柔性電子技術(shù)康養(yǎng)家具設(shè)計(jì)研究范文
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摘要：隨著現(xiàn)代生活方式和習(xí)慣的改變，頸椎病出現(xiàn)“年輕化”趨勢(shì)，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(shù)的研究現(xiàn)狀；通過問卷調(diào)查法分析了目前人們的睡眠狀況及頸椎按摩產(chǎn)品的使用情況；通過文獻(xiàn)查閱法分析了頸椎曲度檢測(cè)方法和升降枕的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征；提出柔性傳感器技術(shù)及對(duì)枕頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)改進(jìn)的方法，并設(shè)計(jì)了康養(yǎng)家具產(chǎn)品——頸椎矯正枕，該產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄用戶睡眠時(shí)的頸椎曲度和及時(shí)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(shì)，從而保養(yǎng)頸椎；基于研究提出了智能家居的發(fā)展方向，以期為家居行業(yè)發(fā)展提供參考。
關(guān)鍵詞：家具設(shè)計(jì)；柔性電子技術(shù)；睡眠用具；柔性傳感器；矯正頸椎；智能家居
睡眠姿勢(shì)對(duì)人體健康有著至關(guān)重要的作用，一些不良睡姿會(huì)引發(fā)頸椎和脊椎突變[1]。1~18歲是人體發(fā)育和養(yǎng)成習(xí)慣的關(guān)鍵階段，保持良好的睡姿有利于身體發(fā)育。老年人由于身體機(jī)能下降，不良睡姿會(huì)引發(fā)心臟驟停等危險(xiǎn)。而人在睡眠中，大腦處于休息狀態(tài)，無法有意識(shí)地調(diào)節(jié)睡姿，因此對(duì)睡姿進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并及時(shí)調(diào)整睡姿非常重要.人體在睡眠過程中可進(jìn)行機(jī)體復(fù)原、整合和鞏固記憶等工作，但是因自身因素和外界環(huán)境干擾往往會(huì)嚴(yán)重影響人們的睡眠質(zhì)量，特別在學(xué)習(xí)和工作壓力大的情況下更容易出現(xiàn)睡眠問題，而枕頭的舒適度和頸椎問題是影響睡眠質(zhì)量的兩大主要因素。近年來，頸椎病發(fā)病率越來越高。據(jù)調(diào)查顯示，相比于前十年，頸椎病患者人數(shù)增加了3~4倍[3]。為解決頸椎病引發(fā)的睡眠問題，部分患者選擇購買矯正頸椎康復(fù)的產(chǎn)品，但由于使用較麻煩，且治療耗費(fèi)一定時(shí)間，因此使用頻率較低。有些則選擇購買各類保健枕，通過機(jī)械式按摩來緩解頸椎痛感以助快速進(jìn)入睡眠狀態(tài)，由于人的身體結(jié)構(gòu)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(dá)到治療效果。基于此，本文研究設(shè)計(jì)一款可根據(jù)用戶身體結(jié)構(gòu)進(jìn)行外形尺寸自動(dòng)調(diào)整的枕頭，用以支撐頸椎達(dá)到一個(gè)健康的生理曲度，預(yù)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(shù)內(nèi)涵及應(yīng)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(duì)信息進(jìn)行獲取、處理、傳輸。柔性電子技術(shù)是在柔性基底上集成有機(jī)/無機(jī)材料電子器件的材料元器件，該技術(shù)已廣泛應(yīng)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(yī)療保健、航空航天、軍事等領(lǐng)域取得了豐碩研究成果[4-5]。宋江等[6]研制了一種可檢測(cè)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(tǒng)檢測(cè)設(shè)備具有創(chuàng)傷小、佩戴方便、降低副作用等優(yōu)點(diǎn)。目前柔性電子加工只有超薄芯片轉(zhuǎn)移和柔性混合電子兩種路徑。其中從超薄芯片轉(zhuǎn)移是通過轉(zhuǎn)印技術(shù)將功能結(jié)構(gòu)（如硅晶圓等無機(jī)半導(dǎo)體材料）從施主基片黏附到圖章表面，再將功能結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到受主基片上，如圖1所示。根據(jù)技術(shù)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(zhuǎn)印過程的關(guān)鍵點(diǎn)所在。