基于可持续理念的智能保健足服设计

屠晨琛，崔荣荣

1.江南大学纺织科学与工程学院，无锡 214122；2.大连工业大学服装学院，大连 116034；3.浙江理工大学国际教育学院，杭州310018

随着我国经济的高速发展、现代生活方式的多样化、居民生活品质的提高，物联网技术和5G 移动网络建设逐渐完善，智能穿戴逐渐生活化。人们工作压力不断增大，都市人群亚健康问题日趋严重，各种慢性病的出现，关注健康成了大众的热点，提高日常医疗保健的方便性变得越来越重要。足服作为一种日常用品，从文明之初的单一裹脚皮，到当下的样式丰富、功能多样，已成为现代生活中必不可少的穿着物品，更是人们每日保护和支撑身体的重要载体。因此，本研究设计的智能保健足服主要是对人体身体健康的康养，从而进行相应疗程的健康管理，最终达到改善人体健康状况。

一、功能性足服概述及其研究现状

（一）足服概述

足服，指穿在脚上的服饰，泛指一切包裹、依附于足部，起保护和装饰等作用的物品。段玉裁在《说文解字注》中说:古曰屦，今曰履;古曰履，今曰鞽(鞋)。名之随时不同者也。通过查阅材料发现“屦”是上古时代就开始的称法，在有“鞋”“履”，“屦”称谓更早[1]。足部在人体的最下方，对于人体重量的承担起到了很大的作用，犹如人体的第二心脏，人体的每一个器官在足部都会有反射区和穴位区，身体上的疾病可以通过足部得知。

随着经济快速发展，富足的经济生活使人们在物质和精神方面的需求变得越来越多。足服的设计已经不能仅考虑单一的审美需求，需要更多地考虑消费者的心理与生理需求，在具有舒适感的同时，还需兼具一定的功能性[2]。未来，健康智能的穿戴方式将成为新科技健康之路的新理念，它有别于人们的传统服饰，需要结合电子、通信、科技、互联网、材料学、医学、服装设计、纺织工艺等众多学科，因此，具有较好的市场前景。

1.材料对功能性足服的影响

民间足服的功能性是人们在一定的物质条件下，在制作和使用过程中，通过足服的材料、造型、结构、工艺等，满足足部的防护，这充分体现了足服的功能性。其中，材料作为组成足服的物质基础，其自身携带的诸多性能直接影响足服的功能性，如江南地区在雨雪天穿的钉鞋，见图1。为了防止雨水不进鞋底，在鞋底处会有许多圆形的钉子，避免鞋底直接接触地面，起到防滑的作用，并且在鞋的表面涂上桐油，很好地隔离和保护裸足免受外部自然环境的侵害，起到了防护作用。

图1 防水防滑的钉鞋

2.结构造型对功能性足服的影响

鞋翘是中国传统足服最具代表性的造型特色之一，鞋底上翘是鞋底前端重要的表现形式，从功能上来说，主要有三点体现：一是传统妇女服饰下裳以及地裙和裤为主，鞋翘的设置有利于托住裙边，行走不致跌滑；二是行走时鞋翘有保护和警戒的作用，可使穿者免受伤害；三是鞋翘作为鞋底的延伸，较高的牢度可以延长鞋帮与鞋履的使用寿命，由此可见，鞋翘在造型上决定着鞋底样式和尺寸，同时具有重要的审美性和功能性。人们熟悉的三寸金莲，为了防止裹脚布多层缠绕包裹，长时间的不透气导致的足部异味，有条件的大户人家往往会在整个鞋的足跟处安装一个可以放香料的小抽屉，减少异味的发散，具有特殊的卫生功能性设计，见图2。

图2 弓鞋底抽屉蓄香料

（二）研究现状

中国在20世纪90年代，开始对智能穿戴医疗设备进行研究。现今，越来越多的人愿意接受智能穿戴。根据调研发现，智能穿戴在近些年的关注点主要集中在医疗健康、运动健身和生理监控这三个方面[3]。市面上现有的健康监测类服饰的作用大多数是依据监测到的数据，使消费者对自身的身体健康情况进行实时掌握，但起不到医疗作用。然而，随着大众对健康关注度的提高，以及互联网技术的发展，智能可穿戴服饰将会被更多地应用于医疗保健领域，改变传统的就医方式，让医疗变成随时随地为生活服务，为用户提供便利。

