《纺织科技进展》2024年第7期选登：基于功能模块化的武术兵道护头设计

文献引用格式:黎嘉琪,张龙琳.基于功能模块化的武术兵道护头设计[J].纺织科技进展,2024,46(7):18-23.

基于功能模块化的武术兵道护头设计

黎嘉琪,张龙琳*

(西南大学蚕桑纺织与生物质科学学院,重庆400715)

基金项目:重庆市体育局重点攻关项目(A202212)

第一作者:黎嘉琪(1999—),女,硕士,研究方向为智能可穿戴设计。

*通信作者:张龙琳(1976—),男,教授,硕士生导师,研究方向为服装基础理论与数字化智能设计。

摘 要:武术兵道技击项目中,护头作为保护运动员头部安全的重要运动装备,必须解决有效保护禁击部位、灵敏传感得分部位和运动中护具佩戴舒适性三大功能需求。借助模块化设计理论和方法,从剧烈运动中人体头颈部的三维形态与护头进行模拟匹配入手,分析其功能需求的模块化设计思路:对于禁击部位,以防护结构为主;对于得分部位,以灵敏传感和隔离保护功能为主;对于激烈对抗过程中的佩戴舒适性,以热湿舒适和运动舒适为主;同时,结合视觉和视域影响,构建系统的功能模块。研究表明:在护头设计中进行功能细化、主次组合,可以使护具结构简化、质量轻量化和佩戴舒适化,也为技击类运动护具装备设计提供系统的模块化设计方法。

关键词:武术兵道;护头;头颈部形态;模块化功能设计    

短兵运动作为中国传统武术项目中重要组成部分之一,蕴含着浓厚的武术技击思想,是一种不可多得且具有重要价值的民族体育项目[1]。2021年1月国家体育总局武术运动管理中心提出“武术兵道”这个新的概念,将“短兵”划分到“兵道”之中,除此之外“兵道”还包括“长兵”“软兵”“暗兵”“投射兵”等[2]。此次革新使短兵项目重新焕发生机,加上前期的发展经验,不仅能够弘扬优秀民族特色文化,还能传承传统武术器械项目以及完善武术短兵技术规则。

在技击运动中使用的护头(也被称为头盔)是有衬垫的头盔或保护装置,主要由柔软的弹性材料制成,将冲击力吸收或分散在材料表面[3]。武术兵道运动项目中人体运动幅度大,禁打击除后脑和喉部以外的头部和面部才能作为得分点。相关研究表明头盔可以减少约90%的面部撕裂伤,头盔在防止撕裂伤方面具有实用价值[4],所以护头是保护运动员头部安全的重要护具。目前,武术兵道护头是在击剑面罩与跆拳道头盔面罩的基础上发展而来的,由于使用人群较少,并未引起设计界的广泛关注,导致武术兵道护头缺乏个体适配性。以武术兵道护头为研究对象,从人体头颈部形态空间布局入手,采用功能模块化设计方法进行武术兵道护头设计。

1 研究现状

目前,国内外对武术兵道运动及护头的相关研究,未涉及从功能模块化的视角进行兵道护头设计。如黄鑫乐[5]设计一款兼具对抗性、舒适性且具备中国文化特色的短兵护具手套;张美娟[6]梳理武术短兵技术的演变历程,预测武术短兵运动技术发展趋势;赵世赢[7]在梳理短兵运动历史的基础上提出“互联网+体育”的发展模式,运用到武术兵道的创新性发展,实现民族传统文化的“双创”发展模式;deWeber等[3]通过分析医学和生物力学相关研究,发现在打击运动过程中使用头盔可以减少头盖骨的直线加速度和旋转加速度,以此来降低脑震荡或其他创伤性脑损伤的风险;Lota等[8]研究指出在打击运动过程中佩戴头盔可以有效地减缓拳击冲击,同时在设计过程中需考虑下颌骨的保护。    

对于护头模块化设计方面,主要研究单一产品的模块化功能或缓震保护效果。如袁晓东[9]设计了一款为适应不同领域工作需求的功能型智能头盔,在充分考虑人机互动的基础上验证了模块化智能头盔的适用性;Abram 等[10]开发了一种模块化冲击较移机制(IDM),减少了头盔外壳上的IDM 和覆盖区域与撞击受力表面之间的摩擦捕捉点,从而减小作用在头部的旋转加速度。

