出汗暖体假人的研究现状与发展趋势yd18905
雷中祥，钱晓明 天津工业大学纺织学院，天津300387
收稿日期：2015-04-30；修回日期：2015-08-03
作者简介：雷中祥(1991-)，男，硕士研究生，研究方向为服装功能与舒适性。通信作者：钱晓明，教授，qxm@tjpu.edu.cn。
原载：丝绸2015-9；32-36
摘要：系统地回顾了出汗暖体假人的发展过程，介绍出汗暖体假人的测量系统及其测试方法，着重分析代表目前出汗暖体假人巅峰的“Walter”假人的特点；还对出汗暖体假人的应用领域进行了综述，展望了出汗暖体假人的发展趋势，即实现能够模拟人体非均匀出汗的出汗暖体假人、出汗暖体假人测量原理和方法的标准化、能够测量服装的局部热湿舒适性的出汗暖体假人、出汗暖体假人与服装之间的内气候、出汗暖体假人的皮肤。
关键词：出汗暖体假人；热湿交换；热学性能；功能服装；发展趋势
中图分类号：TS941.17 文献标志码：A 文章编号：1001-7003(2015)09-0032-05 引用页码：091107
出汗暖体假人是指具有人的外形，并且可以真实地模拟、测量人体与外界的热湿交换的一种设备。出汗暖体假人技术是用来测量服装舒适性的重要工具，集人体生理学和解剖学、服装舒适性及电子计算机技术于一身的仿真技术[1]。出汗暖体假人能在设定的环境下模拟服装、人体与环境间的热湿交换过程，科学地评价服装整体热学性能，从而避免人体实验中差异的影响，可重复性好，实验精度高。目前，出汗暖体假人已在服装保暖性能评价及机理研究、透湿性能评价和职业防护服、宇航服等开发中发挥了重要的作用，被公认为服装工效学研究必不可少的手段。
1 出汗暖体假人的发展历程
出汗暖体假人自20世纪4O年代发展以来，经历了由发热、发热并且能够活动、发热发汗并能够活动三个阶段[2]。而且真正发展到第三阶段的出汗暖体假人能够完成比较复杂的动作，被广泛应用在世界各大相关研究机构。
最早的出汗暖体假人由Goldenman[3] 等研发，它是在干态假人的基础上套上高吸湿面料，再通过喷水来模拟出汗，但直到20世纪80年代才出现真正意义上的出汗暖体假人“Coppelius”(图1)，1992年芬兰的Meinander[4]等利用硬质泡沫塑料发明了“Coppelius”出汗暖体假人，为了便于出汗暖体假人的自由移动及摆各种姿势，“coppelius”的肩部、肘部、臀部和膝盖部位分别装有假的关节。并由计算机和水阀的开关比例来控制水的分配，模拟假人全身有187个汗腺的出汗，以此控制皮肤的湿度。“Coppelius”主要的功能是通过测量供应的水量和测试前后服装增加的重量来决定服装干热损失和湿热损失。
出汗暖体假人的主要功能是用来测量服装的湿阻，但到目前为止，并未见到“Coppelius”在测量服装湿阻方面的资料。冈此，200l年瑞十的Richard[5]等在“Coppelius”的基础上研发了出汗暖体假人“SAM”(图2)，“SAM”由泡沫塑料混合铝粉制成，增加了出汗暖体假人的热传导性能，使出汗暖体假人的皮肤温度更加均匀。另外“sAM”还可以通过二轴连杆机构带动肢体运动来模拟人类的行走，实现人体的各种动作，行动更加便捷。但是“SAM”还是不能够测量出服装的热阻和湿阻，至今没在相关文献中看到其测量结果。
为了更加准确地测量服装的湿舒适性，2002年范金土等[6]研发了“Walter”(图3)可行走织物出汗暖体假人。
