFD是计算流体动力学的英文简称，它与风洞通常被广泛的应用在航空领域。CFD负责设计，风洞负责验证。为了减少静态水阻，科研人员采用一种模仿鲨鱼皮的材料，通过无缝拼接技术制作，泳衣完全紧贴在人体上，没有一处缝合处，如图3所示。特殊的镶条可将人体尽可能的塑成流线型，从而减少游泳时的阻力。

图3 speedo鲨鱼皮泳衣

Speedo第1代鲨鱼泳衣出现在2000年的悉尼奥运会中，成为备受瞩目的发明。到2004年的雅典奥运会前，speedo公司又推出了第2代鲨鱼皮，在第1代的基础上面料的表面又加上颗粒状的小点，进一步减少水阻［4］。根据统计，当年逾8成游泳奖牌得主，都是穿着Speedo泳衣，15人中有13人创造过泳坛世界纪录。新研制的第2代鲨鱼泳衣，可减少4%的水流阻力，号称是世界上最快速泳衣。

鲨鱼皮第4代采用更优异的极轻、低阻、防水和快干性能LZR脉冲面料，包含了美国宇航局提供的航空科技，并因此被称为“太空泳衣”。在LZR脉冲主材质的表面还覆盖着一层聚亚安酯材料，这种材质可以为运动员提供更大的浮力。为了配合聚亚安酯增大浮力的作用，鲨鱼皮第4代还采用了无缝拼接的技术，在泳衣的胸部、腹部和大腿外侧加上特别的镶条，令水流更顺畅地通过泳衣表面［5］。鲨鱼皮4代号称是全球第一款无缝泳衣。为了更好地帮助运动员在水中节省体能，鲨鱼皮第4代的腰部增加了类似腰封的设计，这样不仅可以帮助运动员在水中将最佳姿势保持的时间更长，还可以帮助运动员节省不少体力。而泳衣背后的拉链也被安排在后腰最低的位置，这样可以把由拉链带来的水阻降到最低。

鲨鱼皮第4代泳衣整体功能比第2代鲨鱼皮提升10%；比第3代提升5%；起步和转身时，比第3代鲨鱼皮速度快4%。这些信息和数据说明，鲨鱼皮泳装面料通过模仿鲨鱼皮的机理组织，得到了较小的静态水阻，通过无缝拼接技术使泳衣没有接缝，流线型的设计提高了运动员的速度。这得益于对服装工效学的研究，通过服装的设计提高了人的能力。

3.2 滑雪服

滑雪能提高人的肺活量、增强体质，有利于形成良好的心理素质，越来越受到人们的欢迎。滑雪场地天气低温多变，为能够保证滑雪者舒适地运动，户外滑雪服必须具备防寒、防风、防水、透气、耐磨等功能［6］。

由于滑雪场地天气寒冷，为增强其保暖性，须选择保暖或冲绒材料，导致滑雪服外观显得较为臃肿。再加上滑雪运动具有一定的危险性，在制作时要考虑滑雪服的防护性。但滑雪是一项竞技运动，需考虑运动的灵活性，因此，滑雪服必须轻便，只有这样才能极大地减少对人体的压迫感，提高滑雪运动速度和成绩。美国科罗拉多州的蜘蛛人滑雪服公司生产的滑雪服装中，就有一种具有前瞻性的、轻型的、可挠曲的全新保护材料D3O。D3O材料由英国工程师理查德·帕尔默发明，属于“膨胀性泡沫”材料的类别。这是一种由黏性流体（viscose fluid）和聚合物（polymer）合成的材料，具有“应变速率敏感性”（strainrate sensitivity）的特殊性能。在正常情况下，材料中的分子间只有很弱的连接力，并且可以自由运动，所以材料柔软、可弯曲。当突然受外力的冲击而变形时，就会引起材料中分子间的连接力增强，可自由运动的分子立即被冻结，使材料变得非常坚硬，能吸收冲击能量，成为具有保护性的盾牌；冲击结束后，材料又回复到原有的柔软状态，这一过程是瞬时的、可逆的［7］。面料在正常情况下和受到冲击的情况下分子间的连接状态如图4所示。

