摘要
如今，长途驾驶或长时间坐办公的情况很普遍。因此，座椅舒适性变得越来越重要。座椅系统（如汽车座椅、办公椅或软垫家具）的舒适性受到不同的人体工程学属性，尤其是热生理舒适性的影响。
一方面，座椅系统的热生理舒适性可以通过Hohenstein皮肤模型（汗蒸湿热板）来进行表征，符合ISO 11092（1）标准。通过皮肤模型，可以确定纺织品作为表面层的特定热生理量。在稳态测量情况下，可以确定一个水蒸气阻力Ret，用于代表无法感知测量到的出汗情况。更高的出汗速率（可测量的出汗）可以通过水蒸气缓冲能力Fd和液态汗液缓冲能力Kf（2，3）来表述。在下一步中，可以通过出汗臀部模型或热、出汗的人体模拟“Sherlock”（Thermetrics的牛顿型热模拟人体）来模拟坐着的人体。通过将这些测量系统与座椅内的湿度传感器结合使用，可以确定座椅系统的湿度管理能力。
另一方面，人体在座椅上的接触面积和座椅上的压力分布也是影响座椅系统人体工程学舒适性的重要因素。通过使用压力分布垫等测量仪器可以对坐着的人体压力分布进行定量。手持式扫描仪系统（如Artec Eva、Creaform Revscan等）或低成本设备（如Kinect传感器）可以扫描座椅等物体。座椅、椅子或家具的三维信息可以与目标群体的三维数据进行比较。结果可以识别出接触区域的大小和形状。
引言
舒适性并没有一个统一的定义。从生理学角度来看，舒适性是一个受多种因素影响的多维概念，包括物理、生理、心理和环境等方面。有一种理论认为，舒适性是指没有不愉快感（不舒适）(4)。 如今，坐姿的舒适性变得越来越重要。根据穿着的服装，人体直接与座椅系统接触，例如汽车座椅、办公椅、沙发。更准确地说，肩膀、背部、臀部、大腿和小腿与这些座椅系统有接触区域。此外，长途驾驶或长时间坐办公逐渐成为常态，因此一个人每天坐着的时间可能长达7.5小时(5)。因此，座椅系统的舒适性十分重要。在对座椅系统进行坐姿舒适性描述时，应考虑不同方面，包括感官、热生理和人体工程学舒适性。
方法和讨论
2.1 感官舒适性特征
感官舒适性特征主要由纺织品的表面结构决定，并可以通过特定的数量来进行表征。如果纺织品黏附在潮湿的皮肤上，穿着者会感到不舒服。湿黏指数iK可以用来表达皮肤上的”湿黏”程度。通过使用主要由烧结玻璃板组成的特殊仪器，可以测量样品在横向被拉玻璃板时所需的力量，从而描述湿黏指数iK(6)。
湿黏指数iK越低，湿黏感觉越不舒服。特别是iK应该小于15。在大量出汗时，贴近皮肤的纺织品吸湿得越快，穿着者会感觉越舒适。这种吸湿速度可以通过将一定大小的水滴滴在纺织品内表面上并测量水滴的接触角来确定。通过测量水滴完全被样品吸收的时间间隔，可以得出吸湿指数iB(7)。对于感官舒适性来说，纺织品的吸湿速度越快，iB值越小，贴近皮肤的感觉越好。特别是iB应该小于270。
一方面，纺织品贴近皮肤时可能会感觉过于光滑，而另一方面可能会感觉过于粗糙或刺痒。这一特征由表面指数io给出。因此，测量纺织品内部从纤维束中突出的纤维端数目和长度来测量io值(8)。在感官舒适性方面，如果纺织品的表面指数io在3到15之间，可以被评判为较好。纺织品与皮肤的接触区域越小，贴近皮肤的感觉越不黏。这种接触区域主要由纺织品的表面结构决定，特别是由远离纺织品内部的纤维端的位置决定。
定量地，纺织品与皮肤的接触区域可以通过接触点数nK来表达。使用一个可视化的测量仪器，可以获得纺织品表面的三维图像，从而测量nK的数值(9)。纺织品的接触区域越小，贴近皮肤的黏性感觉越少。特别是nK应该小于1500。纺织品的硬度s可以通过相对于纺织品样品垂直方向的弯曲角度来表达(10)。硬度s描述了纺织品是否感觉舒适，或者是否太松或太硬。根据这一定义，硬度s的值可以在0（完全松弛）到90（完全刚硬）之间取值。为了获得良好的感官舒适性，运动服装的硬度s应该介于5到27之间。
2.2 热生理舒适性特征
皮肤模型
人体皮肤的热调节模型（皮肤模型）可以模拟干燥和出汗的人体皮肤。通过皮肤模型，可以确定与纺织品作为层相关的特定热生理量，从而对热生理舒适性进行表征。在”正常”或”稳态”条件下，皮肤中的水分通量呈水蒸气形式（不敏感出汗）。在这种稳态情况下，可以根据ISO 11092（1）标准测量水蒸气阻力Ret和短时间水蒸气吸收能力Fi。此外，还可以在这些稳态条件下确定热阻抗（热绝缘）Rct。一般来说，座椅系统或者更确切地说是其材料组合的质量越好，水蒸气阻力Ret越低，短时间水蒸气吸收能力Fi越高。对于纺织品的穿着生理性能，其稳态热生理性能不仅很重要，还要考虑其缓冲汗液脉冲的能力。在纺织品和服装的实际使用中，汗液脉冲发生频率相当高。对于缓冲能力，必须区分两种机制：
1.水蒸气缓冲能力（湿度调节指数Fd）：该指标描述了穿着者已经出汗但汗液仍然在皮肤的汗腺通道中蒸发的状态。在服装的微环境中，水蒸气压力升高，但还没有液态汗液出现(2)。
2.液态汗液缓冲指数（Kf）：该指标描述了穿着者出汗如此之多，以至于皮肤上出现了液态汗液的状态(3)。
和稳态穿着条件一样，皮肤模型也可以模拟非稳态穿着条件。关于测试程序的描述见标准测试规范BPI 1.2（2，3）。因此，可以通过Fd和Kf值来描述长时间驾驶中坐着时更高出汗速率的情况。在热生理方面，这两个特征值越大，纺织品越好。
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出汗臀部模型
使用出汗臀部模型或汽车座椅测试人体模型（Thermetrics）可以根据真实条件（图2）确定三维坐垫构造的汗液管理（湿度积累、湿度传递、湿度降解）。因此，可以更深入地了解座椅系统的热生理舒适性。出汗臀部模型放置在负载为400N的样品上，模拟成年标准男性的情况。