“Walter”可行走织物出汗暖体假人是世界上第一个用水循环系统和防水透湿织物制成的假人。“Walter”通过防水透湿织物实现出汗，它不再通过测量服装的质量变化测量水蒸气蒸发量，而是通过高精密天平时实时监测水蒸气的动态变化.这是在“sAM”的基础上发展起来的。据文献检索，“Walter”是目前世界上唯一能够测量动态实验数据的织物出汗暖体假人，并且能够一次性测量服装热湿舒适性的两个重要参数——热阻和湿阻，这在业界引起了轰动。
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图1 芬兰的假人“Coppelius”
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图2瑞士的假人“SAM” |
图3 “Walter”出汗暖体假人 |
2 “Walter”出汗暖体假人的测试系统和测量原理
目前世界上各大院校及研究机构开发了各种各样的出汗暖体假人模型，而支撑出汗暖体假人向前发展的基础是其先进的测试系统，以及与之相配合的完善的测量原理的研究。
2.1 测试系统
“walter”出汗暖体假人的测试系统包括水循环系统，出汗暖体假人行走系统，蒸发用水在线供水系统和数据测量与采集系统[1]。
假人的出汗经历了由简单的“喷水”到外部管道供水，再到内部管道供水的发展过程[7]。最早研发的出汗暖体假人系统，是通过在高吸湿织物上喷水来供水，实现出汗。另外，还有一种是通过外部管道将水沿皮肤表面流下，浸湿皮肤，这是典型的外部管道供水。而“Coppelius”“SAM”和“Walter”是通过复杂的管路将水引入皮肤内部实现皮肤出汗，“Walter”的水循环系统可以将假人中心部位加热的水分配到假人全身，假人各个部位的温度由水流的速度决定[8]，内部水的流速由假人体内管路的水阀开度决定，出汗暖体假人的内部结构见图4。
“walter”和“coppelius”“SAM”一样，在肩部、肘部、臀部、膝盖等部位都有关节，它是由一个四连杆曲柄机构控制，带动手臂和腿的移动，来实现假人的行走。但由于“walter”是织物假人，行走起来不方便，在大腿和身躯之间增装有“运动关节”，使假人行动起来更像真人，“Walter”假人的行走速度可达到4
km／h[9]。
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图4 “Walter”出汗暖体假人的结构 |
“Walter”出汗暖体假人内部的水可以利用虹吸作用提供在线供给，虹吸作用是通过计算机监控的电子天平、外部的水箱、水阀和虹吸管路实现的[1]。
整个“Walter”系统有32个信号通道，对应有32个温湿度传感器测量皮肤表面温湿度的变化。它的数据监控与采集系统能监测假人核心温度(37℃)、皮肤温度及其变化、环境温度及其变化、水的蒸发量及其变化和环境湿度及其变化，依据监测的数据，能够计算出服装的热阻和湿阻。
“Walter”的模拟人体血液流动的水循环系统、模拟人体感知蒸发的用水连续性供给系统、模拟行走系统与其相对应的先进的数据监测系统和采集系统是其代表目前世界上出汗暖体假人发展巅峰的保障。
2.2 测量原理
人体散热的基本形式有两种，即以温度的梯度为驱动力的干热和以湿度作为梯度的湿热[10]，人体总的散热量等于干热加湿热。因此，影响服装热湿舒适性的重要因素是服装的隔热能力和服装的透湿能力，服装的隔热能力即热阻，服装的透湿能力即湿阻。热阻以“克罗值”为单位，它的定义由美国耶鲁大学学者盖奇等在1941年提出，即在室温21℃，室内相对湿度小于50％，风速不超过0.1 m／s的环境中，一个健康的成人静坐时保持舒适状态时服装的热阻值为1克罗值[11]，湿阻的概念与此类似。热阻概念的提出，使服装的热湿舒适性评价由抽象的热湿传递模型转化为具体的数值。
