折叠式仿生自行车头盔设计研究

张睿 刘宇治

关键词：折叠式 仿生 自行车 头盔 产品设计

引言

自行车头盔是用于城市居民骑行安全防护的产品，其质量关乎骑行者的生命安全。由于头盔佩戴者头形差异较大，佩戴主观感受难以统一，国内外头盔设计长期存在佩戴适合性差、佩戴稳定性有限及佩戴舒适性不足的难题，给佩戴者带来了安全隐患。因此，有必要从实际出发，参照仿生学知识，优化设计自行车头盔结构。产品形态仿生设计以其生动形象的造型让产品具有强烈的情感色彩，并在使用过程中带给用户趣味化的体验，使用户在高压状态下的生活得到放松，极大满足了用户期望从产品上获取温暖的心理需求，符合工业产品设计“以人为本”的发展趋势。

一、城市自行车头盔市场现状分析

（一）国际品牌主导国内市场

目前，市场上较为常见的自行车头盔多为来自北美和欧洲的知名品牌，如闪电、TREK、GIANT、BELL、GlRO和KASK等，价格均为干元以上。国产品牌以GuB为代表，价格区间在200元至500元。还有一些山寨产品，价格在几十元到百元不等。在山地车骑行运动发烧友这个群体中，90%以上的用户都选择购买国际头盔品牌，因为这些产品大都通过了欧洲、美国和澳大利亚（分别为CE、CPSC和AS/NZs标准）三大市场的自行车头盔安全认证，质量有保障，其所用材质和安全性设计要高于国产品牌及山寨产品。有些高端头盔产品更添加了智能导航、远程控制等功能。面对国际品牌强大的竞争力和国内低碳出行的倡导，中国城市自行车头盔的自主设计任重而道远，如图1、2。

（二）自行车头盔使用率不高

以笔者生活的城市为例，路上随处可见自行车骑行者，却几乎没有人佩戴头盔。据不完全统计不佩戴头盔骑行者多达70%;佩戴头盔骑行者只占10%左右，主要为山地车骑行运动者;曾经佩戴过头盔的骑行者约占20%。根据对这些群体的随机访谈结果来看，自行车骑行者不佩戴头盔的原因主要有：

1.根本没有要佩戴头盔的意识。

2.骑行路程较短，没有必要佩戴头盔。

3.啟己骑车技术好，不会出现意外。

4.头盔佩戴麻烦。

5.长久佩戴头盔容易发闷发热。

6.启己本来想戴，看大家都没戴，就不戴了

7.形式感太强，没有必要。

8.头盔不方便携带。

自行车骑行者戴头盔现象之所以少见，是因为公众主动预防伤害的意识较弱。医学研究发现，骑行时佩戴自行车头盔可防止头部受伤的概率达85%，同时也可以大大降低损伤程度和事故死亡率。头盔能够对最初的冲撞起到缓冲作用，降低冲击力度，以及颅骨骨折和脑出血的可能性。因此，头盔应成为自行车骑行者的必备品。

（三）自行车行车安全教育不足

为了提升城市交通安全系数，国内很多城市都对道路进行了重新规划和建设，如将机动车道和非机动车道隔开，以及建设专用自行车道。但仍避免不了机动车占用非机动车道的现象，也可见自行车骑行者为图方便快捷，漠视交规，在机动车道上飞驰的现象。建设有效的非机动车行车安全宣传和监管平台，包括骑行时佩戴头盔的提示，也是十分必要的。

二、城市自行车头盔设计要素解析

（一）种类及造型

按用途分，自行车头盔可分为山地盔、公路盔和竞赛盔三种，且多为椭圆形。适于普通城市自行车的头盔在种类造型上必须满足以下几点：（1）圆形，更加贴合亚洲人头形，佩戴紧凑，可避免头部两侧夹持感;（2）轻便，便于拿握、佩戴和悬挂，但头盔重量受结构和材质的影响，设计时需要根据用户需求，结合产品成型工艺进行优化;（3）满足对用户后脑的保护。人类后脑很脆弱，极易受到伤害，对头盔覆盖后脑的部分设计要求更高，也是区别头盔价值所在。

