服装与皮肤交互作用下湿敏感分布图的构建方法

摘要

本发明涉及一种服装与皮肤交互作用下湿敏感分布图的构建方法，并考虑服装设计因素与环境条件对皮肤湿敏感性的影响，包括以下步骤：1)在冷与热两种环境条件下，测试人体运动过程中主动出汗时的局部皮肤温湿度、出汗率、主观热湿感觉，为建立皮肤湿敏感性分布图奠定基础；(2)构建两种环境条件及四种着装水平下，人体皮肤局部湿敏感性的分布图谱；(3)分析环境条件及服装设计因素对人体皮肤湿敏感性的影响。本发明可为人体皮肤热生理建模提供理论基础，适用于指导运动服、医疗卫生、功能服装的热湿舒适性设计。

说明书

技术领域

本发明涉及一种人体皮肤由出汗引起的湿敏感性局部分布特征图的构建方法，考虑了服装与环境因素对该分布特征的影响，属于服装热湿舒适性技术领域，本发明为上海市科技计划(22ZR1403100)资助项目。

背景技术

在日常生活中，人们进行高强度运动或者经历炎热的外界环境，会导致大量出汗现象，汗水渗透在衣服内部，甚至在皮肤上流淌，带来强烈的不适感(如湿、粘、闷)，影响穿着体验感。感觉环境及皮肤湿度变化对人体的自主生理与行为调节有重要意义，然而人体最大的感觉器官皮肤并没有专门的湿感受器，而是通过多渠道感觉综合来“学习”感受湿的。当皮肤出汗或接触湿的物体时，由于皮肤汗液蒸发或与接触物之间的热交换触发冷感受器响应，汗液在皮肤表面滑移、接触物施加于皮肤的压力与粘附力等触发机械感受器响应，以及后天的知觉学习使大脑综合产生对湿润的判断。因此研究人体皮肤湿敏感性的作用机理及分布特征是服装热湿舒适性领域的基础性问题。

人体皮肤的局部热生理差异是国内外学者普遍关注的热点问题，如有关人体全身的皮肤温度分布、出汗率的局部分布等。这些研究已经表明人体皮肤表面非均匀的生理区域分布，但由于人体湿感知的成因复杂，人体各体段湿感知是否存在局部差异，其分布特征与皮肤冷暖感的局部分布有哪些共性与差异，这些问题的解决不仅可以补充人体皮肤生理的基础数据，而且在功能服装的局部舒适性设计、人体神经心理模拟等领域都有实际应用价值。国外的学者们已从两种角度研究了湿感觉的分布，Filingeri团队利用热探针在身体不同区域实施冷干刺激，探究皮肤对湿的局部敏感性差异，虽然这种方式能传达很多有用信息，但是并不能完全代表人在实际生活中的情况，比如人体的汗液会以不同的速率在全身产生，此时也可以感受到皮肤湿润。相较于被动接触冷干表面，人体—服装系统在主动出汗时的湿感知同样值得探究，Lee团队以量化感知皮肤湿润度作为评估热应变的指标，评估了温暖环境中，穿着透气与不透气服装时的局部皮肤湿度差异。但有关在冷及热两种环境中，考虑服装合体性及透气性交互作用下，皮肤表面各局部区域的湿敏感性分布还有待研究。

发明内容

本发明的目的是：建立人体在冷及热环境中十个皮肤区域的湿敏感性分布图，适用于人体在不同环境条件下穿着服装进行运动时，评价服装设计要素对皮肤整体及局部湿敏感性的影响。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种服装与皮肤交互作用下湿敏感分布图的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在冷环境条件下以及热环境条件下，进行受试者的着装运动实验，具体包括以下步骤：

步骤101、针对受试者的体型，利用低透气性面料以及高透气性面料分别制作不同类型的实验服装，包括紧身透气型实验服装、紧身不透气型实验服装、宽松透气型实验服装以及宽松不透气型实验服装；