足服的设计除了体现在材料和结构两方面，当下，更重要的是要结合科技，设计应围绕功能足服的实际功效而开展，要按照特定消费群体的需求有针对性的开发设计。目前国内市场上大部分知名企业在足服的设计上结合了高科技，并以当下消费者的健康需求为主要出发点进行设计，如氧循环呼吸鞋、纳米功能空调鞋等。国外许多国家为达到实时监测身体各项健康指标的目的，也纷纷开发出了监测身体健康状况的智能化服装，如英特尔和台湾AIQ 公司合作研发的监测身体健康状况的T恤，通过监测心率、心电图等分析着装者的身体健康水平。Lumo Bodytech Lumo Lift公司的姿势追踪智能服装能感知脊椎活动状况，通过传感器的振动来改善穿着者的站姿和坐姿[4]。

通过查阅资料发现，目前市面上的智能保健足服大多数是以数据监测为主要功能，对于监测出的数据往往是提示和警示的作用，没有将监测和康养理疗设计融为一体的智能足服[5]。因此，本研究的创新点在于用户不仅可以实时监测自己的身体状况，还可以实时选择进行中医足底按摩，以缓解身体的不适。

二、智能保健足服设计思路

纵观中国五千年的传统文化思想，设计多是提倡“以人为本”，在强调实用性的同时，也体现出了人文情怀的存在。因此，在进行服饰设计创作时，要考虑技术与艺术的结合，设计作品在具备实用性、功能性、审美性的同时，可以更多地融入中华的传统文化。在中共中央、国务院印发的《“健康中国2030”规划纲要》中，也确定了今后15 年将推进“健康中国”建设的行动纲领，其中包括优化健康服务，普及健康生活，充分发挥中医药独特优势，推动健康科技创新等相关内容[6]。因此，本研究将我国传统文化思想与现代设计相结合，将中国几千年传承下来的康养中医理论与现代科技相结合，将人文情怀予以其中，考虑当下人们的生活、工作需求，设计研发一款可以进行健康监测的智能保健足服，为大众在快节奏的生活中创造出更多的便利医疗条件。

此款足服主要以预防疾病与保健舒适性为主，通过测定足底压力分布状况，实时监测每个人的身体健康数值，如心率、血氧、体脂、呼吸、脉搏、温度、湿度及压力、步数等的检测[7]。重要的是，在分析每个人的身体健康数值的基础上，为用户提供身体状况分析，并对应足底穴位与反射区进行按摩，以缓解甚至消除身体的疲劳，进而预防和缓解慢性病的发生，具体设计思路，见图3。

图3 设计思路

（一）系统设计

本研究的设计主要包括数据采集单元、数据处理单元（手机）以及理疗单元三个方面，见图4。

图4 系统设计

（二）手机客户端设计

智能保健足服手机客户端的设计主要从系统功能设计、生理数据采集及传输方案设计、数据分析及统计结果呈现方式设计三方面展开。

系统功能设计方面，采用MVC 架构，系统包含登录绑定、绘制图像、分析信息以及最后的建立理疗疗程，具体各功能间逻辑层次关系见图5。

图5 手机客户端功能层次

其中：手机客户端进行登录或者注册，然后与智能保健足服进行绑定，用户的相关基本信息登陆后可自动生成，每次登录会自动链接，并及时更新数据。绘制图像部分是将智能保健足服监测到的体温、心率、血压、血脂、步数等多方面的身体健康数值，输入到手机客户端，并绘制出每天的健康情况曲线图[8]。健康中心建立咨询通道是将数据分享给健康中心，并制定出相应的足疗理疗疗程。

生理数据采集及传输方案设计方面，数据传输采用的是Json 格式。Json 中的关键数据可以采用MD5加密技术，可以更大程度地增加数据传输的安全性。

监测数据在手机上的显示，主要以波段图的形式。数据分析及统计结果呈现方式设计方面，使用均值、方差等描述性统计参数对生理数据进行分析。以波形图或直方图的形式直观呈现统计参数随时间的趋势变化。以心率为例，统计用户每小时的心率均值，每天为其呈现其24 小时的心率统计直方图。系统最多可缓存30天的心率变化情况。

