出汗暖体假人的研究现状与发展方向

天津工业大学纺织学院，天津 300387

出汗暖体假人的研究现状与发展方向

王欢马崇启吕汉明

天津工业大学纺织学院，天津 300387

较系统地概述国内外出汗暖体假人的研究状况和服装舒适性的表征方法；综述出汗暖体假人在日常服装、特种防护服装等研究中的应用，重点指出出汗暖体假人在皮肤非均匀出汗、局部服装舒适性测试及假人皮肤材质等方面存在的缺陷；提出出汗暖体假人最迫切的发展方向，即服装舒适性测试标准的统一。

出汗暖体假人，服装舒适性，非均匀出汗，假人皮肤，测试标准

出汗暖体假人(sweating thermal manikin)是一种模拟人体-环境热湿交换的各项数据指标，用于服装等舒适性测试的设备，它在一定程度上可以代替人体试验。自20世纪40年代美国军需气候研究所研发出第一代干态暖体假人至今，世界上已经研发出100多个各式各样的出汗暖体假人。出汗暖体假人的研发经历了发热、发热且能活动、发热发汗且能活动三个阶段[1]。虽然出汗暖体假人已应用在各个领域，但其在皮肤非均匀出汗、局部服装舒适性测试及假人皮肤材质选择等方面还存在很多缺点。本文对各种出汗暖体假人的优缺点进行系统介绍，以期相关领域的研究人员能更加直观、深入地了解出汗暖体假人的研究现状和发展方向，更积极、更有效地解决有关问题。

1 国内外研究状况

暖体假人的发展可分为三个阶段：第一代暖体假人仅用于服装的静态热阻测试；第二代暖体假人为多段式暖体假人，各段躯体可通过微机和加热装置单独控制，假人可模拟人体实现简单的姿态调整，同时能通过测试得到服装静态和动态热阻；第三代暖体假人可模拟人体出汗，实现行走等复杂动作，能对服装的热湿交换性能做出综合评价。

1.1第一代暖体假人

20世纪60年代末，美国学者Goldenman[2]与德国学者Mecheels等[3]联合研制出世界上第一款出汗暖体假人。两位学者以干态暖体假人为躯干，并给假人覆盖上一层高吸湿面料，然后不断地对假人表面喷水，模仿出汗效果。试验时，需要不断地打开高吸湿面料并向假人表面喷水，操作非常麻烦，且喷水量也不易控制，试验误差较大。

1.2第二代暖体假人

20世纪80年代，东华大学张渭源等开始研究暖体假人课题，成功地将出汗暖体假人应用于低温防寒服、南极服等服装的开发，但进度缓慢，未能获得突破性成果。1995年，东华大学与航天医学工程研究所依据我国航天员的体型标准，联合研制出一种姿态可调的出汗暖体假人，并首次应用于航天服的研制[4]。该出汗暖体假人结构简单，安装便利，而且简化了航天服的研制，但是其姿态虽然可调，却没能实现行走的功能。

1.3第三代暖体假人

随着科技的发展，出汗暖体假人的研发进入了高速增长时期，世界各国都在加紧研制，出现了各种各样的出汗暖体假人。由于人体出汗分为气态和液态两种，这里根据出汗方式不同，将出汗暖体假人分为有汗腺和无汗腺两类。前者可通过微机精准控制出汗量，减小试验误差，其出汗方式多为液态；后者可实现整体躯干的均匀气态出汗，但在液态出汗与非均匀出汗方面还存在缺陷。

1.3.1 有汗腺暖体假人

首款成熟的第三代出汗暖体假人出现在1992年， 它是由芬兰VTT技术研究中心的Meinander等[5]使用硬质泡沫塑料作为骨架而研制的出汗暖体假人“Coppelius”(图1)。Coppelius的肩、肘、臀及膝盖等部位装有假肢关节，可模仿人体的自由运动并摆出各种姿势。Coppelius全身共装有187个汗腺，通过微机与开关阀控制出汗量，达到模拟人体出汗的效果。Coppelius主要通过其内部水量的散失来确定服装的干热损失，通过试验前后服装的质量变化来确定服装的湿热损失。但由于试验中忽略了水分的蒸发量，故水量的散失无法精准测量，试验误差较大。

图1 Coppelius

1993年，日本文化女子大学(2011年更名为文化学园大学)的研究人员Teruko等[6]研发出一种与Coppelius相似的出汗暖体假人，但至今未见到其具体应用的报道。

