针对健美运动中代偿问题的智能服装设计

吴靖怡,朱达辉

(1.东华大学 服装与艺术设计学院,上海 200051; 2.上海国际设计创新研究院,上海 200092)

随着社会经济的发展,人们的健康意识逐渐提高,更多人开始选择健身。人体在体育运动过程中发生的各种损伤统称为运动损伤[1]。代偿指当人体维持某一种姿势或进行某项运动时,本应发挥作用的肌肉关节不能正常发挥功能,而让协同肌或邻近关节结构代替完成工作,补偿其缺失的功能。代偿是普遍发生在健美训练者身上的问题,轻则无训练效果,重则造成严重的肌肉损伤,如急性腰扭伤、腰肌劳损或腰椎间盘突出等。如今科技迅猛发展,智能服装逐渐成为纺织服装领域的热点研究课题。智能服装结合了多种技术,是多学科多领域的交叉产物,能对服装外部和内部的环境进行自动感知,并自动生成生态系统[2],其在运动领域中表现为智能运动服装,在提高运动表现和避免运动损伤中发挥着重要的作用。

本文以提高健美训练者健美训练效率、预防和减轻代偿问题为重点,在现有研究和产品的基础上,将柔性传感器监测等技术与智能可穿戴服装结合设计了一种智能运动服装,以期达到训练者在提高训练效率的同时减小或避免运动损伤的目的。

1 健美训练与代偿概述

1.1 健美训练原理

健美是一种强调肌肉健壮与美的活动[3]。健美训练主要以上半身大肌群的训练为主,包括胸部、上肢、背部、腹部的肌群。在健美训练中,肌肉在受到较大压力刺激后会引起肌纤维的断裂损坏,损伤处得到摄入蛋白质的自行补充会进行愈合性生理修复,这样的肌肉恢复会超过原先的机体水平,达到增肌健美的效果。

1.2 代偿的概述

1.2.1 运动损伤与代偿

运动损伤多发生于新手的训练过程中,其发病多由运动项目与人体2方面所存在的潜在因素共同决定。肌肉骨骼系统的某一部分被过度使用后,会出现过度疲劳或损伤,改变运动链的相互作用并导致运动功能的退化甚至残疾。此时,人体会启动对受伤部位的自我保护机制,选择其他的肌肉、关节去代替患处的功能,产生偏离正常生理结构的特殊生物力学,即代偿[4]。代偿是人体自我保护情况下产生的补偿策略,也是一种人体运动模式,很难被察觉,因此认识常见的代偿模式很重要。常见的代偿模式有协同肌肉代偿和临近关节代偿,图1(a)(b)分别为在硬拉训练与高位下拉训练中易代偿部位示意图。

1.2.2 常见健美训练中的代偿风险

常见的健美训练有针对胸部肌群的卧推、针对上肢肌群的哑铃弯举、绳索下压训练、针对背部肌群的哑铃划船、高位下拉训练以及针对腹部肌群的卷腹、仰卧举腿训练等。表1为常见训练与损伤调查表。在健美训练中,因代偿而损伤的部位多为腰部和肩颈部位。有研究者在关于大学生健美运动中常见损伤部位的调查和分析[5]中得出:肩关节损伤比例为23.5%,位居第一,其次为腕关节和脊椎,比例分别为20.4%和17.3%。在健身健美运动损伤的成因及预防的研究[6]中得出:在损伤部位的调查里,肩关节损伤比例为41.7%,位居第一,其次为腰部与躯干,比例分别为31.3%和20.8%。综上结果表明,针对代偿问题的智能服装方案设计的重点应放在避免和缓解肩颈部与腰部的代偿问题,因此在本文后续设计部分中将肩颈部与腰部统称为代偿区。

表1 常见训练与损伤调查

1.2.3 代偿问题的解决要点

代偿问题的解决从评估运动开始,通过评估运动,寻找动力链内的代偿并提出解决方案。解决方式一般是激活原动肌神经,放松协同肌,纠正错误的运动模式[7]。对于难以激活的肌肉,必要情况下需要应用神经肌肉电刺激进行治疗,激活休眠的神经,改善肌肉募集模式,放松过度紧张的肌肉,重建正确的运动模式。通过研发能够检测代偿发生和引导正确发力的智能服装来减少和避免代偿产生的损伤,是一种科学有效的解决方案。

2 系统开发与技术原理

2.1 系统开发流程

新型智能健美服装的开发包括监测功能设计和反馈功能设计,其中,智能健美服装的监测功能主要指代偿区数据的采集与发送;反馈功能主要指数据的处理与存储以及对训练区的信息反馈,系统开发流程图见图2。