步骤102、在受试者皮肤表面N个不同体段分别固定温度与湿度传感器，用于测量每个体段的局部皮肤温度以及基于局部皮肤温度计算得到每个体段的局部皮肤湿度；

步骤103、受试者穿着不同类型的实验服装分别在冷环境条件下以及热环境条件下重复同一运动，每次运动持续固定的时间长度；

在每次运动过程中，每间隔一固定时间，由受试者依次指出感觉到湿的体段，并评价各体段的局部热感、湿感及全身舒适感，进而获得人体运动过程中主动出汗时的主观实验数据；同时，利用温度与湿度传感器采集并计算得到各体段的局部皮肤温度、局部皮肤湿度、全身的平均皮肤温度以及全身的平均皮肤湿度，从而获得人体运动过程中主动出汗时的客观实验数据；

步骤2、对步骤1获得的主观实验数据以及客观实验数据进行分析，从而：

1)获得不同类型的实验服装着装水平在冷环境条件与热环境条件下的平均皮肤温度变化情况，进而得到下述结论：

在热环境条件下，降低面料的透气性能显著增加了运动人体的平均皮肤温度，而服装的合体性对平均皮肤温度没有显著影响；

在冷环境条件下，改变服装的合体度能显著影响平均皮肤温度，宽松服装提供了人体皮肤与服装之间的空气层，增大了服装的热阻和湿阻，相比较贴体服装，具有更高的皮肤温度；

2)获得不同类型的实验服装着装水平在冷环境条件与热环境条件下的平均皮肤湿度变化情况，进而得到下述结论：

在热环境条件下，穿着宽松透气服装在运动中能显著减少人体皮肤表面汗液的积聚，降低衣下湿度；

在冷环境条件下，抑制服装的透气性能会显著加大平均皮肤湿度，而服装宽松度对皮肤湿度没有显著影响；

3)构建人体皮肤局部湿敏感度的分布图谱

定义每个体段的湿感觉出现百分率为当前体段的局部湿敏感度的评价指标，其中，当前体段的湿感觉出现百分率为人体当前体段在整个着装运动实验过程中被所有受试者感知到湿的次数再除以总评价次数；某个体段的湿感觉出现百分率越高，则当前体段的局部湿敏感度越高；

基于湿感觉出现百分率，将局部湿敏感度划分为不同级别，进而分别构建热环境条件下以及冷环境条件下人体湿敏感度的多级分布图谱，基于多级分布图谱分析获得在热环境条件下以及冷环境条件下人体不同体段在不同类型的实验服装着装条件下的局部湿敏感度差异；

步骤3、分析环境条件及服装设计对人体皮肤湿敏感性的影响，建立根据皮肤物理湿度预测主观湿敏感性的数学模型，其中：

建立根据皮肤物理湿度预测主观湿敏感性的数学模型时，分别在热环境条件下以及冷环境条件下，以人体不同体段的局部皮肤湿度为自变量，湿感觉出现百分率为因变量，绘制散点图，并进行数据拟合后建立热环境条件下的局部皮肤湿度与湿感觉出现百分率的函数关系式以及冷环境条件下的局部皮肤湿度与湿感觉出现百分率的函数关系式，从而完成数学模型的建模；

分析服装设计因素对湿敏感度的影响，获得如下结论：

在热环境条件中应穿着宽松透气的运动服装，促进汗液的蒸发，减少皮肤湿度从而降低人体的湿不舒适感；而在冷环境条件中应穿着紧身透气服装，减少皮肤与服装之间的间歇式接触与粘滞，从而降低人体的湿不舒适感。

优选地，步骤101中，基于同种弹性针织物获得所述低透气性面料以及所述高透气性面料。

优选地，所述实验服装的服装款式采用连体服，袖口和裤脚口均由纯棉罗纹织物进行收口处理，领部同样贴合人体颈部。

优选地，利用温湿度可控的人工气候舱模拟所述冷环境以及所述热环境。

优选地，使用八点法计算全身的平均皮肤温度

式(1)中，T

优选地，局部皮肤湿度值采用下式(2)至式(4)计算：

式(2)至式(4)中，w

将式(1)中的T

优选地，以每个体段的湿感觉出现百分率作为局部湿敏感度的划分依据，对局部湿敏感度进行5级划分：第5级为湿感觉出现百分率超过70％，第4级为湿感觉出现百分率在50-70％，第3级为湿感觉出现百分率在30-50％，第2级为湿感觉出现百分率在10-30％，第1级为湿感觉出现百分率低于10％。

