吸能缓冲防护服装的研究进展

王雅娴， 李艳梅

(上海工程技术大学 纺织服装学院， 上海 201620)

低速冲击下的吸能缓冲类防护服装，针对的主要目标群体为运动员群体或者老年人群体。人体在受到外力撞击时，其外力所产生的载荷会对人体骨骼造成不可逆的损伤，如特殊劳动工种。同时，相关研究显示，在运动竞技领域，如摔跤、马术运动、轮滑等，当人体肢体落地时，地面会对骨骼产生瞬时冲击力，当所受冲击力较大，则会损伤骨骼；而对于老年群体，由于其平衡能力较差，且骨密质随着年龄增长越发稀疏，当该群体摔倒后，极易造成骨骼断裂，进而引发一系列并发症甚至死亡。据调查，在我国，跌倒致死居于死因排行第4位，而对于65岁以上的老年人而言，居于首位[1]。由于外力撞击导致骨骼受损所耗费的治疗周期极长，且所需费用较高，因而如何预先减少外力所产生的损伤已成为国内外研究人员关注的重点。

本文主要以低速冲击条件下的吸能缓冲服装为研究对象，阐述了对于该类服装防护方式的选择、防护性能测试方法的研究进展，概括了当前所采用的测试标准，最后提出有关吸能缓冲服装研究的发展趋势。

1 防护方式的选择

1.1 基于预先检测的可触发式防护

可触发式防护，其原理源于汽车安全气囊， 当受到外力撞击时，气囊通过自身压缩，吸收部分外力，对相关部位进行防护减少损害。可触发式防护方式重点在于前端传感器的开发、算法的优化，该实现方式概括为2种，一种为自动式触发，核心为通过传感器监测人体运动状态，以阈值预判是否发生特殊情况，例如以基于微机电系统(microelectro mechanical systems，MEMS)[2]的加速度计及陀螺仪进行动作预判，并采用舵机带动连杆刺穿瓶体，气囊在333 ms内充气保护人体臀部。日本研究人员[3]研发了一种新型夹克，该夹克通过识别加速度及角速度变化判别人体摔倒，下发指令致火药点燃并迅速释放气瓶气体，气囊可在120 ms内完成充气，保护人体头部及臀部，有效缩短反应时间，但误判率较高，并具有一定的危险性。李慧奇等[4]开发的穿戴式跌倒防护系统，内置九轴惯性传感模块检测运动状态，在人体摔倒前预先0.3～0.5 s检测跌倒事件，触发气囊，最终结果表明髋骨峰值冲击力较未防护时减小70%，充分发挥气囊的压缩性能，安全性也得到提高。另一种为手动式触发，如Prop公司于2008年日本展会展出的可穿戴式气囊，常态下气囊处于未充气状态，但当摔倒事件发生时，需人为触发气囊开关，缺乏及时有效性。

当前国内外针对可触发式产品的研究依然不足，无论是瑞典的Hovding新型头盔、法国Helite的Hip Air(可穿戴式安全气囊)或是Active Protective[5]腰带式安全气囊，均未完全面向市场。王国杰[6]设计研发的安全气囊防护系统，在最终测试环节只进行了假人实验，安全性能未知，因而对于气囊系统，需进一步消除安全隐患，同时前端预测算法的优化依然值得探讨，预测精准度仍需提高，面向市场仍需进一步完善。

1.2 基于缓冲材料的非触发式防护

非触发式防护，偏向于特殊材料的应用。其防护机制通常采用能量分流和能量吸收二者中的一种或二者结合的方式。目前可用于吸能缓冲的材料分为如下几类：硬质分流型、软质吸能型、硬-软组合型防护。

硬质分流型防护，常见的材料包括轻质塑料、硬质凝胶[7]等，如标准型McDavid 足球防护裤[8]。该类防护材料主要通过分散关键部位的外力至周围软组织，减少人体骨骼损伤，但是硬质材料极易损坏，且舒适性、柔韧性较差，易对肢体活动性产生阻碍，适用群体较少；因而近年来，研究重点偏向于软质吸能型防护方面。

软质吸能型防护主要通过材料本体吸收外部能量，减弱传递到骨骼的冲击力，既包含基于纺织服装本身的基础织物，如通过选用最优纱线及最优组织织造，吸收部分撞击外力[9]，又包括具有吸能作用的特殊材料，如聚氨酯、间隔织物[10-11]以及新型材料如D3O凝胶、剪切增稠(STF)[12]等。当前，软质吸能型防护材料多应用于裤子、背心、衬衫、外套等，如表1所示。

