柔性電子技術康養家具設計研究范文

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摘要：隨著現代生活方式和習慣的改變，頸椎病出現“年輕化”趨勢，睡眠問題也成為困擾人們的煩惱之一。綜述了近年來柔性電子技術的研究現狀；通過問卷調查法分析了目前人們的睡眠狀況及頸椎按摩產品的使用情況；通過文獻查閱法分析了頸椎曲度檢測方法和升降枕的內部結構特征；提出柔性傳感器技術及對枕頭內部結構進行科學改進的方法，并設計了康養家具產品——頸椎矯正枕，該產品可實現實時監測并記錄用戶睡眠時的頸椎曲度和及時矯正用戶不良睡姿的功能，使用戶在睡眠過程中保持健康的睡眠姿勢，從而保養頸椎；基于研究提出了智能家居的發展方向，以期為家居行業發展提供參考。

關鍵詞：家具設計；柔性電子技術；睡眠用具；柔性傳感器；矯正頸椎；智能家居

睡眠姿勢對人體健康有著至關重要的作用，一些不良睡姿會引發頸椎和脊椎突變[1]。1~18歲是人體發育和養成習慣的關鍵階段，保持良好的睡姿有利于身體發育。老年人由于身體機能下降，不良睡姿會引發心臟驟停等危險。而人在睡眠中，大腦處于休息狀態，無法有意識地調節睡姿，因此對睡姿進行實時監控并及時調整睡姿非常重要.人體在睡眠過程中可進行機體復原、整合和鞏固記憶等工作，但是因自身因素和外界環境干擾往往會嚴重影響人們的睡眠質量，特別在學習和工作壓力大的情況下更容易出現睡眠問題，而枕頭的舒適度和頸椎問題是影響睡眠質量的兩大主要因素。近年來，頸椎病發病率越來越高。據調查顯示，相比于前十年，頸椎病患者人數增加了3~4倍[3]。為解決頸椎病引發的睡眠問題，部分患者選擇購買矯正頸椎康復的產品，但由于使用較麻煩，且治療耗費一定時間，因此使用頻率較低。有些則選擇購買各類保健枕，通過機械式按摩來緩解頸椎痛感以助快速進入睡眠狀態，由于人的身體結構不完全相同，保健枕頭并不適合所有人使用，且按摩功能比較單一，很難達到治療效果。基于此，本文研究設計一款可根據用戶身體結構進行外形尺寸自動調整的枕頭，用以支撐頸椎達到一個健康的生理曲度，預防和輔助治療頸椎病，從而保證用戶健康睡眠。

1柔性電子技術內涵及應用情況

柔性電子是由柔性和電子兩種特性組成的，既具有一定的形變能力，又可滿足電子功能的需求，以柔性的方式對信息進行獲取、處理、傳輸。柔性電子技術是在柔性基底上集成有機/無機材料電子器件的材料元器件，該技術已廣泛應用于人造皮膚、柔性傳感器、柔性電池和柔性電子顯示器等方面，且在醫療保健、航空航天、軍事等領域取得了豐碩研究成果[4-5]。宋江等[6]研制了一種可檢測血液中的葡萄糖濃度及身體其他生理信息的柔性貼片傳感器，相比于傳統檢測設備具有創傷小、佩戴方便、降低副作用等優點。目前柔性電子加工只有超薄芯片轉移和柔性混合電子兩種路徑。其中從超薄芯片轉移是通過轉印技術將功能結構（如硅晶圓等無機半導體材料）從施主基片黏附到圖章表面，再將功能結構轉移到受主基片上，如圖1所示。根據技術要求，圖章材料需具有較好的柔韌性和一定的黏附力，通常采用聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）。因此不同界面間的黏附與脫黏過程是轉印過程的關鍵點所在。目前轉印方法主要包括控制分離速度法、表面改性法和犧牲層法等[4，7]。柔性混合電子路線的核心技術是電子墨水材料技術，將具有電子功能的材料制備成墨水進行印刷。該印刷方法具有工藝簡單且實用性強等優點，不足之處是分辨率較低。針對此問題，崔錚[7]的科研團隊研發出一種新型混合印刷技術，不但將分辨率提高10倍以上，且實現了卷對卷批量化印刷制造。柔性電子技術使剛性的電子元器件柔性化，將人、機、物有效集成在一起，實現了功能擴展，對人工智能和物聯網等領域的發展將產生深遠的影響[8]。根據已有報道，目前尚未將柔性電子技術融于枕頭設計，因此有必要研究運用柔性電子技術豐富睡眠枕的功能，提高人們的睡眠質量。