本发明提出了一种测试人体在冷环境(15℃)及热环境(30℃)中，服装合体性与透气性交互影响下的皮肤湿敏感性局部分布特征的方法，指导运动服、医疗卫生、功能服装的热湿舒适性设计。本发明分析了环境条件与服装设计因素综合作用下的皮肤湿敏感性特征，建立了人体皮肤的湿敏感分布图，对功能运动服装的分区设计、满足皮肤湿舒适要求的服装性能优化提供依据。

附图说明

图1是本发明中的实验流程图；

图2是本发明中人体局部体段分区示意图，图中，1-前额2-上臂3-小臂4-前胸5-腹部6-大腿7-小腿8-上背9-下背10-臀部；

图3是本发明热环境中的皮肤湿敏感度分布示意图；

图4是本发明冷环境中的皮肤湿敏感度分布示意图；

图5展示了实施例中的实验服装的成品；

图6(a)至图6(c)示意了主观评价标尺，其中，图6(a)示意了湿感觉评分标尺，图6(b)示意了热感觉评分标尺，图6(c)示意了舒适感评分标尺；

图7示意了热环境中的平均皮肤温度变化；

图8示意了冷环境中的平均皮肤温度变化；

图9示意了热环境中的平均皮肤湿度变化；

图10示意了冷环境中的平均皮肤湿度变化；

图11(a)以及图11(b)示意了湿感觉出现百分率与物理皮肤湿度间的关系，图11(a)为热环境，图11(b)为冷环境，图中，主观湿感觉感知率即为湿感觉出现百分率。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本实施例公开的一种服装与皮肤交互作用下湿敏感分布图的构建方法具体包括以下步骤：

步骤1、在冷与热两种环境条件下，进行受试者的着装运动实验。该着装人体运动实验，是测试人体穿着实验服装在运动过程中，主动出汗时的局部皮肤温湿度、出汗率、主观湿感觉、舒适感等指标，为建立湿敏感局部分布图奠定数据基础。

本实施例中，着装运动实验的实验方案包括：1)设计制作四款具有不同合体度及透气性的实验服装；2)在温湿度可控的人工气候舱内模拟低温与高温工况，受试者穿着四件实验服装在跑步机上进行运动时，测试人体10个体段及全身的主客观生理及心理反应。

实验服装：采用同种弹性针织物(85％涤纶，15％氨纶)进行实验服装的制备，其中一种在外表面覆膜(PU)抑制透气性，另一种未覆膜保持高透气性，实验面料参数如表1所示，其中外表面覆PU膜的面料用代号F表示，未覆PU膜的面料用代号WF表示。

表1实验面料参数

应用两种织物，分别为男女受试者设计比标准体(女：160/84A；男：175/92A)小一号的贴体服装(代号T)及大两号的宽松服装(代号L)。为不影响臀部的测试，本实施例中，服装款式采用连体服，袖口和裤脚口均由纯棉罗纹织物进行收口处理，领部同样贴合人体颈部。因此最后得到四种实验服装，即紧身透气(TWF)型实验服装、紧身不透气(TF)型实验服装、宽松透气(LWF)型实验服装、宽松不透气(LF)型实验服装，共四种实验服装，构成不同的服装设计要素。实验服装的具体尺寸规格如表2所示，成品展示以女装为例，如图5所示，图5中从左至右依次为TWF型实验服装、TF型实验服装、LWF型实验服装以及LF型实验服装。

表2服装规格尺寸单位：cm

环境条件：在温湿度可控的人工气候舱内实验。低温工况：气温15℃，相对湿度87％；高温工况：气温30℃，相对湿度35％。两种环境中风速均低于0.3m/s，水蒸气分压力均为1482Pa。