（二）结构及材质

自行车头盔的结构设计主要从以下几部分入手：

1.帽壳——覆盖于帽体之外的薄膜，与帽体相贴合，可分散撞击力，材质主要有聚碳酸酯（PC）、涤纶树脂（PET）和聚氯乙烯（PVC）真空成型。

2.帽体——头盔的主体，设计须符合头部结构，符合国际认证安全标准，材质主要有合成树脂（EPS）和聚氨酯泡沫塑料（EPU）两种。一体成型的头盔帽壳和帽体间没有空隙，韧性和强度也更好。

3.束锁装置——将头盔固定在用户后脑部，增强头盔稳固性。束锁装置应具有调节作用，以协调帽体本身尺寸和头部的贴合程度，因此，可在保证产品整体结构协调的基础上，在头盔后脑部加入可调节的弹簧带，并根据产品成型工艺仔细推敲。

4.帽带及扣环——帽带与脸部皮肤紧贴，材质以柔软、不伤皮肤的尼龙为主。扣环的主要作用是扣紧帽带，防止头盔晃动。设计时应避免尖锐棱角，考虑系扣和解扣时的便捷性。

5.气孔——通风导流。其位置和大小均对头盔的舒适度有很大影响，设计时需要结合产品整体尺寸和造型确定最优方案。

6.村垫——由于人体头部结构不尽相同，在设计时可在帽体内部不同区块增加可移动调整的衬垫，以补足帽体与头部之间的空隙，使头盔佩戴更加舒适。材质一般选用透气性强的棉或发泡物。

三、折叠式仿生自行车头盔的创新设计

（一）市场定位及设计概念

根据市场分析可知，普通城市自行车头盔设计应在保证品质和工艺的基础上，不盲目追求高端智能的产品功能，而真正从大众用户需求出发，应用仿生学原理，设计真正符合大众需求的自行车头盔产品。而在设计的课题中，往往在开始阶段只有极少量的信息可供参考，更多的是依靠个人的判断以及做出的种种假设，并且总是有不止一种正确答案。本次设计的目的是设计一款实用、坚固、美观、轻便的城市自行车骑行头盔，根据自行车头盔结构标准，选择合适的生物原型，并提取其特征点，进行仿生产品创新设计的路径探索。仿生头盔设计抗冲击系数更高，整体重量比同类城市骑行头盔更轻，风阻性更低，透气性更好。设计过程中主要运用形态仿生和结构仿生两种方法。生物原型为穿山甲和蜂巢。

（二）仿生原型分析

穿山甲全身覆盖由角蛋白组成的菱形鳞片，鳞片相互堆叠，由脊背中央向身体两侧纵向排列，呈剃刀状，这种顺序排列的鳞片能防止穿山甲在打洞时泥土黏附身体。受其他生物攻击时，穿山甲的身体能够蜷成球状，堆叠的鳞片在每个节点处相互咬合，使穿山甲身体外壳更加坚硬，有效防御外敌入侵，如表1。穿山甲流线型的身体外形和自行车头盔的基本造型相吻合，可作为头盔帽壳的设计参照物，设计特征提取为坚硬的材质、合理的物理结构以及优美自然的形态。

自行车头盔的帽体为产品主体部分，对强度和韧性有很高的要求，此处提取蜂巢的结构形态进行简化处理，使其更加符合产品形态设计要求。蜜蜂在长期的演化中具有了制造蜂巢的本能，而且工蜂总是用六棱柱形的单元结构制作成蜂巢。研究表明，这种稳固的结构重量轻，刚性大，隔热性好，如表2。将此结构运用于头盔帽体内衬，能够使产品更加美观舒适。