2 头颈部形态分析

对于护头设计而言,性能要求取决于头颈部的运动特点,需对头颈部的结构及运动特性进行分析[11]。人体头颈部系统是一种复杂且高度灵活的生物力学结构,头部需在重力以及其他外力下保持持续主动的稳定;颈部是连接头部和躯干的重要结构集合,由骨骼、肌肉、神经、血管、淋巴管和其他结缔组织组成的复杂结构。剧烈运动中,主要受影响的人体头颈部结构(图1)包括以下几个部分。

图1 人体头颈部结构

(1)颅顶骨。颅顶骨呈圆顶状,具有一定的弹性,受外力打击时力量常集中在一点,颅顶骨内板受外力打击后会发生骨折甚至粉碎性骨折。    

(2)颅后窝。颅后窝承托着脑桥与延髓。颅后窝受伤可产生脑干受累的症状以及第3~12对脑神经中任何一对脑神经的功能障碍,若情况严重可造成四肢迟缓性瘫痪,呼吸困难甚至死亡。因此,后脑作为武术兵道运动中禁击部位,在护头的设计上应以防护功能为主。

(3)下颌角。下颌角为下颌支后缘与下颌体下缘转折之处,骨质较薄,在激烈运动中容易骨折。

(4)喉部。喉既是呼吸的通道,又是发音的器官。喉骨中环状软骨对维持呼吸道畅通具有重要作用,而喉肌的运动可控制发音强弱和调节音调高低,因此在设计的过程中需在结构和面料上考虑防护性能。

(5)颈肌。胸锁乳突肌位于颈部两侧,一侧胸锁乳突肌收缩使头偏向同侧,面转向对侧;两侧同时收缩使头后仰。颈部肌肉收缩牵拉颈椎关节,能为头颈部系统的伸展运动提供力矩,防止过度转动,但颈肌负荷过大时,就可能引起肌肉的急性或慢性劳损。损伤的早期可出现出血、肌纤维断裂等症状,损伤后常引起肌肉组织肿胀、僵硬,产生的压力也足以刺激疼痛受体,所以在设计的过程中需增强颈肌的防护性能,保护颈肌免受伤害,维持头颈部系统平衡以及实现头颈部运动控制。

武术兵道运动员在竞技过程中颈部运动的基本形式有:屈曲、过度伸展、侧屈和旋转。基于人体头部损伤生物力学的研究得出[12],直接或间接的撞击、运动冲击等外力作用下的变形超过了其所能承受的极限,即可认定人体已经发生了损伤或结构功能产生失效(图2)。因此,保护头颈部系统对运动员的生命安全至关重要。    

图2 运动员头颈部的基本运动及打击后易损伤部位

3 功能模块设计

与人体贴合的产品设计中头颈部作为曲面变化最为丰富的一种形态,对于产品的适配性要求也最高。目前武术兵道护头的设计是从击剑面罩和跆拳道头盔面罩的基础上发展而来,如何进行运动员护头适配性设计,通过设计与参数化技术辅助实现创新设计,是功能模块化武术兵道护头设计的重点突破方向。功能模块化武术兵道护头设计思路(图3):首先在结合头颈部形态分析的基础上采集头颈部点云数据,并进行数据处理和相关性分析;同时分析功能模块设计原则和划分功能模块,并参考ISO21924-4:2017《武术防护装备-第4部分:头部保护装置的附加要求和试验方法》中关于武术头部保护装备的相关制定要求,从而实现禁击部位、灵敏传感部位和舒适性要求的武术兵道护头模块模拟设计;最后,结合运动完成前后人体平均皮肤温度分布图进行模型调整与优化,通过功能模块化的设计,实现护头设计功能细化、主次组合,可以使护具结构简化、质量轻量化和佩戴舒适化。    