三、智能保健足服设计手段

智能保健足服在设计上更多地是要结合科技手段，如微电子技术、计算机知识、软硬件选择等等，以确保电子元件在足服的设计中，既能充分发挥其功能性，还能符合消费者的审美要求。因此本研究足服将从技术设计、款式设计、材料设计等多方面进行设计。

（一）技术设计

在智能保健足服进行人体实时健康数据时，人们可以结合足部的重要受力点进行数据信息的反馈，本设计采用已有的Footscan 足底压力分布测试系统，见图6。实时检测足部第一趾骨、第一趾跖关节、第二趾跖关节、第三-五跖骨、足弓区和足跟区共6 处的足部压力变化情况[9]。此系统可以全方位地研究行走、跑步、纵跳等不同动作，包括足着地缓冲、全脚支撑、前足蹬伸、足趾离地等各个阶段的时间特点、受力特点、压力中心移动特点等，从而得到较准确的输入信号。

图6 Footscan足底压力分布测试系统

智能保健足服在人体静态和动态状态下，通过足底的分别测试系统进行身体健康数据的监测，监测到的数值通过滤波和相应的数据处理后，可以将有用数值通过蓝牙传送到手机客户端，并保存于后台服务器[10]。手机客户端根据客户近期的数值，对身体状况进行全方位的分析，并针对每个人的身体特点，结合客户每天的运动生活轨迹，制定出合理的中医理疗疗程，客户可根据自己的时间日程，进行选择理疗方案，以缓解身体的不适。

1.硬件选择

控制系统主要由ARM 微控制器、GPS 定位 和GPRS无线信号传输系统组成。系统供电方式采用锂电池供电，通过GPS 定位系统实现实时定位，通过GPRS系统将信号传输到云端后台服务器进行数据分析、处理，完成数据采集及驱动控制。

ARM微控制器-MCU采用NXP公司的LPC81xM系列产品是基于ARM Cortex-M0+内核的低成本32位MCU，CPU工作频率高达30 MHz，支持高达16 KB闪存和4 KB SRAM，外设包括CRC引擎，I2C总线接口，多达三个UART，多达两个SPI 接口，一个多速率定时器，自叫醒定时器和状态可配置的定时器，一个比较器，功能可配置的I/O 端口和多达18 个通用I/O 引脚，DC3.15 V～3.3 V 供电，可完成数据采集、数据交换、驱动控制等功能，见图7。

图7 LPC81xM框图

足底按摩震动马达，采用日本电产生产的无刷型硬币马达-BLDC，型号LAL-06VM01，直径6 mm，厚度2.5 mm，工作电压2.9～3.3VDC，响应极快，无刷硬币马达全部内置驱动IC(Drive IC)，接通直流即可转动，无需额外配置，ARM微控制器根据数据分析后发出驱动指令即可现足底按摩。

2.后台服务器选择

手机APP后台基于Bmob后端云，后台采用Bmob云存储技术。界面采用了谷歌的matrial design 设计，框架基于MD+Rxjava+retrofit+MVP架构。

Bmob 可以提供可视化的云端数据表设计界面，并且完善合理地进行建库建表。不同类型的数据均可进行保存，如数组、字符等。通过提供的API 接口和多语言SDK，为用户提供快速上传、安全可靠的数据存储服务。配合CDN 加速服务提高文件访问的响应速度与可用性，实现用户全站加速更快捷。在开发者管理后台创建云函数，通过编写JavaScript 或者Java代码，并部署到Bmob后端云的平台上，可轻松实现业务的需求。使用云函数代码片段，更新维护变得更加便捷。

（二）款式设计

智能保健足服的科技手段在款式设计上，主要体现在鞋底、鞋帮、附加功能装置部件三个部分。鞋底的功能主要体现在防滑、减震，因此采用减震EVA中底，当缓慢步行时，分子相互分离如同光脚踩在海绵上；当快速跑步时，分子交错锁在一起，可立刻回弹，带给人舒适感；鞋帮的设计以矮帮为主，方便活动。在进行外观设计时，对于鞋头形状，选择圆头造型，较为宽松舒适，而且鞋头较宽的鞋对脚步压力较小，穿着舒适，不挤脚。风格上，以运动休闲鞋为主，并且设计出防撞鞋头和后跟加固，使不同状态下穿着都不会崴脚。采用鞋带的设计是因为在走路时，足部会发生变形，受到挤压，鞋带增加15%的弹力，可以自动调节舒适性且不易松解，见图8。