目前轉(zhuǎn)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(shù)是電子墨水材料技術(shù)，將具有電子功能的材料制備成墨水進(jìn)行印刷。該印刷方法具有工藝簡(jiǎn)單且實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，不足之處是分辨率較低。針對(duì)此問題，崔錚[7]的科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種新型混合印刷技術(shù)，不但將分辨率提高10倍以上，且實(shí)現(xiàn)了卷對(duì)卷批量化印刷制造。柔性電子技術(shù)使剛性的電子元器件柔性化，將人、機(jī)、物有效集成在一起，實(shí)現(xiàn)了功能擴(kuò)展，對(duì)人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的發(fā)展將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[8]。根據(jù)已有報(bào)道，目前尚未將柔性電子技術(shù)融于枕頭設(shè)計(jì)，因此有必要研究運(yùn)用柔性電子技術(shù)豐富睡眠枕的功能，提高人們的睡眠質(zhì)量。
2用戶需求及頸椎矯正產(chǎn)品現(xiàn)狀調(diào)研
2.1問卷調(diào)查法
本研究問卷調(diào)查采用隨機(jī)抽樣的方法，在江蘇省某高校隨機(jī)抽取480名學(xué)生和120名教師作為調(diào)查對(duì)象。調(diào)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(chǎn)品的使用情況。共發(fā)出調(diào)查問卷600份，收回了577份，其中合格的調(diào)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?jī)r(jià)值，見表1。2019年7月由國務(wù)院的《健康中國行動(dòng)（2019—2030年）》中建議成人每天的睡眠時(shí)間為7~8h，正常的睡眠潛伏期應(yīng)為20~23min[9]。而根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，有七成被調(diào)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(fèi)時(shí)間，治療效果不佳等；導(dǎo)致人們睡眠質(zhì)量差的原因有3種：1）枕頭在側(cè)臥和仰臥睡姿交替時(shí)不能對(duì)頸部達(dá)到合理支撐，導(dǎo)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(dǎo)致無法盡快進(jìn)入睡眠狀態(tài)。3）目前市場(chǎng)上治療頸椎的儀器，治療耗時(shí)，用戶經(jīng)常忘記使用。
2.2文獻(xiàn)綜述法
根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)目前人們普遍選用的四類枕頭進(jìn)行分析，得出以下特點(diǎn)[10]，見表2。枕頭的關(guān)鍵作用是托起頸曲,使頸部肌肉、關(guān)節(jié)和韌帶得到放松，釋放頸椎關(guān)節(jié)所承受的壓力和負(fù)荷，減少頸椎病的發(fā)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(tài),會(huì)出現(xiàn)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(huì)出現(xiàn)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(fā)了一款可以手動(dòng)調(diào)節(jié)適用于3種睡姿高度的枕頭，其不足之處在于，當(dāng)人處于睡眠狀態(tài)時(shí)無法實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)枕頭高度。方季群[14]發(fā)明了智能化的設(shè)計(jì)方案，通過腦電波控制枕頭進(jìn)行自動(dòng)變形。但根據(jù)專利說明書所述，該枕頭只能實(shí)現(xiàn)縱向升降，無法實(shí)現(xiàn)對(duì)頭部的橫向平移。侯建軍等[15]研究睡枕高度對(duì)仰臥位睡眠舒適性的影響，認(rèn)為仰臥睡姿時(shí)應(yīng)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(shí)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(gè)人，為此，本文以保持健康的頸椎曲度為目的，設(shè)計(jì)一款可以根據(jù)用戶身體結(jié)構(gòu)自動(dòng)調(diào)節(jié)尺寸的枕頭。
3頸椎矯正枕設(shè)計(jì)實(shí)踐
3.1設(shè)計(jì)要求
