折疊式仿生自行車頭盔設(shè)計分析

折疊式仿生自行車頭盔設(shè)計分析折疊式仿生自行車頭盔設(shè)計分析 2020/01/19 關(guān)鍵詞：折疊式；仿生；自行車；頭盔；產(chǎn)品設(shè)計自行車頭盔是用于城市居民騎行安全防護(hù)的產(chǎn)品，其質(zhì)量關(guān)乎騎行者的生命安全。由于頭盔佩戴者頭形差異較大，佩戴主觀感受難以統(tǒng)一，國內(nèi)外頭盔設(shè)計長期存在佩戴適合性差、佩戴穩(wěn)定性有限及佩戴舒適性不足的難題，給佩戴者帶來了安全隱患1。因此，有必要從實際出發(fā)，參照仿生學(xué)知識，優(yōu)化設(shè)計自行車頭盔結(jié)構(gòu)。產(chǎn)品形態(tài)仿生設(shè)計以其生動形象的造型讓產(chǎn)品具有強(qiáng)烈的情感色彩，并在使用過程中帶給用戶趣味化的體驗，使用戶在高壓狀態(tài)下的生活得到放松，極大滿足了用戶期望從產(chǎn)品上獲取溫暖的心理需求，符合工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計“以人為本”的發(fā)展趨勢2。一、城市自行車頭盔市場現(xiàn)狀分析（一）國際品牌主導(dǎo)國內(nèi)市場目前，市場上較為常見的自行車頭盔多為來自北美和歐洲的知名品牌，如閃電、TREK、GIANT、BELL、GIRO和KASK等，價格均為千元以上。國產(chǎn)品牌以GUB為代表，價格區(qū)間在200元至500元。還有一些山寨產(chǎn)品，價格在幾十元到百元不等。在山地車騎行運動發(fā)燒友這個群體中，90%以上的用戶都選擇購買國際頭盔品牌，因為這些產(chǎn)品大都通過了歐洲、美國和澳大利亞（分別為CE、CPSC和AS/NZS標(biāo)準(zhǔn)）三大市場的自行車頭盔安全認(rèn)證，質(zhì)量有保障，其所用材質(zhì)和安全性設(shè)計要高于國產(chǎn)品牌及山寨產(chǎn)品。有些高端頭盔產(chǎn)品更添加了智能導(dǎo)航、遠(yuǎn)程控制等功能。面對國際品牌強(qiáng)大的競爭力和國內(nèi)低碳出行的倡導(dǎo)，中國城市自行車頭盔的自主設(shè)計任重而道遠(yuǎn)，如圖1、2。（二）自行車頭盔使用率不高以筆者生活的城市為例，路上隨處可見自行車騎行者，卻幾乎沒有人佩戴頭盔。據(jù)不完全統(tǒng)計，不佩戴頭盔騎行者多達(dá)70%；佩戴頭盔騎行者只占10%左右，主要為山地車騎行運動者；曾經(jīng)佩戴過頭盔的騎行者約占20%。根據(jù)對這些群體的隨機(jī)訪談結(jié)果來看，自行車騎行者不佩戴頭盔的原因主要有：1.根本沒有要佩戴頭盔的意識。2.騎行路程較短，沒有必要佩戴頭盔。3.自己騎車技術(shù)好，不會出現(xiàn)意外。4.頭盔佩戴麻煩。5.長久佩戴頭盔容易發(fā)悶發(fā)熱。6.自己本來想戴，看大家都沒戴，就不戴了。7.形式感太強(qiáng)，沒有必要。8.頭盔不方便攜帶。自行車騎行者戴頭盔現(xiàn)象之所以少見，是因為公眾主動預(yù)防傷害的意識較弱。醫(yī)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，騎行時佩戴自行車頭盔可防止頭部受傷的概率達(dá)85%，同時也可以大大降低損傷程度和事故死亡率3。頭盔能夠?qū)ψ畛醯臎_撞起到緩沖作用，降低沖擊力度，以及顱骨骨折和腦出血的可能性。因此，頭盔應(yīng)成為自行車騎行者的必備品。（三）自行車行車安全教育不足為了提升城市交通安全系數(shù)，國內(nèi)很多城市都對道路進(jìn)行了重新規(guī)劃和建設(shè)，如將機(jī)動車道和非機(jī)動車道隔開，以及建設(shè)專用自行車道。但仍避免不了機(jī)動車占用非機(jī)動車道的現(xiàn)象，也可見自行車騎行者為圖方便快捷，漠視交規(guī)，在機(jī)動車道上飛馳的現(xiàn)象。