图2 系统开发流程图

新型智能健美服装由健身衣本体以及数据采集、数据传输、数据分析和数据反馈四大部分组成。首先,健身衣本体上设置多个柔性传感器,分布于易代偿部位,通过银纤维导线与控制器连接,用于实时采集用户肌电信号并将信号传输至控制器实现数据采集与传输;其次,控制器与控制终端进行放大滤波处理后的肌电信号输出至接受控制终端,完成数据传输;然后接收控制终端根据肌电信号推送的肌电刺激文件,对肌电信号进行解析从而输出对应的脉冲信号,控制器将所述脉冲信号传导至待肌肉训练部位,完成数据分析与数据反馈,其中肌电刺激文件包括控制命令和刺激脚本。

智能健美服装设计将线下监测和线上处理与反馈结合在一起,通过感知训练者的训练动作,将训练中人体变化的物理信号转变为电信号传递至云端进行分析计算,并及时给予训练者反馈以规范训练,提高训练效率。以针对背阔肌训练的正手俯身划船训练为例,动作要领是上身保持正直的同时屈髋,核心收紧,由肩胛骨的后缩启动动作,以背阔肌的收缩带动肘关节,将杠铃拉向肋骨位置,保持顶峰收缩1～2 s后放下杠铃。当上半身不能保持挺直而出现腰部塌陷现象或者身体不能保持稳定而利用身体晃动的惯性来完成动作时,训练者腰部将会受到很大的压力而产生腰部代偿现象,导致腰部损伤。在穿着智能健美服装进行训练时,各模块同时工作采集运动信号以识别训练者正在进行的训练,当训练者核心未收紧以及出现上述现象时,腰部的智能监测模块会通过收集皮肤形变的物理信号和肌电信号传递给控制器,通过放大处理后经过蓝牙上传到云端智能软件记录并分析,软件经过计算处理和综合分析得出的结果数据与代偿阈值进行比较,若不小于代偿阈值,则智能软件通过蓝牙发射信号至相应的肌电刺激模块,即背阔肌刺激模块对背阔肌进行刺激,促使训练者感受到背阔肌的发力感,引导正确发力以纠正姿势,同时语音智能引导训练者保持上半身稳定和收紧核心。训练结束后,训练者可以在软件上查看量化的训练过程图便于训练者复盘,多次训练后可生成运动效率变化表,有效追踪训练者阶段时间内的训练状态变化,给予个性化指导和建议。系统工作原理如图3所示。

图3 系统工作原理

2.2 关键技术原理

2.2.1 柔性传感器的数据采集技术

柔性传感器采用柔性材料构成,具有很好的延展性。柔性传感器大多通过自身形变来反应某个参数的变化,目前传感器类型一般以电阻型和电容型传感器居多,前者采集数据的方式主要是依靠导电材料之间的电阻变化来进行应力传导[8],后者通过形变改变导电材料之间的距离从而改变自身的电容特性,受环境的影响很大,一般采取间接接触的方式采集数据。在智能健美服装设计中,监测代偿部位所使用的压阻式柔性电子传感器排列包括灵活可拉伸的聚合物膜内嵌入集成电路,可以感知压力/应变的非重叠信号,能够实现对生理信号和关节运动(手指、手腕、脚和膝盖)的全身监测,聚合物膜上覆有一层金属,当聚合物膜被拉伸时,金属涂层会产生细小裂缝,导致材料的电阻增加、导电性降低;当聚合物膜收缩时,裂缝会重新连接,材料导电性提高[9]。通过这种方式,将人训练过程中产生代偿现象时代偿部位的肌肉、部位的伸缩幅度或变化角度的大小转化为更易检测和记录的电信号变化,如图4所示,有助于数据处理以及后续工作的进行。

图4 运动姿势变化引起材料形变示意图

表面肌电信号(Surface electromyography,sEMG)是指利用电极在肌肉表面采集到的肌肉和神经干上的电位活动信息来反映肌肉的激活状态、活动参与度和持续时间[10]。肌电信号采集方式分为侵入式采集和非侵入式采集[11]。侵入式采集是指用针电极侵入肌肉组织中进行采集,具有损伤性,非侵入式采集是依靠皮肤表面传感器来获取表面肌电信号,因此智能健美服装的肌电信号选择非侵入式的表面采集方式。对sEMG 的特征进行数据分析,在运动防护的智能服装功能设计中可应用于缓解肌肉疲劳,以防止运动损伤,提高穿着者运动表现。sEMG采集系统的构成和工作原理如图5所示。

