基于人类工效学的运动夜跑护膝设计研究

栾熙鹏 （北京服装学院，北京 100029）

一、人类工效学理论方法

人类工效学是一门研究“人—机—环境”之间互相作用的学科。它是研究人在某种特定工作环境中的心理学、生理学和解剖学的学科；研究任何机器及环境的相互作用；研究在工作、家庭生活和休闲时间怎样考虑工作效率、人的健康、安全和舒适性等问题的学科①。

针对穿戴产品的设计有服装工效学。服装人体工效学的研究内容主要涉及人、服装及生活、工作环境三方面及三者之间的关系。

（1）人的因素。静动态尺寸测量、生理指标测量。研究人体舒适指标、耐受限度、作业姿势和人体负担研究等生理心理研究。

（2）系统因素。分为材料因素、结构因素、色彩因素。材料因素首先是适合并符合健康、舒适的目标。其次考虑的是材料的功能性，如防风、防水。结构因素是设计应达到合体合理、舒适方便的目标。色彩因素是色彩和图案对人心理所产生的影响。和谐的色彩搭配能使人赏心悦目。

（3）环境因素。包括内环境和外环境两方面，内环境指人体与服装间的环境。外环境指着装人体的服装之外的环境。

二、人体膝关节生理需求研究

膝关节是两端杠杆长周围骨肉少的结构复杂的大关节。据北京运动医学研究所对2725例运动创伤病例的分析，膝损伤占25.82%，占各部运动损伤之首②。

膝关节是由脂肪垫、半月板、韧带、骨骼和滑膜组成的结构复杂的人体重要关节，具体结构如图1。从生物力学的角度分析膝部护具的设计需求，结合膝关节的结构，损伤机理以及运动防护知识，为研究护膝的实际防护效果提供理论基础。

图1 膝盖部位

（1）髌骨。其是膝关节的核心骨结构，由肌肉控制运动，常规的运动状态下髌骨不会发生大的位移③。跑步运动中髌骨受到的伤害主要为三点，一是摔倒后髌骨容易受到撞击损伤。二是当膝关节在屈曲到130°～150°时力量可以达到最佳支撑状态，当角度大于这个度数，髌骨软组织受力会更大。三是膝关节做内外旋活动时，膝关节内、外侧两侧副韧带顺势出现松弛，髌骨受到“挤压”和“捻搓”④。

（2）半月板。其是一块对股骨和胫骨发生的碰撞起到缓冲作用的半月形的软骨，以起到对两块骨头的保护作用。半月板是软骨组织，会随着人体衰老而逐渐消磨，并且膝盖受到剧烈冲击也会导致半月板受损。跑步运动中半月板受到的伤害主要为三点，一是在重力和冲力作用于半月板时易受到戳伤。二是半屈曲状态时肌肉和韧带出现松弛，膝关节会失去稳定性，在出现拧转或内外翻情况时，内侧半月板会发生破裂⑤。三是膝过伸或过屈动作也对半月板有损耗。

（3）韧带。膝盖内有四条主要的韧带，内侧和外侧突韧带的作用是限制膝盖的轴向运动，其余两条前、后十字韧带的作用是约束膝盖前后方向的运动。跑步运动中韧带受到的伤害主要为两点，一是关节屈曲较大超过130°～150°时内侧韧带纤维松弛，容易产生损伤。二是小腿内旋或者外旋发生外侧副韧带损伤⑥。

三、护膝防护结构需求

防护产品的最主要功能就是对于运动时关节发生的冲击进行缓冲，保护关节骨骼结构和其他组织不受伤害或者减缓伤害。首先要通过护具减小运动中过程中的膝部的弯曲程度，膝关节的曲度变化过大的情况下部分韧带松弛，长此以往容易对半月板、部分韧带、髌骨造成损伤。其次是过屈、过伸、重力太大或者撞击等过度损坏造成的髌骨、半月板损伤。所以要针对摔倒容易受到撞击的部位加强防护。最后是膝部弯曲时小腿内旋或者外旋对膝关节产生额外角度受力，长此以往容易造成髌骨、半月板以及韧带受损。所以要对两侧韧带进行稳定紧固，从而减小横向的弯曲扭动。

四、护膝防护材料需求

综合考虑面料的厚度、透气透湿性能和亲肤舒适度，通过护膝面料的热湿传递等作用，找到人体保持舒适满意的性能。结合用户的功能需求对面料三个方面进行优选。将套筒穿戴式和开口调节式护膝的面料所占比重进行分类对比。

（1）护膝面料实验。从功能性护膝的市场调研数据中，选取套筒式护膝中最常用的几种材料：尼龙、带绒竹炭、不带绒竹炭和棉，以及开口调节式护膝的聚氨酯复合面料，对这些面料的透气、透湿性，厚度和接触舒适性进行分析对比。其中厚度d的单位为 mm，透气性为R，透湿率为WVT，透湿度为WVP，透湿系数为PV。