基于这一理论，为了测量服装的热湿舒适性，Goldenman[3]等研制出了最早的出汗暖体假人，使用了McCullough[12]的“两步法测量原理”。此后，出汗暖体假人研究的学者蜂拥而至，为了使出汗暖体假人的测试的结果更加准确，范金土研发了“Walter”可行走织物出汗暖体假人并提出了“一步法测量原理”[6]。
“两步法测量原理”第一步：用干态暖体假人测出服装的热阻和干散热量；第二步：测量在相同条件下，出汗暖体假人的总的散热量，然后利用湿阻的计算公式，计算出汗暖体假人的湿阻。实验证明，这样的测量结果是不准确的，因为测量需要两个“假设”[13]。首先需要设定干态暖体假人的干散热量和湿态暖体假人的干散热量相等。其次需要假设皮肤的相对湿度为100％ ，这样导致测量的热阻变大，湿阻变小。“Walter”出汗暖体假人的“一步法测量原理”，假人的出汗量等于出汗暖体假人的供水量，出汗量随着服装的变化而变化，这可以由数据监控系统直接获得。从图4可以看到，出汗暖体假人的皮肤直接和假人内部的水接触，皮肤内部的相对湿度是100％，由此，“Walter”出汗暖体假人能够一步测量出服装的热阻和湿阻，实验重复性好，准确度高。
3 出汗暖体假人的应用
出汗暖体假人技术是具有人体生理学、物理学热传递、机械工程学、环境工程学、计算机系统、纺织与服装工程学特点的前沿技术，因此出汗暖体假人技术具有广泛的应用领域。
3.1 测量服装和环境的热湿交换
出汗暖体假人的出现为测量服装和环境的热湿交换提供了一个平台，因为它能够测量服装的热阻值和湿阻值，进而评价服装的热湿舒适性。一般情况下，服装越薄，服装的热阻和湿阻越小，服装越厚，服装的热阻和湿阻越大。
2004年陈益松等[14]利用“Waiter”可行走织物出汗暖体假人测试了“紧身服对服装热阻和湿阻的影响”，得出了结论：当服装内气候空气层在一定的范围内下，服装越紧身，服装的热阻和湿阻将越大；反之，服装越宽松，服装的热阻湿阻将越小；但当超过这个范围，服装越宽松，服装的热阻和湿阻越大。实验证明，在有风的条件下，服装越紧身，保暖性越好。
3.2 应用于航空航天服装的测试
作为航天员的生命保障系统，航天服的各项性能指标关乎航天员的生命安全，在实验模拟太空复杂的环境状态下利用出汗暖体假人模拟航天来模拟真人的实验也是一种比较可行的方案。
不过出汗暖体假人毕竟只是机械设备，在模拟人体的各项生理功能方面存在一定的局限性，针对于这一特殊环境下的特定问题，早在20世纪90年代东华大学就研制出了舱内航天服测试用姿态可调式出汗暖体假人[15]，随后在2013年陈益松等[16]舱外航天服实验用出汗暖体假人的研制与性能分析中首次提出了采用了“分体独立，实时组合”的设计思想，并以此为基础研制了新型的易拆装系列关节，可以在舱外航天服狭小空间内实时组装和分解，不仅能够满足舱外特殊环境下航天服性能测试的要求，而且首次实现了恒皮温、恒功率、变功率和变皮温控制，对中国航天事业的发展有一定的推动作用。
3.3 应用于服装材料的选择
通过出汗暖体假人测量服装的热阻和湿阻，根据热阻值和湿阻值的大小，可以判断一定款式的服装，使用不同的面料或填料时，服装的热湿舒适性。出汗暖体假人可以应用于服装材料的选择，比如夏季服装面料的选择、冬季服装面料的选择、功能性服装的选择等。