图8 智能保健足服款式设计

从古至今，在鞋垫的设计上，多采用不同的工艺手法，耗费大量的工时和精力来完成，成为了妻子或母亲送给丈夫或子女最好的礼物。鞋垫花纹的设计蕴含着丰富的文化内涵和独特的艺术表达，也体现了中国传统文化中的人文情怀。民间的鞋垫艺术作为我国传统民族文化的一部分，充分反映了古代劳动人民通过自己的辛苦手作，对美好生活的向往，以及将审美形式从外在转向了内在。随着时间的推移，社会的发展，鞋垫的功能性有了越来越多的表现。此款智能保健足服，将鞋垫的设计作为整款足服设计的重点，鞋垫上增加足弓设计，有力支撑足弓不塌陷，行路平稳，且不累脚；通过在内底或鞋垫上放置附加装置，鞋垫的每个反射区上都有按摩颗粒，按照足底工学定位穴位位置，除了可以增大透气性、透湿性，还可以起到智能精准按摩的作用。

健康监测的智能保健足服主要面向成年人用户，成人足底已经定型，根据男女消费群体足部大小的不同，尺码主要是35～44 码，因此按摩足服刺激反射区的位置可以确定，用户选择合适尺码的鞋子穿上就能吻合自己足底反射区。通过大数据反馈出来的身体健康数据进行分析，针对不同人群的身体状况，对特定的反射区进行准确的穴位按摩。

（三）材料设计

材料的设计上，灵感来源为鱼鳃的呼吸模式，结合最新的高弹针织面料，设计出会呼吸的防水抗污鞋[11]。在保证强透气的功能下，附加了防水功能，让用户在享受舒适透气的同时，还可以抵挡风雨天气的侵袭。分别采用三层复合面料进行设计，第一层是弹力编织层，由聚酯纤维和尼龙混纺而成，独特针织技术形成的“荷叶式”表面能够起到很好的防水、拒水、防风效果。第二层为纳米微孔薄膜过滤层，主要采用高分子纳米材料，每平方米有近10 亿个微孔，雨滴或水滴无法通过而水蒸气可以挥发出来，做到了防水又透气[12]。第三层为透气内里，舒适透气内里不闷脚不臭脚，可以持续保持双脚的干爽舒适。

鞋垫表面采用原液活性面料纤维，源于天然原木，利用创新的原液活性防臭工艺，从而有效抑制不同细菌的滋生，达到除臭效果[13]。

四、中医技术原理

足部是人体健康的晴雨表，集中了人体各器官的神经反射区与穴位，汇集了人体的六条经脉，六十六个穴位，能很准确地反映人体的健康状况。足部穴位的按摩是指在一些特定的穴位上，运用推拿手法，刺激足部穴位，激发人体经气，促进新陈代谢，达到防病、治病、保健强身[14]。中医保健角度来看，脚是人体之根，是人体元气凝聚之点，是人体的“第二心脏”，人的身体健康状况会通过足底的反射区反映出来，经常进行足部保健，可以促进人体血脉流通，调理脏腑，平衡阴阳，疏通经脉，改善身体的不良症状，缓解疲劳，治疗慢性疾病，是一种简单易行、效果显著、无副作用的防病治病的自我保健方法。智能保健足服可以通过手机控制，做到实时足底按摩，不占时间、不受地点的限制，使用方便。

五、结语

随着全球智能服饰市场的快速发展，将服饰与信息、医疗、材料等不同领域进行融合，是大势所趋。调查显示，医疗健康领域的智能服饰正以23%的年均增长率发展[15]。现代人生活压力大，闲暇时间少，越来越多的慢性病出现，身体抵抗力下降，加之医疗设施紧张，智能服饰设计需要更多地结合医疗健康，为消费者提供实时的保健治疗。本研究设计的智能保健足服，将大数据分析、人工智能、健康与按摩保健相结合，除了对身体的健康数据进行实时监测外，还可以根据数据反馈，及时做出适合相应身体状况的足底按摩疗程，有效做到舒筋解压，缓解消除亚健康，达到保健的效果，真正做到实时关爱自己的身体健康情况。