2用戶需求及頸椎矯正產品現狀調研

2.1問卷調查法

本研究問卷調查采用隨機抽樣的方法，在江蘇省某高校隨機抽取480名學生和120名教師作為調查對象。調查目的是了解頸椎問題是否影響人們的睡眠以及頸椎按摩產品的使用情況。共發出調查問卷600份，收回了577份，其中合格的調查問卷有556份（男性有261名，女性295名），合格率為92.7%，具有一定的研究價值，見表1。2019年7月由國務院的《健康中國行動（2019—2030年）》中建議成人每天的睡眠時間為7~8h，正常的睡眠潛伏期應為20~23min[9]。而根據調查數據顯示，有七成被調查者的睡眠潛伏期為20min以上，且枕頭舒適度和頸背部不適成為主要原因；不愿意購買或較少使用頸椎治療儀的原因有使用較麻煩，浪費時間，治療效果不佳等；導致人們睡眠質量差的原因有3種：1）枕頭在側臥和仰臥睡姿交替時不能對頸部達到合理支撐，導致與頭部和頸部的貼合度較低，舒適度降低。2）由于頸背部不適，導致無法盡快進入睡眠狀態。3）目前市場上治療頸椎的儀器，治療耗時，用戶經常忘記使用。

2.2文獻綜述法

根據相關文獻，對目前人們普遍選用的四類枕頭進行分析，得出以下特點[10]，見表2。枕頭的關鍵作用是托起頸曲,使頸部肌肉、關節和韌帶得到放松，釋放頸椎關節所承受的壓力和負荷，減少頸椎病的發生。若枕頭過高,任何睡姿都不能保持頸椎正常曲線弧度，頸背部的肌肉和韌帶處于緊張狀態,會出現頸背部酸痛、疲勞癥狀,加重頸椎病。若枕頭過低,頭頸過度后仰,由于頸椎沒有枕頭支撐，將會出現頸肩部酸痛，面部浮腫等癥狀[11-12]。目前普遍使用的枕頭形狀和尺寸是固定的，為此，侯建軍等[13]在2013年研發了一款可以手動調節適用于3種睡姿高度的枕頭，其不足之處在于，當人處于睡眠狀態時無法實現手動調節枕頭高度。方季群[14]發明了智能化的設計方案，通過腦電波控制枕頭進行自動變形。但根據專利說明書所述，該枕頭只能實現縱向升降，無法實現對頭部的橫向平移。侯建軍等[15]研究睡枕高度對仰臥位睡眠舒適性的影響，認為仰臥睡姿時應選用壓縮高度為6~7cm的枕頭。但是由于人的頭部重量、頭部和頸部的尺寸各不相同，睡眠時枕頭被壓縮的高度也不同，因此不能變形或只具有較少高度變形的枕頭不適用于每一個人，為此，本文以保持健康的頸椎曲度為目的，設計一款可以根據用戶身體結構自動調節尺寸的枕頭。

3頸椎矯正枕設計實踐

3.1設計要求

目前頸椎矯正枕的監測模塊是根據人體睡姿計算頸椎高度，然后對枕頭內機械結構進行調整，存在獲取的頸椎曲度數據不精確，只能實現縱向調節等問題。為保證用戶良好的睡眠質量，本設計目的是監測頸椎曲度和矯正不良睡姿，因此首先探索一種新的人機交互方式，通過監測設備實時準確地了解頸椎曲度，其次監測設備不能對用戶睡眠產生任何干擾，枕頭內的傳動結構至少要實現橫向及縱向兩個方向的調節，以便于矯正人體睡姿。選用枕頭的表面材料必須適合安裝于機械傳動結構上，使用時應具有一定的舒適度。