表1 织物性能对比⑦

（2）护膝面料分析。由上表数据分析得出，最轻薄的是棉质织物，具有最佳的透气透湿性，透气性能突出。但棉质织物和竹炭织物弹性很差，作为护膝主要面料弹性不够。聚酯纤维比尼龙的面料市场使用率高，聚酯纤维因为添加氨纶使其弹性很好，适用于对膝关节进行加固。聚酯纤维的透湿性、透热性不是很高，所以使其在保证一定的透湿性、透气性的情况下还具有保温性，因此选定以聚酯纤维作为护膝设计所用面料。

五、护膝防护的环境需求分析

跑步作为简单的健身方式，对场合、时间、器材局限少，受到人们青睐。跑步活动的时间、地点虽然选择自由⑧，但在不太适合运动的地点和时间，比如在马路人行道或者夜间进行跑步运动更容易因环境导致受伤。

国内目前存在的相关夜间安全隐患如表2所示，由于相关部门监管不当、活动空间缺乏和跑步不文明行为等社会问题，导致许多地区有关夜跑的车祸、失踪等事件层出不穷。

表2 夜跑安全隐患种类、发生概率以及主要原因⑨

通过对大量夜跑意外伤害事故进行分析，发现在夜间跑步的人群主要是由于未提前规划好安全路线，过于忽视交通安全甚至占用机动车道等原因导致了安全问题。夜晚光线条件不佳，会大大削弱人的视觉能力⑩。所以可对夜晚跑步人群增加照明、提示或者防摔功能，增加他们的跑步的安全性。对于护膝的设计可以考虑增加3M反光条、荧光涂层等夜晚提示功能，增加对他人的提示。

六、设计原则

通过对膝关节进行人类工效学分析，总结出膝部在运动时的生理防护需求、膝部护具的结构、材料分析以及环境问题和解决方法。

（1）结构需求。首先是要通过护具减少运动中过程中的膝部的弯曲程度，从而防止关节运动中弯曲幅度过大造成的部分韧带松弛，以及对半月板、部分韧带、髌骨造成损伤。其次是针对摔倒容易受到撞击的部位加强防护。最后要对两侧韧带进行稳定紧固，从而减小横向的弯曲扭动造成的韧带、半月板损伤。

（2）材料需求。分别是厚度、透气透湿性能和亲肤舒适性。厚度方面将选择较为轻盈、薄厚适中的面料；透气透湿性方面，要求有极佳的透气透湿性能；在亲肤舒适性方面，将基于主观评价数据，从中选择综合评分较高的。通过大量实验分析得出，聚酯纤维最适合作为运动护膝的面料。

（3）环境需求。环境对跑步的主要的问题是路面的情况和夜间的安全问题。在路面状况不好的地方跑步容易摔倒，所以需要防摔的功能。夜晚在灯光昏暗的环境下跑步，一是跑步者视觉受限，二是跑者不易被过往行人车辆察觉，所以需要反光材料或者灯光来改善跑步者的视线以及对周围车辆行人等进行提示及让跑者看清路况。

结语

通过对膝关节运动时的生理状态进行分析，得出夜跑运动护膝产品的结构需求、材料需求、环境需求。夜跑运动护膝的设计原则主要为，首先对膝关节进行防磨损保护和防摔倒保护。其次为采用透气性透湿性以及亲肤性能好的材料，并且弹力和厚度也要合适。最后为对夜晚视野和交通导致的安全问题进行分析和设计。从而对夜跑运动护膝的设计提出有效的指导。

注释：

① 黄河.设计人类工效学[M].北京：清华大学出版社，2016：5.

② 郭杰.膝关节运动损伤的生物力学因素分析[J].体育科学研究，1999(01)：47-49.③ 赵娜.老年患者跌倒的原因分析及预防对策[J].医学信息，2011(08)：5140.

④ 王建全.骨形态发生蛋白对膝内侧副韧带止点愈合影响的实验研究[J] . 体育科学，2001(03)：55- 58.

⑤ 郭杰.膝关节运动损伤的生物力学因素分析[J].体育科学研究，1999(01)：47- 49.

⑥ 体育院系教材编委会.运动医学[M].北京：人民体育出版社，1992：55- 64.

⑦ 胡帆.针对膝骨关节炎功能护膝的研究与设计[D].上海：东华大学，2017.

⑧ 林天皇.在高校开展夜跑运动势在必行[J]．体育世界（ 学术），2018(04)：170+174．

⑨ 陈思佳，侯佳希，徐铭玄.基于夜跑安全的智能运动背心设计[J].学研探索，2018(02)：130-131．

⑩ 李佳豫．以沈阳马拉松赛为契机解析城市“夜跑”运动[J].体育世界（学术），2016(12)：52-53．