此外，出汗臀部模型还可以模拟坐着时的出汗情况。出汗臀部模型的测量头内置了组合温湿度传感器。这些传感器可以检测出汗臀部模型与座椅系统覆盖物之间的微环境温度和湿度。通过在座椅系统的材料组合中添加组合温湿度传感器，可以获取有关热量和湿度分布的附加信息。
在测量中，检测到初始热通量Hci。它表示与皮肤温度相比，人坐在冷或热的座椅系统上的情况。在接触的瞬间，人体与冷座椅或热座椅之间的最大热通量Hci max（负值）发生。为了获得良好的热生理舒适性，Hci max的值应小于85W/m²。因此，接触座椅时不会产生不舒服的感觉，座椅被感知为热的或冷的。当Hci max < 64W/m²时，会产生舒适的感觉。此外，皮肤温度与座椅温度之间的对准时间应该很短。初始热通量Hci主要受到材料组合覆盖物的影响。
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热、出汗人体模型
为了测量完整的座椅系统，从20世纪80年代开始开发了出汗人体模型。这样，可以在考虑到人体形状的情况下模拟人体的热量和湿度管理。与出汗人体部分（例如出汗臀部）相比，人体模型在使用中更加灵活。可以通过出汗人体模型进行成品系统的热阻抗Rc和水蒸气阻抗Re测量。
Thermetrics的Newton和Andy是目前唯一商业可用的出汗人体模型(11)。Newton可选择20、26、34或35个独立的热和出汗片段。紧身运动衣均匀地分布在人体模型表面上。Newton拥有多种身体动作，例如跑步、坐着、躺着（图3）。通常情况下，热阻抗测量Rc在非等温条件下进行，而水蒸气阻抗测量Re在等温条件下进行。热、出汗人体模型的水蒸气阻力Re测量标准化为ASTM F2370(12)。
此外，ISO标准也正在制定中(13)。对于计算多个段的热和水蒸气阻力，有不同的计算模型可供选择：并联计算模型、串联计算模型和全局计算模型(14)。对于给定的服装系统，不同计算模型的结果存在明显差异。通常，标准中会说明在特定应用中应使用哪个模型。
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2.3 人体工程学舒适性特征
压力传感垫
在处理坐姿舒适性时，人体工程学舒适性也很重要。因此，应该调查人体和座椅之间的接触区域以及座椅上的压力分布。通过压力传感垫可以对坐姿时的压力分布进行定量测量。例如，图4应用的矩侨工业Seat Comfort V1压力分布系统，显示了一个人在汽车座椅上的压力分布。此外，这种测量可以提供有关人体和座椅系统之间接触区域和座椅软硬度评估的信息。
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Fig 4. Seat Comfort V1压力分布系统
3D扫描
在汽车等领域，多年来用3D模拟软件分析座椅情况是常见做法(15-17)。这些工具可以模拟座椅用户的真实姿势，旨在提高安全性、效率和舒适性。进行以人为中心的设计是基于虚拟化的人体和产品。一方面，数字人体模型是通过调整现有人体模型的身体测量参数来创建的。同样，产品是在CAD软件中开发和塑造的。另一方面，测试人员或产品使用全身或手持扫描仪系统（如Artec Eva、Creaform Revscan和Kinect传感器等）进行3D扫描。座椅、椅子或家具的三维信息可以与目标群体的3D数据进行比较。以下是其中一些可以分析的问题：
• 座椅表面足够长和宽吗？
• 靠背足够高和宽吗？
• 接触面积在尺寸和形状上如何？
• 调节手柄是否容易触及？
• 调节是否高效？
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图5. 将个体的3D身体扫描与办公椅进行比较。
为了进行这些分析，真实人体的身体扫描具有许多优势。参数化模型往往不像真正的人体。尽管仿真软件得到了极大的改进，但由于运动造成的身体表面可视化仍然存在问题。在动态扫描领域的研究（4D扫描）以及捕捉不同姿势的人体将不断提高仿真软件的性能(18-20)。此外，通过创建不同姿势的全身扫描的数据汇总，并结合社会人口统计问题，可以选择特定的目标群体代表（工厂或办公室工人，特定年龄群体或BMI群集等）。或者，在下一步中计算不仅具有平均身体测量值，而且具有统计意义的数据。因此，可以计算出坐姿舒适性的”理想值”。
此外，研究可能产生不同的座椅使用指导，以实现适应性座椅系统的概念(21)。此外，3D扫描技术可以用于座椅上部件的逆向工程。例如，通过逆向工程将座椅用户的后背扫描数据与座椅靠背部件的表面测量数据进行比较，可以制造符合人体工程学舒适性的座椅。
结论
座椅系统的舒适性是一个复杂的多维概念，受到感官、热生理和人体工程学舒适性等因素的影响。在热生理方面，人体皮肤模型和出汗人体模型是评估座椅系统热生理舒适性的有力工具。通过这些模型，可以获得有关湿度管理、热量分布和皮肤温度等方面的关键信息。此外，通过使用压力传感垫和3D扫描技术，可以评估座椅系统的人体工程学舒适性，包括接触区域、压力分布和符合特定目标群体的适应性。综合这些方法，可以全面评估和改进座椅系统的舒适性，提高乘客和用户的体验。不断发展的技术将为未来的研究和设计提供更多可能性，以满足不断变化的舒适性需求。
References
1.DIN. ISO 11092. Textilien – Physiologische Wirkungen – Messung des Wärme- und Wasserdampfdurchgangswiderstandes unter stationären Bedingungen (sweating guarded-hotplate test). Berlin: Beuth Verlag GmbH; 2014.