实验流程：招募受试者12名，其中，6名男性受试者、6名女性受试者。受试者有一定的运动习惯，每周至少参加两次以上运动锻炼，每次运动时长至少1h。每位受试者需要在热及冷环境下分别穿着4种服装进行实验，两次实验间隔不少于48h，且同一受试者的实验安排在不同日子的相同时间进行，实验服装顺序随机，注意女性受试者需要避开生理期。

实验流程如图1所示，受试者首先在环境舱中平衡30min，期间由实验人员进行评价标尺的熟悉和使用方式培训。平衡结束，实验人员称重实验服装、毛巾、鞋袜以及饮用水的质量。称重结束，协助受试者正确佩戴好心率监测表(Polar Electro，Finland)，并记录受试者的裸体重量。使用医用胶带将10个温度与湿度传感器(Ibuttons，USA)粘贴在皮肤表面的10个指定位置，用于测量局部皮肤温度(Tsk)和计算局部皮肤湿度(W

每位受试者共需完成8次跑步测试，两次跑步测试至少间隔24小时。每次实验在一种环境条件下(高温或低温)，测试受试者穿着四件实验服装时，人体10个体段(前额、上臂、小臂、胸、腹、大腿、小腿、上背、下背、臀部)及全身的主客观生理、心理反应。

在前述着装运动实验中，进行了局部湿感觉和整体热、湿、舒适感的主观评价，获得了主观实验数据。本实施例中，所采用的评价方法以及具体的评分标尺分别如图6(a)至图6(c)所示。

在前述着装运动实验中，基于布置于人体10个体段的温度与湿度传感器所采集到的温度数据以及湿度数据进一步计算获得平均皮肤温度以及皮肤湿度。

平均皮肤温度的计算包括：

根据标准ISO 9886：2004，使用八点法计算平均皮肤温度

式(1)中，T

皮肤湿度的计算包括：

根据温度与湿度传感器采集得到的衣下相对湿度值，计算局部及平均皮肤湿度值。局部皮肤湿度值采用下式(2)至式(4)计算：

式(2)至式(4)中，w

将式(1)中的T

步骤2、分析主客观实验数据，构建冷与热两种环境条件及四种实验服装着装水平下：

1)冷和热环境中的平均皮肤温度变化情况

实验过程中的平均皮肤温度在热环境(33.21±0.59)℃下显著高于冷环境(25.64±0.82)℃下7.57℃[F(1，11)＝3008.923，p<0.001]。热环境中穿着四种类型的实验服装的平均皮肤温度如图7所示，四种类型的实验服装的初始值在32.5-32.6℃，不存在显著差异[F(3，33)＝1.54，p＝0.22]。开始运动后，不透气服装随时间呈现直线增长趋势，最后均可达34℃，高于透气服装。服装种类[F(3，33)＝25.32，p<0.001]对平均皮肤温度均有显著影响。不透气服装的平均皮肤温度显著高于透气服装(p<0.05)，但贴体和宽松服装之间不存在显著差异(p>0.05)，说明降低面料的透气性能显著增加了运动人体的平均皮肤温度，而服装的合体性对平均皮肤温度没有显著影响。

冷环境中穿着四种类型的实验服装的平均皮肤温度如图8所示，四种类型的实验服装的皮肤温度在P1休息阶段无差别，在P2运动阶段，两种宽松服装均高于贴体服装，LF型实验服装最高，TWF型实验服装最低。服装种类[F(3，33)＝24.04，p<0.001]对平均皮肤温度具有显著影响，穿着LF型实验服装的平均皮肤温度显著高于其余三种类型的实验服装(p<0.05)，LWF型实验服装显著高于TWF型实验服装(p＝0.02)，TF型实验服装与TWF、LWF型实验服装不存在显著差异(p>0.05)，说明改变服装的合体度能显著影响平均皮肤温度，宽松服装提供了人体皮肤与服装之间的空气层，增大了服装的热阻和湿阻，相比较贴体服装，具有更高的皮肤温度。