建設(shè)有效的非機(jī)動車行車安全宣傳和監(jiān)管平臺，包括騎行時佩戴頭盔的提示，也是十分必要的。二、城市自行車頭盔設(shè)計要素解析（一）種類及造型按用途分，自行車頭盔可分為山地盔、公路盔和競賽盔三種，且多為橢圓形。適于普通城市自行車的頭盔在種類造型上必須滿足以下幾點：（1）圓形，更加貼合亞洲人頭形，佩戴緊湊，可避免頭部兩側(cè)夾持感；（2）輕便，便于拿握、佩戴和懸掛，但頭盔重量受結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的影響，設(shè)計時需要根據(jù)用戶需求，結(jié)合產(chǎn)品成型工藝進(jìn)行優(yōu)化；（3）滿足對用戶后腦的保護(hù)。人類后腦很脆弱，極易受到傷害，對頭盔覆蓋后腦的部分設(shè)計要求更高，也是區(qū)別頭盔價值所在。（二）結(jié)構(gòu)及材質(zhì)自行車頭盔的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要從以下幾部分入手：1.帽殼覆蓋于帽體之外的薄膜，與帽體相貼合，可分散撞擊力，材質(zhì)主要有聚碳酸酯（PC）、滌綸樹脂（PET）和聚氯乙烯（PVC）真空成型。2.帽體頭盔的主體，設(shè)計須符合頭部結(jié)構(gòu)，符合國際認(rèn)證安全標(biāo)準(zhǔn)，材質(zhì)主要有合成樹脂（EPS）和聚氨酯泡沫塑料（EPU）兩種。一體成型的頭盔帽殼和帽體間沒有空隙，韌性和強(qiáng)度也更好。3.束鎖裝置將頭盔固定在用戶后腦部，增強(qiáng)頭盔穩(wěn)固性。束鎖裝置應(yīng)具有調(diào)節(jié)作用，以協(xié)調(diào)帽體本身尺寸和頭部的貼合程度，因此，可在保證產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)的基礎(chǔ)上，在頭盔后腦部加入可調(diào)節(jié)的彈簧帶，并根據(jù)產(chǎn)品成型工藝仔細(xì)推敲。4.帽帶及扣環(huán)帽帶與臉部皮膚緊貼，材質(zhì)以柔軟、不傷皮膚的尼龍為主?？郗h(huán)的主要作用是扣緊帽帶，防止頭盔晃動。設(shè)計時應(yīng)避免尖銳棱角，考慮系扣和解扣時的便捷性。5.氣孔通風(fēng)導(dǎo)流。其位置和大小均對頭盔的舒適度有很大影響，設(shè)計時需要結(jié)合產(chǎn)品整體尺寸和造型確定最優(yōu)方案。6.襯墊由于人體頭部結(jié)構(gòu)不盡相同，在設(shè)計時可在帽體內(nèi)部不同區(qū)塊增加可移動調(diào)整的襯墊，以補(bǔ)足帽體與頭部之間的空隙，使頭盔佩戴更加舒適。材質(zhì)一般選用透氣性強(qiáng)的棉或發(fā)泡物。三、折疊式仿生自行車頭盔的創(chuàng)新設(shè)計（一）市場定位及設(shè)計概念根據(jù)市場分析可知，普通城市自行車頭盔設(shè)計應(yīng)在保證品質(zhì)和工藝的基礎(chǔ)上，不盲目追求高端智能的產(chǎn)品功能，而真正從大眾用戶需求出發(fā)，應(yīng)用仿生學(xué)原理，設(shè)計真正符合大眾需求的自行車頭盔產(chǎn)品。而在設(shè)計的課題中，往往在開始階段只有極少量的信息可供參考，更多的是依靠個人的判斷以及做出的種種假設(shè)，并且總是有不止一種正確答案4。本次設(shè)計的目的是設(shè)計一款實用、堅固、美觀、輕便的城市自行車騎行頭盔，根據(jù)自行車頭盔結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，選擇合適的生物原型，并提取其特征點，進(jìn)行仿生產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的路徑探索。