表1 应用软质吸能型防护材料的服装Tab.1 Clothing for application of soft energy-absorbing protective materials

目前，国内外针对软质材料本身抗冲击性能[19]的提高进行了相关研究。研究人员对6种不同厚度及网眼结构的经编间隔织物涂覆有机硅。间隔织物为三维织物，主要通过中间层间隔纱的可压缩性吸收外部能量，由实验可知涂覆有机硅的间隔织物刚度增加，承载外力的能力显著提高，且织物厚度越厚、外层网眼结构尺寸越小，其峰值传导力则越小[20]。对于软质材料的穿着舒适性研究略有不足，针对该方面的研究除主观性评价之外，以探讨其热生理防护性能为主。有学者[21]通过“皮肤模型”对间隔织物进行了物理测试，说明对于间隔织物而言，织物表面的结构、间隔厚度、面密度对其热舒适性有显著影响。Wiah Wardiningsih等[22]为使舒适性更近于真实成品状态，将防护材料置于21 cm×21 cm的口袋中，采用iSGHP热-湿阻检测仪器系统性地研究了不同材料、不同厚度防护材料的热阻、湿阻及透气性。相对于其他材料而言，间隔织物具有较大空隙，透气性较佳，且经STF处理的间隔织物缓冲性能显著增加，具有一定柔软度，穿着舒适性较好。

软-硬组合型防护以硬质材料作为外壳、软质材料作为内衬，这种组合形式不仅可分散作用力到周围，而且可衰减冲击载荷，减少外力对骨骼的损害，是当前较为理想的防护组合。早前，国外有学者将丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料(ABS)刚性外壳与闭孔聚氨酯材料结合制成髋骨保护器，其中的聚氨酯材料可有效衰减75%的冲击力[23]。文献[24]尝试在硬质弧形防护壳体中添加固体凝胶制成护膝，防护层总厚度控制在9～11 mm。Lee[25]以剪切增稠聚合物(shear thickening polymer，STP)和泡沫塑料结合，并最终确定6 mm或8 mm的STP结合5 mm的泡沫塑料可达到最佳防护效果。不可避免的是，凝胶、STP等材料本身具有一定的重量，所开发出的产品依从性较差。

无论是可触发式防护还是非触发式防护，对于相应材料应用于服装领域时所带来的穿着舒适性问题研究仍有不足，现有热生理穿着舒适性能研究多数在静态条件下进行测试，缓冲材料对皮肤的摩擦性能、压迫性能尚未有系统性评价，且成衣的外观问题、合体性问题仍需优化。

2 防护性能测试

由于涉及人体着装状态时的防护性能研究较为复杂，对于吸能缓冲服装的防护性能，学者们多偏向于直接研究非着装状态下吸能缓冲材料本身的防护性能。总体而言，针对防护性能的测试大致为仪器模拟测试、真人测试、数值模拟。

2.1 仪器模拟测试

仪器模拟测试通常用来针对材料本身的抗冲击性能进行测试，模拟人体碰撞作用下摔倒过程中峰值力的衰减[26]，表征该性能的指标主要有剩余冲击力、冲击加速度峰值、峰值持续时间等。测试系统主要包括落锤、负载传感器、测速传感器等。为模拟真实情况下的人体皮肤，通常会放置有机硅弹性体或者橡胶。

常见的冲击测试形式有2类，一类为竖直式落锤测试，如Instron落锤冲击仪[27]、上海工程技术大学的低速冲击仪等。Tadano[28]等学者采用自主研发式落锤测试仪，系统研究了冲击载荷与防护垫吸收撞击力能力的关系，建立方程如下：

另一类为摆锤式，如髋部防护材料冲击模拟测试[29-30]，主要包含锤体、负载传感器、大转子-股骨模型、模拟软组织的材料、固定墙面，可用于模拟真实情况下人体摔倒时骨骼受到的冲击力，准确性更高。

在未知材料的具体防护效能时，该方法可较好地规避风险。同时，该方法可通过模拟人体着地时的局部受力状况，定量分析相应因素与材料抗冲击性能之间的关系，但是，此方法仅局限于织物层面的测试，忽略了人体着装状态下的实际吸能缓冲效能。