图3 基于功能模块化的武术兵道护头设计思路

3.1 防护结构功能模块设计

后脑、颈部作为人体的要害部位,受到重击时,人体会遭受严重的伤害,同时颈侧的咽喉有膈神经与迷走神经分支,一旦受到打击会导致呼吸和血流受阻,轻则呼吸困难,重则昏迷。综合国内外相关研究表明,以攻击为主的格斗运动导致头部和面部损伤从10%到70%不等,包括面部磨损、面部骨折、眼眶周围损伤和脑震荡等。所以,在设计的过程中要考虑头部损伤机制的影响,包括加速度、颅内压、组织应力应变的机械响应和参数变化等方面,在要害部位通过设计防护结构和选择抗冲击、缓震的面料来保护运动员的安全。对于防护材料的研究主要是吸能衬垫吸能效果的提升,一方面是生物结构的轻质吸能结构研究,如六边形拓扑分层蜂窝结构、叶脉分支蜂窝结构等,另一方面是通过提升3D打印材料性能以最大限度地提升护头的吸能能力。如孙少雪[13]将设计的仿生丝瓜络轻质吸能结构应用到防护头盔吸能层中,并通过冲击实验验证了吸能块具有较高的吸能特性。

3.2 传感功能模块设计    

目前国内外关于武术类项目的智能化应用较广,开始使用打分器、计时控制器、电子护具等设备对各类武术套路进行成绩判定,其中压力感应护具、金属传感器和得分系统应用较广。Qureshi等[14]研究表明,在护头设计中由于颈部具有较大的旋转力,将传感器置于后脑勺处影响最小,同时增加加速度计和陀螺仪来支撑颈部的旋转力。在比赛中,通过安装在后脑勺位置的压力传感器和安装在头顶位置的发射器,实时记录击打次数,并传输到裁判员的接收终端上,确保参赛双方得分的准确性和比赛的公平性。

3.3 舒适性模块设计

舒适性模块设计包含热湿舒适性和运动舒适性2个方面。热湿舒适性的研究主要是人—产品—空间的热量传递过程。例如,蒲玉[15]通过测量青年男性运动前后人体平均皮肤温度分布图得出,面部、下颈部是人体运动完成后热量最高的区域,佩戴防护产品进行运动时需要及时散热。周立亚[16]研究表明运动中人体产生的热量及汗液能否被及时传递到服装外,影响服装内外热湿平衡的效果,在此过程中,织物的液态水传递性能是决定服装舒适性的重要指标。

运动舒适性的研究一方面是通过三维模拟人体佩戴护头时,头颈部的运动状态、产品适配性以及皮肤表层摩擦感来验证护头的舒适性效果[17];另一方面是通过改变面料的密度和弹性,进行轻量化设计,在一定程度上减少运动员的身体负担和运动阻碍,便于技术动作的灵活施展。武术兵道运动中人体热量的产生和散失、热压力、心血系统、紧张反应系统以及主观感觉的变化等是相互影响的,故要求护头的结构设计需包含舒适性模块,同时还应选择吸湿透气性强的面料。

3.4 视觉和视域模块设计    

武术兵道运动员佩戴护头不应限制或破坏正常的视觉与视域,而应在防护功能的基础上为运动员提供更好的视觉保障。护头视觉和视域的模块设计应满足佩戴护头后,头不动、眼动、双眼所能看到的空间范围。视觉与视域模块是武术兵道护头模块化功能设计的关键模块之一,参照Y/T3701《搏击运动护具使用要求与试验方法》,左右水平视野不小于105°,上视野不小于25°,下视野不小于45°(图4)。

图4 视觉与视域设计要求

4 武术兵道护头模拟设计

武术兵道护头模拟设计(图5),该功能模块化护头的设计在符合产品设计造型需求的同时,包含防护结构功能模块、传感功能模块、舒适性模块和视觉视域模块,模块间相互嵌套、组合装配,可满足运动员的热湿舒适性和运动舒适性的需求。

图5 武术兵道护头模拟设计

4.1 结构简化    

武术兵道护头在结构设计上,依据人体工程学的原理,将安全、减震、抗压放在第一位,在护头内部结构上设计有嵌套式5层复合抗压层,整体抗冲击力效果可增加10~12倍(图6)。并将传感器放置于后脑勺处,在防护结构功能模块的基础上叠加传感功能模块的设计,使之变成可适应不同情况的特殊护头,即以最集约的方式实现灵敏传感的需要。另外,专门针对下颌及颈部进行包裹设计,此部分设计为模块化可拆卸部分,相比于原有的整体设计而言,在分割的基础上实现了结构简化,增加了佩戴者的舒适程度,使武术兵道护头的结构设计更加符合运动员的需求。