图5 sEMG 采集系统的构成和工作原理

柔性电子传感器在对肌肉拉伸形变的物理信号进行监测的同时,对易代偿部位肌肉进行sEMG 肌电监测以提高分析结果的准确性。电极是传感器,用于监测体离子电流在皮肤上产生的电势差。在应用电极之前需要对皮肤进行清洁,减少电容器作用的角质层厚度,提高接触的稳定性和质量。根据神经生理知识,肌肉动作电位将产生-90～30 mV的电势差,由于人体是电的不良导体,故从体表的贴片电极上只能获得1 mV左右的峰值,sEMG中往往混合着甚低频和高频的干扰信号,而有效的肌电信号频谱分布在10～500 Hz,且sEMG记录过程中受电子元器件的固有噪声、环境噪声、工频干扰和运动伪迹等影响,信噪比会降低。故从贴片电极检测出的信号需经过高通滤波、高倍放大、低通滤波等信号调理过程[12],最后以肌电图的形式呈现。有学者开发了一种研究肌电信号的幅频联合分析方法[13],运用这种方法对中高强度肌肉负荷水平肌电信号进行采集和分析,判断训练过程中肌肉力量变化与疲劳状态。除此之外传感器磁性吸引和纳米级聚集的协同效应使其具有透气性的微孔和超疏水性的三维微孔,保证穿戴时的舒适性[14]。

2.2.2 肌电刺激技术部件的肌肉刺激技术

肌电刺激技术(Electrical Muscle Stimulation,EMS)是通过仿肌肉生物电信号引发肌肉收缩运动的最尖端设备[15]。一般来讲,人体运动的原理是大脑发出运动信号,运动部位接受信号之后,肌肉才进行反复的收缩和松弛运动,如图6所示。EMS训练就是通过设备模拟出人体的大脑信号,并直接将其传递给到需要锻炼的部位上,让肌肉进行快速的收缩和松弛运动,从而到达一个被动训练的效果。通过这种用EMS部件刺激训练部位的肌肉的方式可引导目标肌肉更多参与到训练中,帮助减少代偿区错误发力的同时提高训练效率。

图6 人体肌肉运动原理

传统的EMS刺激部件为肌电复合片,大部分肌电复合片与肌肤直接接触的是一层导电布,而导电布在使用过程中其细微导线在多次使用过后容易折断,导线的折断口易产生尖端放电现象从而刺痛皮肤,使穿戴舒适性降低,且受力后容易被撕裂损毁,使用寿命短。在智能服装的设计中,采用的EMS柔性技术部件与服装本体通过印刷的方式结合,既能实现运动效率的提高,又能很好地贴合人体,保证穿着舒适性。

3 智能健美服装设计方案

3.1 造型设计

健美服装隶属于运动服装类别,在现代服装设计中,运动服装开始朝着简约的方向发展。多数运动服都以插肩袖和平袖为主,设计的重点在于满足人们在运动中对轻便和舒适的追求,在此基础之上,还需要根据不同运动的需求定制运动服的专业性和功能性,如泳装以及体操类运动服,在简洁的基础之上要求有更好的承托力和修身功能,弹性是衡量这一类运动服的主要关键词,以满足运动服专业性的需求[16]。同理,在健美服装的设计中,在简洁款式的基础上需要贴身、高弹性的设计以达到扩大肢体活动范围,减少紧绷感的需求,同时通过版型优化、局部细节设计以及色彩选择满足人们对修饰自身肌肉线条的审美需求。

服装的款式结构上,选用舒适无束缚感的圆领设计以及能提供最大肩关节活动角度的插肩短袖结构,同时在腋下部位设计弹性网眼布镶面,有助于汗液挥发保持腋下干爽,提高穿着舒适性;服装颜色设计上采用黑色或冷灰色2款颜色,前者能遮盖身材缺陷,修饰身材曲线,后者视觉效果上显得身材更加紧致饱满,满足训练者对服装的审美需求。服装款式图如图7所示。

图7 服装款式图

服装整体为以65%锦纶、20%银纤维与15%高弹性氨纶的混纺面料为主的无性别贴身运动服。从面料性能来说,一方面,氨纶使得服装整体弹性增大,亲肤性增强,易于穿脱;另一方面,银纤维抗菌性能优良[17],银离子通过破坏细菌的细胞膜,引起蛋白质凝固,从而阻断细菌细胞的呼吸和繁殖过程。除此之外,银纤维氨纶混纺针织面料还有调节温度、透气性强、高弹性、抗静电、抗电磁辐射的优点。