仿生頭盔設(shè)計抗沖擊系數(shù)更高，整體重量比同類城市騎行頭盔更輕，風(fēng)阻性更低，透氣性更好。設(shè)計過程中主要運用形態(tài)仿生和結(jié)構(gòu)仿生兩種方法。生物原型為穿山甲和蜂巢。（二）仿生原型分析穿山甲全身覆蓋由角蛋白組成的菱形鱗片，鱗片相互堆疊，由脊背中央向身體兩側(cè)縱向排列，呈剃刀狀，這種順序排列的鱗片能防止穿山甲在打洞時泥土黏附身體。受其他生物攻擊時，穿山甲的身體能夠蜷成球狀，堆疊的鱗片在每個節(jié)點處相互咬合，使穿山甲身體外殼更加堅硬，有效防御外敵入侵，如表1。穿山甲流線型的身體外形和自行車頭盔的基本造型相吻合，可作為頭盔帽殼的設(shè)計參照物，設(shè)計特征提取為堅硬的材質(zhì)、合理的物理結(jié)構(gòu)以及優(yōu)美自然的形態(tài)。自行車頭盔的帽體為產(chǎn)品主體部分，對強(qiáng)度和韌性有很高的要求，此處提取蜂巢的結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行簡化處理，使其更加符合產(chǎn)品形態(tài)設(shè)計要求。蜜蜂在長期的演化中具有了制造蜂巢的本能，而且工蜂總是用六棱柱形的單元結(jié)構(gòu)制作成蜂巢5。研究表明，這種穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)重量輕，剛性大，隔熱性好，如表2。將此結(jié)構(gòu)運用于頭盔帽體內(nèi)襯，能夠使產(chǎn)品更加美觀舒適。（三）產(chǎn)品創(chuàng)新點1.簡化及應(yīng)用生物原型特征單純的一個生物不會引人注意或者引起情感共鳴，但是將其與產(chǎn)品聯(lián)系起來就會有豐富的聯(lián)想空間并能夠產(chǎn)生豐富的情感，將其衍生為產(chǎn)品也會成為迎合大眾的設(shè)計，同時會增強(qiáng)作品的個性化6。通過對穿山甲體態(tài)特征的研究與分析，并且對自行車頭盔產(chǎn)品造型形態(tài)的研究發(fā)現(xiàn)，頭盔帽殼的外部輪廓能夠詳細(xì)表達(dá)穿山甲獨特的形態(tài)特征，給用戶最直觀的設(shè)計感受。由于穿山甲身體造型多為自由曲線，為設(shè)計出貼合人類頭部外形特性的產(chǎn)品，這里主要選取穿山甲背脊主特征線用于控制頭盔形態(tài)的主要風(fēng)格，從整體上顯性有效地表明產(chǎn)品形態(tài)特征，如圖3。頭盔內(nèi)襯造型則由蜂巢生物特征出發(fā)進(jìn)行聯(lián)想，采用六棱柱形的網(wǎng)眼單元結(jié)構(gòu)，使產(chǎn)品既輕便透氣，又堅固耐用，如圖4。2.便攜折疊式設(shè)計為使頭盔便于攜帶和收納，可折疊自行車頭盔具有極佳的靈活性。設(shè)計時，主要參照穿山甲鱗片相互堆疊的菱形結(jié)構(gòu)，頭盔能夠以雙耳部位為軸縱向折疊和展開，如圖5。值得注意的是，如果折疊組塊過多，可能會影響組件之間鏈接的穩(wěn)定性，也可能會引起頭盔內(nèi)襯斷裂，從而導(dǎo)致使用安全隱患。因此，在后續(xù)改良設(shè)計中，還需要應(yīng)用力學(xué)原理對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算和評估。3.產(chǎn)品結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)及功能頭盔產(chǎn)品的主要目的是拯救生命和防止創(chuàng)傷性腦損傷7。在正確佩戴的情況下，頭盔應(yīng)當(dāng)遮擋以眉毛為基線以上的頭部范圍，并對后腦形成保護(hù)。除了上述仿生設(shè)計的部分外，本次設(shè)計在頭盔前部眉心位置設(shè)計了固定環(huán)和折疊卡扣，用于固定頭盔打開后的造型以及佩戴在頭部的位置。