图6 武术兵道护头功能模块设计

4.2 质量轻量化

面料作为服装的三要素之一,选择上必须最大限度满足人体生理机能。武术兵道护头作为运动员在技击运动时佩戴的装备,对运动员的头、颈部进行保护,除了舒适、透气之外,最重要的是防止兵器的冲击和穿透。除我国GB18401—2010《国家纺织产品基本安全技术规范》对于抗起球性能、甲醛含量、pH 值和异味等要求之外,针对武术兵道护头这一特殊产品的面料选择,外层面料的主要需求功能为耐磨和顶破强力,顶破强力可参照我国FZ/T01030—2016《针织物和弹性机织物接缝强力和扩张度的测定顶破法》;中间层面料主要体现在压力缓冲功能,而内层面料要求使用舒适的内部设计和衬垫,防止使用者头部出现压痕,同时又具有吸湿透气性。采用缝制、模制、模压、包缠等综合工艺制作手法,将表1中5种不同类型的材料应用到护头的结构设计上。    

4.3 佩戴舒适化

(1)面部镂空设计。为了增强头部和面部的热湿舒适性和视觉视域性,在保障运动员面部安全的前提下进行了镂空设计,并使用金属框架的构造增加安全防护性。在武术兵道护头的面部设计中,为了达到穿脱方便和可视性,将金属外框设计上至额中,下至下颌,左右至外耳廓,以保证运动员的安全性(图7)。

图7 运动强度完成后人体平均皮肤温度分布图与面部、颅后透气孔设计

(2)颅后透气孔设计。为考虑护头的佩戴舒适性,在护头后脑位置设计了10个直径为0.5~3.5cm 的透气孔,可有效降低护头内部的温度(图7)。

(3)颈部后翘设计。人体在运动过程中,下颈部作为第二个皮肤高温度区域,在设计的过程中采用下摆向上后翘,以便热量排出,达到散湿、散热的效果。在侧颈处的结构设计中加入拉链设计,与粘扣相结合。在满足安全防护的前提下,使用者可根据自身需要将颈口大小随意调节(图8)。    

图8 颈部设计

4.4 整体造型设计

武术兵道护头功能模块化整体造型设计,应依据人体工程学的原理,设计过程中主要考虑安全、减震、抗压的设计要素。整体造型变化设计应用中(图9),融合功能模块化以及材料的优势,基于人体工程学原理对武术兵道护头整体形态结构进行深度设计,使运动员可以根据头型大小调整护头大小、佩戴方式等。为了满足不同运动员的佩戴标准,护头的内衬结构也需要满足定制化、可复制、有规律、模块化的要求。为此,尝试通过将内衬结构设计成正多面体的形状,再将数个多面体按一定规律排列成组合多面体的方式,保证护头的所有功能模块都不会发生干涉,而且可以有序地无限组合,既能保证低成本,又能满足运动员对于头盔的功能需求。    

图9 整体造型变化设计

5 结束语

以“武术兵道”民族体育项目为背景,对武术兵道护头模块化功能设计进行研究。首先对人体头颈部形态进行分析,头颈部尺寸和空间形态可以通过三维扫描等方法实现准确测量;其次是模块化设计原则,即武术兵道模块化功能设计可分为击打模块、舒适性模块、视觉与视域模块;针对武术兵道这一运动竞赛项目,护头的整体设计需要考虑安全性能、灵活性能、舒适性能以及武术技击思想4个方面,结构设计必须满足人体的安全防护性和热湿舒适性;最后在面料的选择上,应最大限度地发挥其特性,选择强度高、耐磨高、耐冲击性好、保形性好、缓震性强的面料,保护运动员的安全。鉴于目前国内外护具在研发时缺乏临床研究,以及运动防护评价体系仍未建立,只能通过三维模拟或间接数据来验证运动护具的防护效果。进一步研究应重点采用前瞻性设计,融合人体工程学、运动人体科学、运动医学、服装材料学、生物力学等多学科知识,逐步构建体医融合预防体系,创新性研发新材料、新结构,为提高护具的抗冲击性能提供更多的可操作空间,推动武术兵道护头的研究不断向科学化、规范化方向发展。    

参考文献见《纺织科技进展》2024年第7期。

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