3.2 功能模块设计

针对力量训练中代偿问题的智能服装系统由智能监测模块、肌电刺激模块、云端处理模块、控制器模块组成,其中智能监测模块和肌电刺激模块和控制器模块以硬件系统为主,云端处理模块以软件系统为主,系统模块组成和主要功能如表2所示。

表2 功能模块表

智能监测模块由多个柔性电子传感器协同工作,对训练中人体最易因代偿而受损伤部位的形变、角度变化进行监测,并将采集到的变化转变为电信号通过蓝牙技术传输到手机软件云端进行计算、分析处理,同时联系肌电刺激模块的数据追踪训练者每次的训练过程,按日、周、月为周期形成多样化图表方便训练者后续复盘,并提出个性化的指导意见。云端处理模块针对监测的结果进行数据处理,在后续进行反馈时为了避免训练者在训练时身体直接受物理刺激的影响而导致肌肉紧张引发其它问题,故不采用贴身震动提醒,而通过软件中的语音提示功能进行姿势纠正的指导,同时肌电刺激模块对目标肌肉进行肌电刺激实现对错误运动模式的纠正。系统功能模块工作流程如图8所示。

图8 功能模块工作流程

控制器通过微型接口技术与其他功能模块连接,控制器模块负责整套系统的能量供应与传输,内部包括可拆卸锂电池充电电源、柔性电路板底座、银纤维导电线。除此之外采用离子注入工艺[18],内部集成放大器、滤波器等信号处理单元电路,在输出端输出经过放大和整形的电信号,再经过软件处理得到肌电数据以及变化图。系统模块连接示意图如图9所示。

图9 模块连接示意图

3.3 功能模块与服装结合设计

服装下摆两侧处设计弹性口袋,实现控制器模块的固定和拆卸,同时便于充电;智能监测模块通过印刷和离子导电喷墨打印技术[19],在不影响穿戴舒适性的情况下实现代偿区与传感器的紧密贴合,将肌电刺激模块通过弹性胶和包边条缝制固定在服装主体上的相应位置,使用柔软、可水洗并且易于缝纫的银纤维导电线连接形成系统,避免金属触感。各模块通过导线与能源控制模块连接实现功能的运行,采用双针车加织带的工艺方法将银纤维导电线隐藏入织带内[20],保证安全性和便捷性。服装功能模块分布如图10所示。

图10 服装功能模块分布

4 产品性能评价

从智能健美服装设计入手,结合文献调研智能健美服装的抗菌性、系统有效性以及系统稳定性三大性能并进行评价。

①参照FZ/T 73023—2006《抗菌针织品》附录D抗菌织物测试方法中对本文智能服装使用的银纤维/锦纶/氨纶混纺纱线进行抗菌性测试:将试样与对照样分别装入含一定浓度实验菌液的三角瓶中,在规定的温度下振荡一定时间,测定三角烧瓶内菌液在震荡前以及振荡一定时间后的活菌浓度,计算抑菌率,以此评价试样的抗菌效果。在振荡时间为18 h、稀释倍数为105时,该纱线对大肠杆菌的平均抑菌率为94.10%,说明该纱线具有很强的抑菌性,表明该纱线制成的银纤维/锦纶/氨纶混纺面料具有良好的抗菌性能。

②为了验证本文智能服装中的柔性传感器的灵敏度,进行如下测试。测试指标包括软件响应时间与语音指导出现时间。选择1名无健身经验成年男性穿着该智能服装进行4组俯身哑铃划船训练与4组哑铃弯举训练,使用计时器记录软件响应时间与语音指导出现时间。结果显示,软件响应平均时间为0.82 s,语音指导出现的平均时间为0.91 s。实验表明该智能服装使用的传感器和整体工作具有良好的器件灵敏性和系统有效性。

5 结束语

对在健美训练中易因代偿产生损伤的部位进行研究分析,融合人体运动学、大数据技术、传感器技术、面料科学、柔性电子、服装设计等多个学科技术设计了一套智能健身服装。服装主体由亲肤透气且有抗菌功能的锦纶/银纤维/氨纶混纺面料制成,智能健身服装中柔性传感器能通过采集肌电信号与监测肌肉表明形变程度,帮助矫正姿势的同时利用EMS肌电刺激技术刺激目标肌肉发力,提高训练效率。对该智能服装进行性能测试和评价,结果表明其具有良好的抗菌性、系统有效性和系统稳定性。该智能运动服装能辅助健美新手在训练过程中纠正代偿问题,并引导正确训练,对运动人群功能服装的研究应用具有重要意义,未来将进行更深入的研究加以完善。