图4 D3O材料分子间的连接状态

3.3 宇航服

航天服（spacesuit）是保障航天员的生命活动和工作能力的个人密闭装备，可防护真空、高低温、太阳辐射和微流星等环境因素对人体的危害。在真空环境中，人体血液中含有的氮气会变成气体，使体积膨胀，如果人不穿加压气密的航天服，就会因体内外的压差悬殊而发生生命危险。早期的航天服只能供航天员在飞船座舱内使用，而现代新型的舱外用航天服有液冷降温结构，可供航天员出舱活动或登月考察。

近代的航天服是1961年在美国问世的，是由当时美国海军的高性能战斗机飞行员穿着的MK－4型压力服加以改进的。这种航天服由氯丁橡胶涂在布上的防护层和经过氧化铝处理的强化尼龙的内绝热层叠合而成，肘和膝关节部分缝入了金属链，容易弯曲。但是，当内压提高时，航天员难以活动身体。上世纪60年代中期，美国开发了第2代航天服，在封入空气压的压力囊外蒙上了一层用特氟纶混纺材料织成的网，即使空气压使航天服整体膨胀也容易弯曲。

第3代航天服是美国实施阿波罗计划时使用的航天服，可使宇航员一边步行在遍地皆是岩石的月球表面，一边弯下身体采取岩石标本，能保护航天员经受强烈的太阳光辐射，即使从天而降的微小陨石砸在身上也不会破损。这种航天服在关节周围制成伸缩自如的褶皱，大大提高了运动性能。但必须穿着特殊的“内衣”。这种几乎盖住全身的网状内衣，缝入了长达100米犹如意大利空心面条那么粗的盘成网状的管子，管内流过冷水，吸走航天员身上散发的热量，并排到宇宙空间，所以航天员穿上后感到十分舒适。穿在内衣外的航天服由内绝热层、压力层、限制层（抑制压力层的膨胀）几层重叠，最外面还蒙上聚四氟乙烯与玻璃纤维制成的保护层。再戴上强化树脂制成的盔帽、与航天服几乎一样多层的手套，穿上金属网眼的长筒靴，就形成了完整的阿波罗航天服。阿波罗航天服与过去的航天服相比，根本的差别在于采用了，即将生命保障系统固定在背上，以进行供氧、二氧化碳的净化和排除体热。俄罗斯和美国各个阶段航天服的性能如表1和表2所示。

可以看出，航天服从笨重不舒适到简便更易于活动，人类的航天服在一步步的进步，这些都离不开服装人体工学的理论指导。

麻省理工大学正在研发一个概念化的宇航服（biosuit），它更加合体轻便，不会对人体的活动造成束缚，如图5所示。Bio－suit虽然是一种理想化的、概念性的宇航服，但是这个雏形并不是凭空想象，没有科学依据的。

表1 俄罗斯（星晨公司）航天服性能

表2 美国（nase公司）航天服的性能

图5 Bio－suit概念性宇航服

Dava J Newman通过实验：（1）根据Iberall的无延伸的线的走向在腿模上画出这些线条；（2）腿上穿上丝袜，用双面胶把高模量的黄色芳纶线粘在这些线条上；（3）用聚氨酯把芳纶线交叉的节点固定；（4）将固定好的芳纶线连同尼龙袜从腿模上取下，穿到人的腿上，看膝盖活动的情况，结果表明，根据Iberall的无延伸的线的走向制作的纸样，即使所用的材料没有弹性，膝盖也可以自如的弯曲［8］。

另有实验发现：（1）腿部88%的皮肤收缩或伸展都小于30%；（2）膝盖前下部的皮肤纵向伸展率达到70%，膝盖周围的皮肤纵向伸展率达到40%～70%；（3）膝盖后部的纵向收缩率达到60%，小腿前部表面圆周收缩率达到70%；（4）60%的腿部皮肤有“无延伸”曲线，当膝盖弯曲的时候，这些曲线没有延展或收缩；（5）根据“无延伸”曲线做得腿部服装保证了腿部的移动，即使在服装为了给皮肤提供7.5kP的压力时纤维处于紧张的状态。所以，根据皮肤的延展和收缩性，在皮肤的表层有一些没有延展的曲线，根据这些曲线制板，制作的服装在面料没有弹性的情况下也可以满足腿部的运动。为了使服装为身体提供压力，有时纤维处于张紧的状态，可能不能为腿部的运动提供过多的弹性，这时，按照这些无延展的曲线制作样板，就不会限制腿部的运动。