2001年，瑞士学者Richard等[7]以Coppelius为基础，研制出出汗暖体假人“SAM”(图2)。SAM的第一个创新是其骨骼材料由泡沫塑料混合铝粉组成，这大大加强了热传导效能，并使得温度分布更加均匀；第二个创新是使用二轴连杆机构带动假人运动，实现行走的功能，并能摆出各种姿势。SAM的出汗方式与Coppelius相同，都是人为实现精准控制，且不随服装的变化而变化。SAM能够行走并摆出各种姿势，这是一个极大的进步，为后来其他出汗暖体假人的研究起到了重要的启发和参考作用。

图2 SAM

图3 ADAM

图4 ADAM分区结构

2003年，美国国家可再生资源实验室和美国西北测试科技公司(MTNW)联合研制出出汗暖体假人“ADAM”(图3)。ADAM主要用来测试日常生活中人体的机能反应及服装舒适性。ADAM由金属复合材料制成，使用多孔渗水的金属皮肤替代织物皮肤。它共由126个独立的金属体段组成(图4)，使用者可独立控制每个金属体段的皮肤温度与出汗率，能以极小的误差测量出瞬态热流量，并能模拟出人体的热舒适感觉[8]。ADAM的出现使出汗暖体假人的应用不再局限于服装相关领域。

2004年，我国总后勤部军需装备研究所成功研制出与Coppelius和SAM相似的出汗暖体假人，并将其应用于军服的评测[9]。2009年，北京航空航天大学与中国航天员科研训练中心的研究人员通过暖体假人模拟舱外服的研究，形成了验证和评估系统热防护性能的综合技术方法，成功搭建了一个科学的检验体系[10]。

迄今，世界上最先进的暖体假人是美国西北测试技术公司于2011年研发的“Newton”(图5)。该假人外壳由内含铜质加热层的环氧碳纤维组成，内置加热装置、温度传感器和可选的整体流动供应系统，可模拟人体新陈代谢热量和排汗量。Newton通过34个独立控制的热能块组成，配合可穿脱的织物皮肤，实现独立控制各个热能区域的皮肤温度、出汗率及热流量，试验精度达到±0.1 ℃[11]。

图5 Newton

1.3.2 无汗腺暖体假人

1992年，日本大阪工业技术试验所研制出出汗暖体假人“Taro”[12]，它的出汗方式比较特殊，将水蒸气通入其内部来模拟出汗效果。这种利用水蒸气代替出汗的方法很新颖，其优点在于可模拟人体排出气态汗，缺点是只能在冷环境或舒适环境下对职业防护服装的热湿传递性能进行测试。由于此类假人至今没有实际应用，无法得知其出汗效果。

2000年，东华大学以干态暖体假人为躯干，穿着外挂出汗皮肤系统，研制出新型出汗暖体假人。试验证实该假人的出汗系统的灵敏度极高，稳定性好，具有可靠的热湿调控性能，在军服和特种防护服的研发中起着重要作用，但未进行极限环境的测试，所以不够完善。

2002年，香港理工大学的范金土教授等[13]研制出世界上第一个以织物为皮肤的出汗暖体假人“Walter”(图6)，并成功应用于服装测试。Walter由含有微孔结构的PTFE(聚四氟乙烯)膜的Gore-tex织物作为皮肤和内部水循环系统构成，可模拟人体全区域出汗[14]。Walter与Coppelius、SAM的最大区别在于前者的出汗方式为被动出汗，其优点是假人皮肤出汗量可随穿着衣物的改变而变化。后来，Walter又添加了自动续水系统、行走系统和姿态调节系统[15]。作为世界上第一个织物皮肤的暖体假人，Walter的出汗效果更加接近人体皮肤，出汗量计算更加精确，但它只能模拟气态出汗，无法实现液态汗的流出，且只能实现整体出汗一致，无法消除局部出汗差异。

图6 Walter

2016年，天津工业大学的梁肖肖等[16]53-54在Walter的基础上进行试验，通过运用涂层技术，实现了Walter的非均匀出汗。试验证明，假人非均匀出汗时测得的服装热阻和湿阻均大于假人均匀出汗时测得的值，且湿阻变化非常明显。但此试验并不精准，未考虑外部环境与假人皮肤的热量交换，其非均匀出汗与人体还存在差异。

2 服装舒适性的表征

1941年，美国耶鲁大学约翰皮尔斯实验室的学者Gagge等[17]428-430提出，在室温为20.0～21.0 ℃、相对湿度小于50%、风速不超过0.1 m/s的环境中，一位静坐或从事轻度劳动的人感觉舒适所穿着的服装的隔热值为1 clo。