3.2設計方案

3.2.1總體思路采用柔性電子技術與機械傳動結構相結合的設計方案，實現對頸椎曲度實時監測和及時矯正的目的。其中，對監測模塊進行了柔性化設計，使其獲得的數據更加精確。對調節模塊進行分區化設計，以實現多方位調節。設計方案主要包括系統運行流程及柔性傳感器貼片和枕頭的內部結構設計。其中控制系統主要分為監測模塊、控制模塊、電源模塊和調節模塊，如圖2所示。實踐過程中，將監測模塊-柔性傳感貼片貼于用戶頸部后側，正常情況下，各導電顆粒間由于硅橡膠的阻隔形成絕緣勢壘，但頸部不同程度的彎曲將使各導電顆粒接觸的機會增加，于是導電鏈的數量也隨之增加，柔性傳感器內的電阻值隨之減小。于濤[16]對炭黑/硅橡膠的性能進行檢測，結果顯示電阻值會隨著拉伸量的增大而線性增加。監測模塊將電信號傳至控制模塊，控制模塊將檢測模塊內的電阻值，并與健康頸椎曲度所對應的電阻值相比較，計算出調節模塊需要調節的角度，進而控制調節模塊在一定時間內使模塊內的電動滾筒轉動至合適的角度，枕頭形狀也將隨著該電動滾筒的轉動而改變。3.2.2柔性傳感貼片設計炭黑/硅橡膠具有柔韌、易變形和良好的力靈敏性特點，可作為傳感器敏感元件的一個優質選擇。葛運建等[17]基于導電橡膠的壓敏特性設計了一種柔性觸覺傳感器陣列，不但可以應用于三維觸覺檢測，且能同時滿足三維和柔性測量的要求。但炭黑/硅橡膠也存在對外力敏感性較低、電阻-變形遲滯性等缺陷。對此，于濤[16]對炭黑/硅橡膠材料的電阻-變形性能進行了分析及改進，設計出一款可以實時檢測手指動作的手套。由于人體頸椎的彎曲過程類似于手指彎曲，因此上述手套內柔性傳感器的功能正是本研究設計監測模塊所需。根據體壓阻效應公式⑴可求出材料電阻Rv.積內導電顆粒的數量;k為單位面積內導電鏈的數量;t為每個導電鏈內炭黑聚集體的數目;w為常數;p為外界應力。令q=kt2Rm/wm為壓阻系數，則材料電阻與外界應力成倒數關系。如圖3所示，可以根據電阻值Rv的變化推斷出頸部所承受的拉力（其中Rck為標準電阻，E為電源，Rv為炭黑/硅橡膠的電阻）[18-19]。由于聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有楊氏模量低、良好的延展性和耐腐蝕性以及易于與電子材料結合等優點，因此可以選用為柔性感應貼片的上下兩層基底材料，增加傳感器對微小應力的傳感能力[20]。圖4所示為柔性感應貼片結構，可將外力引起的電阻值變化轉變成電信號輸出。3.2.3內部結構設計內部結構分為升降區和平移區兩部分。枕頭平移區可實現頸椎橫向曲度的調節，當柔性傳感貼片內的電阻值顯示用戶的頭部歪睡在枕頭上時，平移區內電動滾筒2帶動從動滾筒3同時轉動，慢慢地將乳膠平移層8上層與頭部歪向的相反方向進行平移，直至監測到頸椎不再橫向歪曲。這種控制方法可避免用戶出現“落枕”現象[21]。枕頭升降區的高低決定頸椎的縱向曲度，當用戶采用仰臥或側臥時，若柔性傳感貼片內的電阻值與健康頸椎曲度對應的電阻值不相符，說明頸椎處于過度彎曲或過度伸直的狀態。于是通過電動凸輪式滾筒5的轉動來控制升降區的高低，直至把頸椎調整到一個健康的曲度，電動凸輪式滾筒停止轉動。選用合適的材料可提高產品的美觀性和使用舒適度[22]，乳膠具有美觀、支撐力強等特點，因此是本設計表面材料的理想選擇，收放乳膠層7具有足夠的長度和相應的收放空間，方便實現升降區上升到最高位置。3.2.4設計優勢分析通過詳細分析用戶睡眠過程中的頸椎變化，針對睡眠中的頸椎問題提出了合理化解決方案。本設計以用戶對產品的需求為核心[23]，優勢主要體現在以下幾個方面：1）可根據使用者的身體結構調整枕頭至合適尺寸，從而實現對頸椎的有效保養和矯正，受用人群較廣。2）具有睡眠時矯正不健康睡姿的功能，可避免使用者出現“落枕”現象。3）在睡眠中對頸椎進行矯正保養，節省了大量頸椎保養與治療的時間。4）監測模塊僅為一個貼片，不但節約空間，而且不會使用戶產生任何不適感。5）由于采用模塊化設計，便于在生產中通過機械設備進行生產安裝[24-25]。

4結語

擁有健康身體是當代人們的首要追求。在家居消費中，智能家居所占比例正在逐年增加，其發展目的不只是為了方便人們生活，而是通過借助一些前沿技術，豐富傳統家居所具有的功能，使人們的身體更加健康[26]。本文所設計的頸椎矯正枕正是結合了新興的柔性電子技術，通過一個柔性傳感貼片實現了對頸椎曲度的監測，相比于市場上其他矯正頸椎枕頭的監測模塊，使用更方便，數據更精確。在枕頭結構中大膽運用了機械傳動結構，使枕頭所調節的方位更加全面。隨著柔性電子技術迅速發展，智能家居的發展不僅應提高家具本體的智能化，還應與人體穿戴設備巧妙地融合，拉近檢測模塊與人的距離，進而更好地滿足人們對健康生活的需求。

作者：白洪濤 熊先青 周卓蓉 單位：南京林業大學家居與工業設計學院