2013年李菲菲[17]利用出汗暖体假人“Walter”，在温度为10℃ ，相对湿度为50％ 的环境条件下，对冬季棉服的填料进行了筛选。实验证明，羽绒类填充物的保暖性和透气性比较好；结构为中空、多孔和表面有沟槽的纤维类填充物，因其结构使其内部含有大量静止空气，保暖性和羽绒类似，透气性比羽绒要好。因此，为了实现保暖性能，冬季的棉服应该使用上述材料做填充物。
4 出汗暖体假人的发展趋势
4.1 模拟人体的非均匀出汗
人体在剧烈运动后会大量出汗，然而人体不同的部位出汗量是不同的，腋下、胸部、背部出汗一般较多，四肢出汗较少。为了更好地测量服装的热阻与湿阻，应该研发出和人体出汗强度类似的出汗暖体假人，使其实现非均匀出汗。据了解“Walter”的皮肤是一种高强度透气织物制成，可否从出汗暖体假人的皮肤出发，研究出不同出汗量的特种织物，根据真人测试经验，在不同出汗量的部位使用不同的特种织物做皮肤，这样在相同的试验条件下，出汗暖体假人的不同部位就可以模拟非均匀出汗。
4.2 测量原理和测试方法的标准化
全世界有各种各样的暖体假人，在相同温度和湿度的条件下，测量原理相同造成服装的热阻和湿阻都有所不同，对服装的热湿舒适性的研究造成了影响。出汗暖体假人测量服装热阻有三种模式：恒热流、恒皮温及热舒适调节，同时服装热阻计算也有三种模型：串行模型、并行模型及全局模型。目前唯一论述服装湿阻测试的标准是ASTM F2370-10[18]，然而该标准只是对出汗暖体假人的大小、测试条件和程序作了规定，并没有限制模拟人体出汗的方法，因此不同的假人可以采用不同的方式模拟出汗，而且对出汗暖体假人发汗量的设置也没有做出明确规定。所以目前世界各国的出汗暖体假人的测试结果差异较大，出汗暖体假人的测量原理和测试方法需要进一步标准化。
4.3 测量服装的局部热湿舒适性
现在出汗暖体假人只能测服装的总体热阻和湿阻，还应当能计算服装的局部热阻和湿阻，局部热阻能真实地表达服装对所覆盖部分身体的隔热性能，能确定服装的局部舒适性，进一步促进功能性服装的结构设计和面料的选择。
4.4 研究假人与服装之间的服装内气候
与人体相似，在测试过程中，特别是在模拟人体运动时，服装和假人之间也存在服装内气候，应该研究服装与出汗暖体假人的服装内气候。服装内气候从感觉上可分为潮湿感、冷热感。这两种感觉与外界环境、出汗、体温调节等人体活动、套穿层数多少、服装材料水分移动特性、衣服的开口部位等条件有关。通过研发一种测量衣内气候的设备，它能测量的变量有衣内和外部的温湿度与汗相当的水分的排除量、产热量。测量时的条件与实际穿着衣服背景的外部环境相同，设定好与发汗量水分相当的水分排除量。
4.5 出汗暖体假人的皮肤
“Walter”的皮肤是由织物构成，所用织物的物理性能，如压缩、拉伸弹性等，与真实人体皮肤表面差异很大，影响了对特殊功能服装(如紧身衣)的测试。因此，为出汗暖体假人寻找一种合适的模拟皮肤材料成为研究的重点内容。杨凯等[19]在大量实验的基础上，最终挑选出一种聚苯乙烯系高分子弹性体TPR，被认为模拟皮肤材料综合性能最优的材料。但是在环境条件变化时，贴TPR模拟皮肤的出汗暖体假人，其表面温度还有一定的波动，而且目前没有见到TPR在出汗暖体假人的具体应用，所以出汗暖体假人的皮肤还需进一步研究。
5 结语
出汗暖体假人是测量服装热湿舒适性的重要设备，它的研究过程非常漫长，但具有巨大的现实意义。最新的出汗暖体假人“Walter”能够准确地评价服装的热湿舒适性，过程方便、精确，误差小，是假人研究史上的一次重大突破，而研发具有更完善功能的出汗暖体假人仍在继续。
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