目前頸椎矯正枕的監(jiān)測(cè)模塊是根據(jù)人體睡姿計(jì)算頸椎高度，然后對(duì)枕頭內(nèi)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，存在獲取的頸椎曲度數(shù)據(jù)不精確，只能實(shí)現(xiàn)縱向調(diào)節(jié)等問題。為保證用戶良好的睡眠質(zhì)量，本設(shè)計(jì)目的是監(jiān)測(cè)頸椎曲度和矯正不良睡姿，因此首先探索一種新的人機(jī)交互方式，通過監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地了解頸椎曲度，其次監(jiān)測(cè)設(shè)備不能對(duì)用戶睡眠產(chǎn)生任何干擾，枕頭內(nèi)的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)至少要實(shí)現(xiàn)橫向及縱向兩個(gè)方向的調(diào)節(jié)，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(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)上，使用時(shí)應(yīng)具有一定的舒適度。
3.2設(shè)計(jì)方案
3.2.1總體思路采用柔性電子技術(shù)與機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)頸椎曲度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和及時(shí)矯正的目的。其中，對(duì)監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)行了柔性化設(shè)計(jì)，使其獲得的數(shù)據(jù)更加精確。對(duì)調(diào)節(jié)模塊進(jìn)行分區(qū)化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)多方位調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)方案主要包括系統(tǒng)運(yùn)行流程及柔性傳感器貼片和枕頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中控制系統(tǒng)主要分為監(jiān)測(cè)模塊、控制模塊、電源模塊和調(diào)節(jié)模塊，如圖2所示。實(shí)踐過程中，將監(jiān)測(cè)模塊-柔性傳感貼片貼于用戶頸部后側(cè)，正常情況下，各導(dǎo)電顆粒間由于硅橡膠的阻隔形成絕緣勢(shì)壘，但頸部不同程度的彎曲將使各導(dǎo)電顆粒接觸的機(jī)會(huì)增加，于是導(dǎo)電鏈的數(shù)量也隨之增加，柔性傳感器內(nèi)的電阻值隨之減小。于濤[16]對(duì)炭黑/硅橡膠的性能進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果顯示電阻值會(huì)隨著拉伸量的增大而線性增加。監(jiān)測(cè)模塊將電信號(hào)傳至控制模塊，控制模塊將檢測(cè)模塊內(nèi)的電阻值，并與健康頸椎曲度所對(duì)應(yīng)的電阻值相比較，計(jì)算出調(diào)節(jié)模塊需要調(diào)節(jié)的角度，進(jìn)而控制調(diào)節(jié)模塊在一定時(shí)間內(nèi)使模塊內(nèi)的電動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)至合適的角度，枕頭形狀也將隨著該電動(dòng)滾筒的轉(zhuǎn)動(dòng)而改變。3.2.2柔性傳感貼片設(shè)計(jì)炭黑/硅橡膠具有柔韌、易變形和良好的力靈敏性特點(diǎn)，可作為傳感器敏感元件的一個(gè)優(yōu)質(zhì)選擇。葛運(yùn)建等[17]基于導(dǎo)電橡膠的壓敏特性設(shè)計(jì)了一種柔性觸覺傳感器陣列，不但可以應(yīng)用于三維觸覺檢測(cè)，且能同時(shí)滿足三維和柔性測(cè)量的要求。但炭黑/硅橡膠也存在對(duì)外力敏感性較低、電阻-變形遲滯性等缺陷。對(duì)此，于濤[16]對(duì)炭黑/硅橡膠材料的電阻-變形性能進(jìn)行了分析及改進(jìn)，設(shè)計(jì)出一款可以實(shí)時(shí)檢測(cè)手指動(dòng)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(nèi)柔性傳感器的功能正是本研究設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)模塊所需。根據(jù)體壓阻效應(yīng)公式⑴可求出材料電阻Rv.積內(nèi)導(dǎo)電顆粒的數(shù)量;k為單位面積內(nèi)導(dǎo)電鏈的數(shù)量;t為每個(gè)導(dǎo)電鏈內(nèi)炭黑聚集體的數(shù)目;w為常數(shù);p為外界應(yīng)力。令q=kt2Rm/wm為壓阻系數(shù)，則材料電阻與外界應(yīng)力成倒數(shù)關(guān)系。