人体的散热主要有两种方式：显热与潜热[18]。所以，评价服装舒适性的指标有两个：热阻与湿阻。由服装两面存在温差而产生的热流阻力就是热阻(℃·m2/W)，其物理意义是服装两面温差与通过单位面积服装的热流量之比，它表征服装的隔热保暖能力[19-20]。湿阻(Pa·m2/W)即服装的透湿阻力，其物理意义是服装两面水蒸气压力差与单位面积服装的蒸发热流量之比，它表征服装的透气性。1941年，Gagge等[17]428-438提出热阻计算式；1962年，Woodcock[21]根据热阻计算式提出湿阻计算式。

热阻计算式：

(1)

湿阻计算式：

(2)

人体总散热量计算式[22]：

H=Hd+He

(3)

式中：Rt为服装和空气层的总热阻，℃·m2/W；

As为人体表面积，m2；

Ts为人体皮肤温度，℃；

Ta为环境温度，℃；

Hd为人体干热损失，W；

Re为服装和空气层的总湿阻，Pa·m2/W；

Ps为人体皮肤的饱和水蒸气压，Pa；

Pa为环境水蒸气压，Pa；

He为人体湿热损失，W；

H为人体总散热量，W。

2012年，清华大学的韩雪峰等[23]基于Newton建立了一个多分区多层传热数值模型，经试验验证各分区的热物理参数，建立了热平衡方程，实现了指定环境下假人皮肤的温度变化及其与服装作用的过程。该模型可用作高温条件下暖体假人试验的基础测算工具，对温度变化和服装性能做简单预测。

出汗暖体假人的出汗模拟方式分为两种。一种是完全模拟人体出汗。在不同环境中及不同运动状态下，人体各个部位的出汗量分布不均匀，且性别不同出汗量也不相同，出汗量由多到少的顺序是背部>头部>胸部>腹部>小腿>大腿>上臂[24-26]。当人大汗淋漓时，汗液会沿着躯体向下流，而这部分的出汗量无法用于计算服装的透湿指标。另一种是模拟人体出汗的理想状态，即人体各部位的出汗量均匀分布，不考虑非均匀出汗。这种模拟方式是测试服装透湿指标的理想情况[27]。

3 出汗暖体假人的应用与缺陷

3.1应用

出汗暖体假人主要应用于评测服装舒适性，能精确地测量出服装的热阻与湿阻。同时，暖体假人系统涉及仿生学、热学、计算机学、纺织与服装工程学等学科，其应用极其广泛。以出汗暖体假人为基础，可对服装面料在不同工况条件下的传热、传湿性能进行静态和动态的测试分析[28]。

3.1.1 日常服装的舒适性研究

东华大学的陈益松教授等[29]利用Walter，对日常服装的舒适性进行了大量试验，验证了一个事实：当服装内的空气层保持在一定厚度范围内时，服装越宽大，其热阻与湿阻越小；反之，服装越贴身，其热阻与湿阻越大。当服装内的空气层超过一定厚度范围时，服装的宽松度与其热阻和湿阻成正比例关系，而且在有风的环境中，服装越紧身，其保暖性能越好。

2013年，浙江理工大学的李菲菲等[30]利用Walter，对9件填充有不同材质或不同质量的填充物的服装进行舒适性测试，结果表明，羽绒类填充的服装的保暖性优于中空保暖纤维类填充的服装，但前者的透气性一般。

3.1.2 特种防护服装的舒适性研究

我国航空航天事业正处于高速发展阶段，这要求宇航员的航天服必须达到相应的标准。东华大学与总后勤部、总装备部联合研制的出汗暖体假人已经用于我国航天服的有关研究。2013年，东华大学的陈益松等[31]为研究舱外航天服，在研制出汗暖体假人时，首次提出“分体独立，实时组合”的设计思想，即要求假人可在狭小的空间内完成组装和拆解，这在应对狭小的飞船空间时有着极大的便利。同时，该假人还实现了恒皮温、变皮温、恒功率、变功率控制，这是我国航天服研究的一个重要进步。

因消防工作的特殊性，消防服研制的重要性不言而喻。但消防工作环境比较特殊，消防服研制过程中无法使用真人进行试验，所以利用出汗暖体假人进行消防试验非常有意义[32]。

袁梦琦等[33]结合热电偶测量技术及暖体假人测量技术，测量了高温下防刺服的热阻和湿阻。在温湿度可控制的气候室内，设置不同环境工况，获得了两套防刺服的热阻和湿阻特性，比较了不同部位的热湿阻差异及不同防刺基板材料对防刺服的热湿阻的影响，得出：防刺服的热阻与温度成反比，其湿阻与温度成正比而与湿度成反比。