2)冷和热环境中的平均皮肤湿度变化情况

热环境下的平均皮肤湿度(0.872±0.12)比冷环境(0.576±0.23)下显著高0.296(p<0.001)，且热环境中各类型的实验服装的平均皮肤湿度均高于冷环境。热环境中穿着四种类型的实验服装的平均皮肤湿度随时间的变化如图9所示。服装种类对平均皮肤湿度有显著影响，[F(3，33)＝12.174，p<0.001]，LWF型实验服装下的平均皮肤湿度显著低于其余类型的实验服装(p<0.05)，而其余类型的实验服装之间没有显著差异(p>0.05)，说明穿着宽松透气服装在运动中能显著减少人体皮肤表面汗液的积聚，降低衣下湿度。

冷环境中穿着四种类型的实验服装的平均皮肤湿度随时间的变化如图10所示。服装种类对平均皮肤湿度有显著影响[F(3，33)＝14.798，p<0.001]，TF型实验服装下的平均皮肤湿度最高，比TWF型实验服装显著提高了0.103(p＝0.002)，比LWF型实验服装显著提高了0.113(p<0.001)，但与LF型实验服装之间不存在显著差异(p＝0.267)。LWF型实验服装的平均皮肤湿度最低，但与TWF型实验服装之间不存在显著差异(p＝1.000)。说明抑制服装的透气性能会显著加大平均皮肤湿度，而服装宽松度对皮肤湿度没有显著影响。

3)人体皮肤局部湿敏感性的分布图谱

建立湿敏感性的评价指标，以受试者感知到局部湿的百分比，即每个部位的湿感觉出现百分率，为局部湿敏感度的划分依据。其中，某个部位的湿感觉出现百分率为人体当前部位在整个着装运动实验过程中被所有受试者感知到湿的次数再除以总评价次数。湿感觉出现百分率越高，则该部位的局部湿敏感性越高。本实施例中，每种类型的实验服装着装条件下，有12名受试者，对每个测试部位评价11次，因此每个部位的总评价次数为132次。统计各部位在整个试验过程中被感知到湿的次数，再除以总评价次数(132次)，即得到该部位出现湿感觉的百分比，以此作为局部湿敏感度的划分依据。本发明以每个部位的湿感觉出现百分率作为局部湿敏感度的划分依据，对湿敏感度进行5级划分：第5级为湿感觉出现百分率超过70％，第4级为湿感觉出现百分率在50-70％，第3级为湿感觉出现百分率在30-50％，第2级为湿感觉出现百分率在10-30％，第1级为湿感觉出现百分率低于10％。

图3所示为热环境下人体湿敏感度的5级分布图谱，所有四种类型的实验服装着装水平下的前额部位均为最高湿敏感度，第5级；前胸、下背在四种类型的实验服装着装水平下均为第4级；上背在TF型实验服装着装水平下为第5级，在其余类型实验服装着装水平下为第4级；大腿、腹部、小臂在LF型实验服装着装水平下为第4级，在其余三种类型的实验服装着装水平下为第3级；小腿在LF型实验服装着装水平下为第3级，在其余三种类型的实验服装着装水平下为第2级；臀部在四种类型的实验服装着装水平下均为第3级；上臂在LF、TWF型实验服装着装水平下为第4级，在TF、LWF型实验服装着装水平下为第3级。四种类型的实验服装着装水平下湿敏感度排序为：LF>TF>TWF>LWF。处于同一湿敏感等级中的各部位之间没有显著差异(p>0.05)，对比四种类型的实验服装的湿敏感度，发现大腿和小腿部位在LF型实验服装着装条件下的湿敏感度显著高于其余三种类型实验服装条件(p<0.05)，推测是由于跑步运动增加了宽松服装与腿部皮肤之间的机械摩擦导致湿感知增强。