2.2 真人测试

真人测试可用于研究着装状态下的材料隔冲性能，测试手段主要包括组合式传感器系统、三维动态捕捉系统等。

文献[31]的真人测试中，志愿者依墙而立，释放冲击摆锤对防护服装大转子位置撞击，证明了使用防护垫减少骨骼损伤的可行性。Wiener等[32]将压电传感器置于防护垫下，志愿者从正常站立状态摔倒在地面上，这也是首次定量研究侧向摔倒的志愿者着衣状态下防护垫的性能，但由于所用传感器并未覆盖到整个防护区域，最终只有5%的力可传递到传感器上。为得出整个接触区域上的受力，Choi W J等[33]研究人员以天花板上的电磁铁吊索提高横向志愿者的离地高度，约5 cm，然后释放着衣状态下的志愿者进行模拟骨盆实验，以测力台、二维扫描板组合，系统研究大转子处峰值压力的位置以及压力的分布。国内学者[34]对于防摔护膝也采用真人测试的方法，获取相关部位的冲击力，最优化服用参数。

运动捕捉系统主要记录物体在空间中的运动过程，揭示运动状态对人体部位产生的影响[35]。黄燕超等[36]将运动生物力学与其结合，使用该系统捕捉人体已粘贴Marker点部位的空间运动轨迹，获取其三维数据，并通过逆动力学原理转换成运动参数，计算出关节的变化角度[37]、关键点移动的距离或瞬时速度值[38]等，建立织物参数与服装防护性能之间的关系。李媛等[39]以基础模型中的关节击球动量峰值及变化率为指标参数，采用动态捕捉系统捕捉网球运动时的上肢动作，建立上肢护具面料的弹性、厚度、叠加方式、包覆方式与人体防护参数之间的关系，有益于实现吸能缓冲服装对人体准确的防护。

真人测试一般只适用于低冲击载荷测试，譬如击球运动如排球、网球等，但是对于较高能量冲击力的测试，存在一定的危险因素。另一方面，对于参与测试的志愿者选取要求也更为严苛。部分防护类服装目标群体虽为老年群体，但从安全性角度考虑，通常实验对象会选取健康年轻群体做进一步讨论，与目标群体实际情况略有误差。

2.3 数值模拟

随着计算机技术的进步以及算法的迭代更新，数值模拟方法开始在各领域得到应用。近几年，有许多学者将模型逐渐应用在服装防护领域。从最基本的模型来看，有学者[40]将人体肢体受力简化为弹簧振子模型，并考虑服装面料因素，进一步构建“骨骼-肌肉-辅助防护层”模型，通过数值求解，分析织物材料各因素对其系统防护性能的影响。

除此以外，采用有限元法建立模型也是当前较多学者关注的重点。此方法多应用于汽车碰撞领域，可用来模拟车门用多轴向经编复合材料的抗冲击性能[41]，也可建立生物力学损伤模型，较准确模拟人体肢体软组织损伤、骨骼损伤的真实情况，通过观察模拟撞击前后关键部位前后的形态变化、应力变化，可客观建立部位损伤机制[42]。在低速冲击条件下，基于中国力学虚拟人[43]模型库，研究人员[44]对人体侧向摔倒骨盆-股骨整体进行有限元建模，证明外力冲击下造成的断裂点位于大转子、股骨颈等处。在此基础上，有学者以防护材料和人体骨骼共同建立模型，验证了有限元模型可用来预测吸能缓冲服装效果的可行性。孙培栋[45]利用获取的志愿者的侧方摔倒姿势、冲击瞬时速度等数据建立盆骨-软组织-海绵泡沫的有限元模型，参数如表2所示。该模型不仅可预测高能量侧方摔倒时关键部位的冲击力，还可评价人体着装状态海绵的具体防护效能，与实际真人实验值相近，可信度较高，但该模型仅预测一种防护材料的防护性能。

表2 盆骨-软组织-海绵材料模型中材料参数Tab.2 Material parameters in the model of pelvic-soft tissue-sponge material

相对于仪器模拟测试而言，数值模拟能够提高一定的效率，且能规避真人测试的风险，但由于人体本身结构的复杂性，数值模拟在技术层面上也是一种挑战，且与人体真实情况下的运动状态依旧存在一些误差，在应用层面上仍需进一步优化。