3.2缺陷

3.2.1 局部服装舒适性测量

当今世界各国研制的暖体假人都只能测试服装整体的热阻与湿阻，而无法单独测试某个区域的热阻与湿阻。这正是出汗暖体假人今后发展的必然趋势，对单独区域的服装热阻与湿阻进行测试，有利于更加精确地描述服装舒适性。同时，一些特种服装更加迫切地要求局部服装舒适性的测试，以实现更合理的结构设计和面料选择。

3.2.2 非均匀出汗

非均匀出汗一直是出汗暖体假人研究要攻克的难点。人体的出汗量并非均匀分布，头、腋下、前胸、后背的出汗量较多，四肢的出汗量较少。因此，测试服装热阻与湿阻时，出汗暖体假人应能实现非均匀出汗，这样才能最大程度地保证试验结果的准确性[34]。范金土等[35]研制的出汗暖体假人即Walter使用织物作为假人皮肤。李学东等[36]验证了针对不同部位使用不同织物模拟皮肤的非均匀出汗是可行的。梁肖肖[16]55在不同部位使用不同材质的织物作为假人皮肤，初步实现了局部非均匀出汗的模拟。但是，测试服装舒适性时，对假人-环境的互相影响，通常考虑不足，如外部环境的变化、人体生理调节导致的汗量蒸发、湿气转移等[37]。今后，应将暖体假人放置于小型人工气候室内，通过计算机调节气候室内的风速与温湿度，模拟不同环境，测试暖体假人不同部位的出汗量，增加试验的精确度。

3.2.3 假人皮肤

现今对暖体假人皮肤的研究还比较少。ADAM和SAM等以金属作为皮肤的出汗暖体假人存在一个很大的缺点，即金属的比热容很小，热量散失快，难以保证假人皮肤温度均匀和稳定[38]。Walter和Newton等使用织物作为皮肤的出汗暖体假人的缺点是皮肤弹性和伸缩性等与人体皮肤存在较大差异，在测试紧身衣等服装的舒适性时误差较大。今后，可采用PTFE膜复合织物[39]及聚烯烃系弹性体(EVA，即乙烯-乙酸乙烯酯共聚物)[40]复合织物作为假人皮肤，改善上述缺陷。

4 展望

可以说，制约暖体假人发展的最大障碍是没有统一的测试标准。现今有很多类型的出汗暖体假人，即使在等温、等湿、等风速的环境中，且测量原理相同的条件下，测试得到的服装热阻与湿阻也不一样[41]。这对服装舒适性评价造成了很大的偏差，其原因归根结底是测试标准的不统一。目前国际上有关服装湿阻的标准只有一个，即ASTM F2370-2016[42]。但此标准只是对出汗暖体假人大小、测试程序及条件做了规范，未对假人皮肤出汗方式做出明确规定。因此，在外部条件完全一致的条件下，由于出汗方式不同，暖体假人的试验结果也有差异。

今后，针对不同的出汗暖体假人，首先应在ASTM F2370-2016的基础上对假人的出汗方式做出明确规定(即气态出汗和液态出汗)；其次，对暖体假人的温度控制做出规定(即加热方法)，因为不同的加热方法会影响试验结果的重复性和再现性(如织物皮肤温度无法直接控制)；最后，对有关指标的计算方法进行统一，严格按照质量损失法进行计算，因为质量损失法的本质决定了其正确性和可靠性，而且随着相关研究的进一步发展，未来可能会出现更先进的出汗方式，使用质量损失法更加可靠。只有通过不断完善相关标准，严格规定测试条件，才能得到更加接近真实人体出汗的效果。

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Research status and development direction of sweating thermal manikin

WangHuan,MaCongqi,LvHanming

School of Textile, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China

The research status of sweating thermal manikin in domestic and foreign countries, as well as the identification method for clothing comfort, were systematically described. The applications of sweating thermal manikin in study of daily clothing and special protective clothing and so on were reviewed, and the disadvantages of sweating thermal manikin, including uneven sweating of skin, testing of partial clothing comfort and material of manikin skin, were pointed out emphatically. The most urgent development direction of sweating thermal manikin was proposed, which was the unification for the test standards of clothing comfort.

sweating thermal manikin, clothing comfort, uneven sweating, manikin skin, test standard

2017-08-25

2017-09-13

王欢，男，1994年生，在读硕士研究生，主要研究方向为服装舒适性的测试方法

马崇启，12197759@qq.com

TS941.17

A

1004-7093(2017)10-0001-07