2.Hohenstein Institut für Textilinnovation e.V. Bestimmung der Pufferwirkung von Textilien mit dem Thermoregulationsmodell der menschlichen Haut (Hautmodell). Standard-Prüfvorschrift HIT 12: Hohensteiner Institute; 2000.
3.Hohenstein Institut für Textilinnovation e.V. Bestimmung der Pufferwirkung aus der flüssigen Phase von Textilien mit dem Thermoregulationsmodell der menschlichen Haut (Hautmodell). Standard-Prüfvorschrift BPI 121: Hohensteiner Institute; 2010.
4.Hertzberg HTE. The Human Buttocks in Sitting: Pressure, Patterns, and Palliatives. Society of Automotive Engineers. 1972;72005.
5.Froböse I, Wallmann-Sperlich B. Der DKV-Report „Wie gesund lebt Deutschland?“. Zentrum für Gesundheit der deutschen Sporthochschule Köln; 2015.
6.Prüfung von Textilien – Bestimmung des Klebeindex (wet clinging index) ik – Versuchsanordnung und Versuchsdurchführung. Standard-Prüfvorschrift HIT 31: Hohenstein Institute; 2004.
7.Prüfung von Textilien – Bestimmung des Benetzungsindex (sorption index) iB – Versuchsanordnung und Versuchsdurchführung. Standard-Prüfvorschrift HIT 32: Hohenstein Institute; 2004.
8.Prüfung von Textilien – Bestimmung des Oberflächenindex (surface index) iO – Versuchsanordnung und Versuchsdurchführung Standard-Prüfvorschrift HIT 33: Hohenstein Institute; 2004.
9.Prüfung von Textilien – Bestimmung der Zahl der Kontaktpunkte zwischen Textil und Haut (number of contacts between textile and skin) nK. Standard-Prüfvorschrift HIT 34: Hohenstein Institute; 2003.
10.Prüfung von Textilien – Ermittlung der Steifigkeit (stiffness) s – Versuchsanordnung und Versuchsdurchführung. Standard-Prüfvorschrift HIT 35: Hohenstein Institute; 2003.
11.Thermetrics. Newton Thermal Manikin System [Available from: http://www.thermetrics.com/products/full-body-manikins2019]
12.Standard test method for measuring the evaporative resistance of clothing using a heated manikin. ASTM F 2370-10. Philadelphia2010.
13.Holmér I. Use of thermal manikins in international standards. In: Fan J, editor. Sixth International Thermal Manikin Aand Modelling Meeting (6I3M); Hong Kong2006.
14.ISO. Ergonomics of the thermal environment – Estimation of thermal insulation and water vapour resistance of a clothing ensemble. ISO 99202007.
15.Akamatsu M, Green P, Bengler K. Automotive Technology and Human Factors Research: Past, Present, and Future. International Journal of Vehicular Technology. 2013;2013:27.
16.Duffy VG. Handbook of Digital Human Modeling. Boca Raton: CRC Press; 2008.
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