按照该研究结果制作的航天服很合体，除了膝盖和肘部等关节部位的面料是弹性面料，其他地方的面料是没有弹性的。服装在给人体提供必需的压力的同时，也不会束缚人的活动。虽然bio－suit还是一个雏形，但是它为将来的航天服指明了发展的方向，还是很值得我们去继续研究和期待的。

3.4 其他方面的应用

服装工效学对特殊人群的服装有很大的指导作用，如在童装中的应用、轮椅使用者中的应用和孕妇装中的应用等。

服装工效学可以用来指导儿童服装的制作。相对成人而言，儿童在生理和心理方面都有其特殊性。其服饰须符合环保要求，既要自然休闲、舒适，又要符合儿童心理、智力活动及儿童体态、生活习惯［9］。童装要适当宽大，否则会影响血液循环，甚至影响发育，紧身衣裤不仅影响儿童的下蹲跑跳等活动，而且不利于培养孩子自己穿脱能力［10］；尽量不要在领口处设计很长的绳子，以防儿童缠绕住颈部；儿童皮肤娇嫩并且好动，童装的面料应尽量选用轻柔、结实、耐洗涤、不褪色、不缩水的面料。有了服装工效学的指导使得儿童服装的设计和制作更加合理，减少了儿童受到伤害的几率。

服装工效学也应用于孕妇服装的设计和制作。随着社会经济的发展，人们的思想在不断进步，孕妇服饰已经作为一种标志性装束，孕妇在追求规范和功能的同时总希望它也能展现自己与众不同的精神面貌和追求［11］。孕妇服装在造型上应采用上下一样宽的H型或上窄下宽的A型。H型具有整体感，身体的凹凸不明显；A型底摆宽大且具有安全感，形体的变化也不明显。采用这两种款型可使孕妇的腹部不凸显。孕妇装上衣裁片设计时，由于孕妇的胸围和腰围都增大了，尤其是腰围的尺寸增幅明显，所以在设计孕妇装时应增大胸围尺寸，抬高腰节，前片可比后片稍长。

服装工效学也应用于其他的领域，比如轮椅使用者服装、专业跑步服和篮球防护服等。

4 结语

服装人体工效学作为研究人体与服装之间的关系，以及通过服装改善或提高人体能力的学科，使我们的生活更加舒适，工作效率更高。它应用于很多领域，如体育、军事、科研和生活等方方面面，致力发展与服装相关的科学理论，加快消化和吸收国际最新科学技术，发展具有自主知识产权的服装高新技术。学习服装工效学是非常有意义的，我们应利用现有的知识，加上大胆的设想，不断更新现有的产品，创造更加前沿的、先进的发明。只有这样我们才能缩小与发达国家之间的差距，引领服装科技潮流。

［1］ 潘建华.服装工效学与设计［M］.北京：中国轻工出版社，2000：6－88.

［2］ Rong Zheng，Winnie Yu，Jintu Fan.Development of a new chinese bra sizing system based on breast anthropometric measurements［J］.Science Direct，2007：697－705.

［3］ Jean－Marc.Apparel：From reality to virtual reality［D］.International Conference on 3DBody Scanning Technologies，2010.

［4］ 王渝生.仿生科技助奥运“鲨鱼皮”点缀“水立方”［J］.科技导报，2008，26（15）：98.

［5］ 张鑫哲，陈丽华.高性能运动服装发展现状与趋势［J］.纺织导报，2010，（5）：105－107.

［6］ 张中启.户外滑雪服功能性设计及发展趋势研究［J］.国际纺织导报，2012，（3）：71－75.

［7］ 徐晓锋.新材料D3O造就的神奇滑雪服［J］.中国纤检，2006，（5）：5.

［8］ Dava J Newman.Astronaut Bio－Suit system for exploration class missions［R］.Bimonthly Report，Phase II，2005.

［9］ 叶隐隐，徐 军.人体工效学在童装设计上的应用［J］.广西纺织科技，2009，38（1）：23－28.

［10］屈一斌.服装工效学在儿童服装上的应用［J］.西安工程科技学院学报：2003，17（1）：29－34.

［11］王秀芝.基于人体工效学的孕妇服装结构解析［J］.国际纺织导报，2008，（1）：76－80.