如圖3所示，可以根據(jù)電阻值Rv的變化推斷出頸部所承受的拉力（其中Rck為標(biāo)準(zhǔn)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(jié)合等優(yōu)點(diǎn)，因此可以選用為柔性感應(yīng)貼片的上下兩層基底材料，增加傳感器對(duì)微小應(yīng)力的傳感能力[20]。圖4所示為柔性感應(yīng)貼片結(jié)構(gòu)，可將外力引起的電阻值變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出。3.2.3內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為升降區(qū)和平移區(qū)兩部分。枕頭平移區(qū)可實(shí)現(xiàn)頸椎橫向曲度的調(diào)節(jié)，當(dāng)柔性傳感貼片內(nèi)的電阻值顯示用戶的頭部歪睡在枕頭上時(shí)，平移區(qū)內(nèi)電動(dòng)滾筒2帶動(dòng)從動(dòng)滾筒3同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，慢慢地將乳膠平移層8上層與頭部歪向的相反方向進(jìn)行平移，直至監(jiān)測(cè)到頸椎不再橫向歪曲。這種控制方法可避免用戶出現(xiàn)“落枕”現(xiàn)象[21]。枕頭升降區(qū)的高低決定頸椎的縱向曲度，當(dāng)用戶采用仰臥或側(cè)臥時(shí)，若柔性傳感貼片內(nèi)的電阻值與健康頸椎曲度對(duì)應(yīng)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(tài)。于是通過電動(dòng)凸輪式滾筒5的轉(zhuǎn)動(dòng)來控制升降區(qū)的高低，直至把頸椎調(diào)整到一個(gè)健康的曲度，電動(dòng)凸輪式滾筒停止轉(zhuǎn)動(dòng)。選用合適的材料可提高產(chǎn)品的美觀性和使用舒適度[22]，乳膠具有美觀、支撐力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此是本設(shè)計(jì)表面材料的理想選擇，收放乳膠層7具有足夠的長(zhǎng)度和相應(yīng)的收放空間，方便實(shí)現(xiàn)升降區(qū)上升到最高位置。3.2.4設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)分析通過詳細(xì)分析用戶睡眠過程中的頸椎變化，針對(duì)睡眠中的頸椎問題提出了合理化解決方案。本設(shè)計(jì)以用戶對(duì)產(chǎn)品的需求為核心[23]，優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1）可根據(jù)使用者的身體結(jié)構(gòu)調(diào)整枕頭至合適尺寸，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)頸椎的有效保養(yǎng)和矯正，受用人群較廣。2）具有睡眠時(shí)矯正不健康睡姿的功能，可避免使用者出現(xiàn)“落枕”現(xiàn)象。3）在睡眠中對(duì)頸椎進(jìn)行矯正保養(yǎng)，節(jié)省了大量頸椎保養(yǎng)與治療的時(shí)間。4）監(jiān)測(cè)模塊僅為一個(gè)貼片，不但節(jié)約空間，而且不會(huì)使用戶產(chǎn)生任何不適感。5）由于采用模塊化設(shè)計(jì)，便于在生產(chǎn)中通過機(jī)械設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)安裝[24-25]。
4結(jié)語
擁有健康身體是當(dāng)代人們的首要追求。在家居消費(fèi)中，智能家居所占比例正在逐年增加，其發(fā)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(shù)，豐富傳統(tǒng)家居所具有的功能，使人們的身體更加健康[26]。本文所設(shè)計(jì)的頸椎矯正枕正是結(jié)合了新興的柔性電子技術(shù)，通過一個(gè)柔性傳感貼片實(shí)現(xiàn)了對(duì)頸椎曲度的監(jiān)測(cè)，相比于市場(chǎng)上其他矯正頸椎枕頭的監(jiān)測(cè)模塊，使用更方便，數(shù)據(jù)更精確。在枕頭結(jié)構(gòu)中大膽運(yùn)用了機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，使枕頭所調(diào)節(jié)的方位更加全面。隨著柔性電子技術(shù)迅速發(fā)展，智能家居的發(fā)展不僅應(yīng)提高家具本體的智能化，還應(yīng)與人體穿戴設(shè)備巧妙地融合，拉近檢測(cè)模塊與人的距離，進(jìn)而更好地滿足人們對(duì)健康生活的需求。
作者：白洪濤 熊先青 周卓蓉 單位：南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計(jì)學(xué)院