（三）产品创新点

1.简化及应用生物原型特征

单纯的一个生物不会引人注意或者引起情感共呜，但是将其与产品联系起来就会有丰富的联想空间并能够产生丰富的情感，将其衍生为产品也会成为迎合大众的设计，同时会增强作品的个性化。通过对穿山甲体态特征的研究与分析，并且对自行车头盔产品造型形态的研究发现，头盔帽壳的外部轮廓能够详细表达穿山甲独特的形态特征，给用户最直观的设计感受。由于穿山甲身体造型多为自由曲线，为设计出贴合人类头部外形特性的產品，这里主要选取穿山甲背脊主特征线用于控制头盔形态的主要风格，从整体上显性有效地表明产品形态特征，如图3。头盔内衬造型则由蜂巢生物特征出发进行联想，采用六棱柱形的网眼单元结构，使产品既轻便透气，又坚固耐用，如图4。

2.便携折叠式设计

为使头盔便于携带和收纳，可折叠自行车头盔具有极佳的灵活性。设计时，主要参照穿山甲鳞片相互堆叠的菱形结构，头盔能够以双耳部位为轴纵向折叠和展开，如图5。值得注意的是，如果折叠组块过多，可能会影响组件之间链接的稳定性，也可能会引起头盔内衬断裂，从而导致使用安全隐患。因此，在后续改良设计中，还需要应用力学原理对产品结构进行计算和评估。

3.产品结构细节及功能

头盔产品的主要目的是拯救生命和防止创伤性脑损伤。在正确佩戴的情况下，头盔应当遮挡以眉毛为基线以上的头部范围，并对后脑形成保护。除了上述仿生设计的部分外，本次设计在头盔前部眉心位置设计了固定环和折叠卡扣，用于固定头盔打开后的造型以及佩戴在头部的位置。帽体两侧的透气孔主要起到通风和确保头部干爽的作用。警示灯用于夜间骑行时提醒来往车辆注意和骑行者保持安全距离，警示灯的开关则设计在帽带上，便于操控。在帽带下颚处设计固定扣环，并在侧耳处安排调节器，以确保头盔佩戴时不会左右摇晃，如图6。

4.产品CMF

（1）颜色：本产品从创新设计视角出发，发现用户的细节需求，提供创新的产品色彩定义及产品图案设计，通过高光区域颜色减淡和暗部颜色加深处理增加对比度。并针对不同性别、性格用户提供丰富的色彩选择，对不同色彩赋予不同的象征意义。比如，黑色代表沉稳，灰色代表时尚轻便，绿色象征环保等，如图7。

（2）材质与工艺：此次头盔帽体将采用一体化注塑成型工艺，能够使产品更加坚固耐用，注塑成型的成型周期短，特别适合大批量生产。外壳采用可发性聚苯乙烯（EPS）材质，防潮性、绝缘性和保温性好，亦可使产品质量轻，便于佩戴。传统头盔内部采用泡沫、聚乙烯等实心材料作为缓冲结构吸能结构.折叠式仿生自行车头盔内衬采用3D速干材质和多层开孔结构工艺，使骑行更加舒适。帽带材质考虑以尼龙为主，配以十字编织工艺，既满足用户保护皮肤的要求，也起到装饰的作用。

结语

本次折叠式仿生自行车头盔设计是为了弥补同类高端品牌和地段产品之间的断层，解决大多数城市居民骑行安全问题。虽然设计还存在许多瑕疵，但它是在理解人、产品、自然和社会的关系的基础上做出的创新尝试，是以为符合大众安全性需求为设计出发点的，能够为研究类似产品和相关设计生产实践提供参考。日后，在时刻关注市场发展趋势的基础上，在设计过程中以用户需求为出发点，掌握产品创新设计的基本原则和一般规律，还能够进一步找到解决问题的方法，设计出符合要求的自行车头盔产品。