3 测试标准

当前，对于吸能缓冲服装具体的防护效能测试尚未有统一的标准。国内外做相关测试时可借鉴缓冲材料的减震性能测试方法如ASTM D575—1991 《橡胶压缩特性的标准试验方法》或者GB/T 8171—2008《使用缓冲包装材料进行的产品机械冲击脆值试验方法》，也可采取遵循已有经验值的方式，或借鉴摩托车服的耐冲击标准如BS EN 1621-1∶2012《摩托车手抗机械冲击防护服 第1部分：冲击防护装置的要求和试验方法》及BS EN 1621-2∶2014《摩托车驾驶员的防机械冲击防护服 第2部分：摩托车手背部保护装置的要求和测试方法》，也可遵循有有关髋部防护的生物力学国际声明[46-47]等。

对于借鉴缓冲材料减震性能的测试标准或对于遵循经验值作为标准，如人体骨骼的平均阈值为3 100 N[26]，当采取不同的测试方式、设备时，获取的防护材料衰减外力的能力也会不同。在机器模拟测试中，所用刚体质量的不同、模拟人体皮肤材料刚度和厚度的不同、冲击速度的不同、防护材料面积和几何形状的不同均会影响最终所表征的材料吸能缓冲能力。

耐冲击标准中对于摩托车骑行服局部关节部位的要求为：当施加50 J的撞击能量时，防护材料穿透力的平均值小于35 kN，且撞击区域穿透力峰值应小于50 kN；对于背部，要求施加同等能量的力时，防护材料穿透力的平均值应小于18 kN，撞击区域穿透力峰值小于24 kN。而事实上，人体正常运动情况下，击球或摔倒时关节部位所受到的力远远小于上述值，因而此标准并不适用。

对于髋部防护的生物力学国际声明文件中，规定了测试时的仪器初始摔倒模拟速度分别为2.0、3.4、4.5 m/s，但是该测试仅针对髋部防护材料的测试有效，普适性较低。

4 结束语

低速冲击条件下的吸能缓冲防护服装是目前学者们关注的重点。本文概括了现有防护服采用的触发式、非触发式防护2种防护方式，分析了目前其防护效能测试的3种方法及几项参考标准。基于当前现状，本文提出以下几点建议。

1)当前，多数防护产品停留在实验室研究领域，已有防护产品的依从性较差，其产品整体美观度有待提高，且有必要协同多领域开发研究，因此，优化吸能缓冲材料与服装的结合，通过三维人体扫描技术对吸能缓冲材料实现在服装关键区域的定位；优化结构设计，使其无突出外观，增加产品的可接受度。

2)目前，大量研究都集中于研究吸能缓冲材料本身抗冲击性能，但对于材料的服用性能及穿着舒适性能并没有充分考虑，如透气性能、透湿性能、压缩性能等。现如今的部分吸能缓冲服装所采用的材料，要么增加厚度提高其抗冲击能力如聚氨酯，要么增加重量提高其抗冲击能力如凝胶，这对于人体本身的肢体活动性、服装的依从性均会造成影响；因此，加大对吸能缓冲材料服用性能的研究，不仅从静态层面测试，也应结合动态层面进行测试。可采用出汗假人从热生理穿着舒适性、心理穿着舒适性、接触舒适性等几个方面综合评价该类服装的穿着舒适性，实现应用价值。

3)对于防护性能的测试，真人测试可在一定程度上模拟真实部位受力情况，但不同的实验对象或不同的姿势会对实验结果产生误差，且有一定的风险性；仪器模拟测试及数值模拟可规避实验对象安全问题。仪器模拟测试虽能在一定程度上获取真人测试中未得出的冲击结果，但仅表示人体静止条件下所受到的冲击力。人体是一个运动的个体，通常情况运动状态下的人体受到冲击时其遭受的力远远大于静止状态时人体受到的冲击力，因此数值模拟中的有限元方法可用于模拟真实情况下人体关键部位的受力情况，且应充分考虑“人—服装”结合，提高模型的有效性、准确性、适用性。

4)针对当前相关领域内材料或服装的防护性能测试，尚未有统一、确定的准则，由此会影响吸能缓冲的确切效能，因此要求拥有统一的行业标准，具体评价吸能缓冲服装关键区域减小峰值力的能力，实现行业规范化。