图4所示为冷环境下人体湿敏感度的分布图谱，与热环境相比，冷环境中的湿敏感最高为3级，其中臀部、大腿、小腿三个部位在个别服装中感知湿频率不超过10％。前额部位在所有四种类型的实验服装着装水平下均为第3级；上背部位在TWF型实验服装着装水平下为第2级，在其余三种类型的实验服装着装水平下均为第3级；前胸部位在LF型实验服装着装水平下为第3级，在其余三种类型的实验服装着装水平下均为第2级；上臂、小臂、前腹、下背四个部位均为第2级；臀部在TWF型实验服装着装水平下为第1级，在其余三种类型的实验服装着装水平下为第2级；大腿部位在不透气服装下均为第2级，在透气服装下均为第1级；小腿部位在LF型实验服装着装水平下为第2级，在其余三种类型的实验服装着装水平下均为第1级。四种类型的实验服装着装水平下湿敏感度排序为：LF>TF>LWF>TWF。处于同一湿敏感等级中的各部位之间没有显著差异(p>0.05)，对比四种类型的实验服装的湿敏感度，发现在上臂部位，TWF型实验服装着装条件下的感知湿频率显著低于TF型实验服装着装条件(p<0.05)；大腿和小腿部位的湿感知频率在LWF型实验服装着装条件下显著低于LF型实验服装着装条件(p<0.05)，与热环境情况类似的是不透气服装显著增加了湿敏感度，但冷环境中服装合体性对湿敏感度没有显著影响。

虽然各部位在冷热环境下的湿敏感性级别不同，但局部湿敏感度的划分保持一致，即前额部位的湿敏感度最高，其次是上背、前胸和下背部位，第三是上臂、小臂、前腹和臀部，最后是大腿及小腿。

步骤3、分析环境条件及服装设计对人体皮肤湿敏感性的影响，建立根据皮肤物理湿度预测主观湿敏感性的数学模型，具体包含以下步骤：

1)环境条件对湿敏感性的影响

以人体10个体段的物理皮肤湿度为自变量，湿感觉出现百分率为因变量，绘制散点图，并应用一元线性回归方程进行数据拟合，拟合效果如图11所示。从图中可以看出，热环境的拟合直线斜率大于冷环境，说明热环境中人体皮肤对湿的敏感性高于冷环境(斜率约为冷环境的2.7倍)，这是由于人体在热环境中更容易出汗，皮肤湿度显著高于冷环境。但在相同的皮肤湿度下，冷环境的湿感知敏感性高于热环境，例如，在皮肤湿度0.8时，热环境中有32％的频率感受到湿，而冷环境有50％的湿感觉出现百分率，因此在相同的皮肤出汗量情况下，冷环境中人体的湿感觉更敏感，即通常所说的湿冷感觉更加强烈。冷热环境中的主观湿感知频率可用以下方程进行预测：

热环境：y＝318.63x-222.98

冷环境：y＝117.86x-43.87

其中，y是湿感觉出现百分率(％)，x是物理皮肤湿度(无单位)。

2)服装设计因素对湿敏感性的影响

热环境下服装的整体湿敏感性由高到低排序为LF>TF>TWF>LWF，而冷环境下服装的整体湿敏感性由高到低排序为LF>TF>LWF>TWF。可见，无论何种环境中，在服装外表面复合不透汽薄膜(F)时的湿敏感性均高于未覆膜的透汽服装(WF)。抑制服装的蒸发透汽性能不利于人体湿感觉的降低，且此时宽松服装较贴体服装更容易感觉到湿(LF>TF)，说明宽松服装增加了衣物在(湿)皮肤上的间歇性粘附运动，刺激了机械感受器响应，从而促进了皮肤对湿润的感知能力。在未覆膜条件下，热环境中贴体服装的湿敏感性高于宽松服装(TWF>LWF)，这主要由于宽松透气服装在热环境中的皮肤湿度显著低于其他服装，因此其主观湿敏感性也最低。而在冷环境中，宽松服装的湿敏感性高于贴体服装(LWF>TWF)，这是由于宽松与贴体服装在冷环境中的皮肤湿度并无显著差异，此时宽松服装在运动中带给皮肤更频繁的机械输入，提高了湿敏感性。因此，在热环境中应穿着宽松透气的运动服装，促进汗液的蒸发，减少皮肤湿度从而降低人体的湿不舒适感；而在冷环境中应穿着紧身透气服装，减少皮肤与服装之间的间歇式接触与粘滞，从而降低人体的湿不舒适感。