帽體兩側(cè)的透氣孔主要起到通風(fēng)和確保頭部干爽的作用。警示燈用于夜間騎行時提醒來往車輛注意和騎行者保持安全距離，警示燈的開關(guān)則設(shè)計在帽帶上，便于操控。在帽帶下顎處設(shè)計固定扣環(huán)，并在側(cè)耳處安排調(diào)節(jié)器，以確保頭盔佩戴時不會左右搖晃，如圖6。4.產(chǎn)品CMF（1）顏色：本產(chǎn)品從創(chuàng)新設(shè)計視角出發(fā)，發(fā)現(xiàn)用戶的細(xì)節(jié)需求，提供創(chuàng)新的產(chǎn)品色彩定義及產(chǎn)品圖案設(shè)計，通過高光區(qū)域顏色減淡和暗部顏色加深處理增加對比度。并針對不同性別、性格用戶提供豐富的色彩選擇，對不同色彩賦予不同的象征意義。比如，黑色代表沉穩(wěn)，灰色代表時尚輕便，綠色象征環(huán)保等，如圖7。（2）材質(zhì)與工藝：此次頭盔帽體將采用一體化注塑成型工藝，能夠使產(chǎn)品更加堅固耐用，注塑成型的成型周期短，特別適合大批量生產(chǎn)8。外殼采用可發(fā)性聚苯乙烯（EPS）材質(zhì)，防潮性、絕緣性和保溫性好，亦可使產(chǎn)品質(zhì)量輕，便于佩戴。傳統(tǒng)頭盔內(nèi)部采用泡沫、聚乙烯等實心材料作為緩沖結(jié)構(gòu)吸能結(jié)構(gòu)9.折疊式仿生自行車頭盔內(nèi)襯采用3D速干材質(zhì)和多層開孔結(jié)構(gòu)工藝，使騎行更加舒適。帽帶材質(zhì)考慮以尼龍為主，配以十字編織工藝，既滿足用戶保護(hù)皮膚的要求，也起到裝飾的作用。結(jié)語本次折疊式仿生自行車頭盔設(shè)計是為了彌補(bǔ)同類高端品牌和地段產(chǎn)品之間的斷層，解決大多數(shù)城市居民騎行安全問題。雖然設(shè)計還存在許多瑕疵，但它是在理解人、產(chǎn)品、自然和社會的關(guān)系的基礎(chǔ)上做出的創(chuàng)新嘗試，是以為符合大眾安全性需求為設(shè)計出發(fā)點的，能夠為研究類似產(chǎn)品和相關(guān)設(shè)計生產(chǎn)實踐提供參考。日后，在時刻關(guān)注市場發(fā)展趨勢的基礎(chǔ)上，在設(shè)計過程中以用戶需求為出發(fā)點，掌握產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的基本原則和一般規(guī)律，還能夠進(jìn)一步找到解決問題的方法，設(shè)計出符合要求的自行車頭盔產(chǎn)品。參考文獻(xiàn)1許斌，宋芳，駱海清，等.國內(nèi)外主要自行車頭盔標(biāo)準(zhǔn)對比淺析J.理化檢驗，2017（4）：260-263.2許永生吳尤荻.產(chǎn)品形態(tài)仿生中的敘事設(shè)計研究J.設(shè)計，2019，32（13）：86-88.3孫曉輝.基于頭型特征的個性化頭盔設(shè)計方法研究J.科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2018（29）：177-178.4張華.產(chǎn)品設(shè)計的邏輯起點J.設(shè)計，2016（17）：26-27.5江牧.工業(yè)設(shè)計仿生的價值所在J.裝飾，2013（4）：16-19.6康紅娜.仿生產(chǎn)品造型中的符號分析J.南華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009（12）：111-114.7盛傳新.基于生命文化的安全性頭盔產(chǎn)品設(shè)計策略J.設(shè)計，2019（5）：128-129.8王文平，池成忠.塑料成型工藝與模具設(shè)計M.北京：北京大學(xué)出版社，2005.9余行，楊亮，張鵬.基于微結(jié)構(gòu)填充與仿生學(xué)的頭盔設(shè)計J.科技視界，2018（5）：196-197.