Advancements in Equipment Design

设备设计的进步

Linas Juozenas

过去几十年，设备设计领域因技术创新和对人体生物力学更深入的理解而取得显著进展。这些进展旨在提升性能、降低受伤风险，并满足用户多样化需求。在此背景下，出现了两个关键趋势：开发生物力学高效机器和打造可根据个人需求定制的适应性设备。本文探讨这些趋势，深入分析它们如何促进健身、体育、康复和工业等多个领域中更安全、更有效的设备使用。

设备设计的进步

设备设计已从基本功能发展到融合先进技术和人体工学原则。现代设备不仅实现其预期功能，还能与人体无缝互动，提升舒适度、效率和安全性。

技术创新

  • 材料科学：碳纤维、高级聚合物和智能纺织品等材料的进步，使设备更轻、更强、更耐用。
  • 数字集成：集成传感器、微处理器和连接功能，使设备能够提供实时反馈和数据分析。
  • 增材制造（3D打印）：实现复杂设计和快速原型制作，支持设备形状和结构的定制与创新。

人体工学与生物力学的考量

  • 以人为本的设计：注重设备设计与人体解剖结构和运动模式的契合。
  • 生物力学研究：深入研究人体运动，为设备设计提供优化性能和减少负担的依据。
  • 安全增强：实施减少使用过程中受伤风险的功能。

生物力学高效机器：降低受伤风险

生物力学在设备设计中的重要性

生物力学是研究生物体运动或结构相关机械规律的学科。在设备设计中，生物力学在理解力如何与人体互动方面起着关键作用。

  • 优化运动：设计与人体自然运动相辅相成的设备，减少肌肉和关节的不必要压力。
  • 力的分布：设备设计中的正确对齐和支撑确保力均匀分布，减少压力点和潜在伤害。
  • 伤害预防：理解伤害的生物力学原理，帮助设计师创造减轻常见风险因素的设备。

生物力学高效机器示例

健身设备

  • 椭圆机：设计模仿踝关节、膝关节和髋关节在行走或跑步时的自然轨迹，减少关节冲击。
  • 可调节人体工学划船机：具备动态阻力和可调节部件，适应不同体型，减少下背部压力。

工业工具

  • 人体工学手工具：设计有减少手腕偏移且握力需求较低的手柄，降低重复性劳损风险。
  • 外骨骼：可穿戴设备，支持并增强人体运动，减少肌肉疲劳和体力劳动中的受伤风险。

医疗与康复设备

  • 机器人康复设备：通过精确控制辅助患者运动，帮助恢复同时防止过度劳累。
  • 生物力学对齐的假肢：设计模仿自然步态的人工肢体，减少代偿性伤害。

降低受伤风险的影响

生物力学高效的机器在预防伤害方面贡献显著：

  • 减少关节压力：降低可能导致磨损的冲击和不自然动作。
  • 增强肌肉激活：促进肌肉均衡使用，防止代偿过度和肌肉失衡。
  • 改善姿势与对齐：鼓励在使用设备时保持正确的身体对齐，减少脊柱及其他关键部位的压力。

可调节设备：满足个体需求的定制化

设备定制化的需求

个体在体型、力量、柔韧性和具体需求方面差异很大。可调节设备通过提供定制化解决这些差异，从而带来：

  • 舒适度增强：调节确保设备符合用户体型，提高舒适性和易用性。
  • 性能提升：定制化使用户能够根据具体目标优化设备设置。
  • 包容性：可调节设备能够满足残障人士或特殊需求用户的使用。

实现适应性的技术

可调节部件

  • 机械调节：如可调节座椅、手柄和支撑等简单机制。
  • 动态阻力系统：根据用户输入或性能指标自动调整阻力的设备。

智能技术整合

  • 传感器反馈：配备传感器，实时监测用户表现并调整设置的设备。
  • 用户档案与人工智能：存储用户偏好并利用人工智能推荐最佳设置的设备。

模块化设计

  • 可互换部件：可更换以适应不同锻炼或用户偏好的组件。
  • 可扩展系统：随着用户需求变化，可扩展或修改的设备。

可调节设备示例

健身与运动

  • 可调节哑铃和重量系统：方便用户轻松调整重量，节省空间，满足不同力量水平。
  • 智能跑步机和健身车：提供可定制训练，自动调节坡度/阻力，适应用户节奏。
  • 定制运动鞋：根据个人足型和步态定制，提升表现并降低受伤风险。

工作场所设备

  • 人体工学办公椅和办公桌：可调节高度、腰部支撑和倾斜功能，符合个人人体工学。
  • 适应性计算机外设：设计适合不同手型并减少疲劳的键盘和鼠标。

康复和医疗设备

  • 可调节轮椅：可定制的座椅、支撑和控制系统，满足个体的行动需求。
  • 个性化矫形器具：根据个人解剖结构和治疗需求定制的支具和支撑装置。

可调节设备的优势

  • 增强安全性：合适的贴合度降低事故和伤害的可能性。
  • 提高无障碍性：适应更广泛的用户群体，包括有特殊需求者。
  • 用户满意度：个性化带来更高的满意度和使用依从性。

设备设计的未来趋势

先进技术的整合

  • 人工智能 (AI)：基于用户行为学习，提供个性化体验的智能设备。
  • 虚拟现实和增强现实 (VR/AR)：通过模拟环境和提供互动反馈，提升培训和康复效果。
  • 物联网 (IoT)：将设备连接到网络，实现数据共享、远程监控和功能增强。

可持续和环保设计

  • 可回收材料：使用环保且可持续的材料。
  • 能源效率：使用过程中产生或节约能源的设备。

强调包容性设计

  • 通用设计原则：创造所有人都能访问和使用的设备，无论年龄、能力或生活状态如何。
  • 协作设计流程：让最终用户参与设计过程，更好地满足他们的需求。

 

设备设计的进步，特别是生物力学高效机器和可适应设备的发展，极大地促进了安全性、性能和用户满意度的提升。通过使设备符合人体自然运动和多样化需求，设计师和制造商正在降低受伤风险并提升设备的可及性。技术的持续整合、对可持续性的重视以及对包容性设计的承诺，为各领域设备创新带来了令人期待的未来。

免责声明：本文仅供参考，不构成专业建议。选择或使用专业设备时，请始终咨询合格的专业人士。

参考文献

  1. Gibson, I., Rosen, D. W., & Stucker, B. (2015). 增材制造技术：3D打印、快速成型与直接数字制造（第2版）。Springer. 
  2. He, J., Bai, S., Periaswamy, S., 等. (2017). 开源生态系统中航空工业的大数据与工业物联网。IEEE工业信息学汇刊, 13(4), 1873–1882. 
  3. Campbell, T., Williams, C., Ivanova, O., & Garrett, B. (2011). 3D打印能改变世界吗？增材制造的技术、潜力及影响。大西洋理事会, 3–4. 
  4. Nigg, B. M., & Herzog, W. (2007). 肌肉骨骼系统的生物力学（第3版）。Wiley. 
  5. Solomonow, M. (2012). 高风险和低风险重复性腰椎屈曲后粘弹性组织退化的神经肌肉表现。肌电图与运动学杂志, 22(2), 155–175. 
  6. Kumar, S. (2001). 肌肉骨骼损伤成因理论。人体工程学, 44(1), 17–47. 
  7. Grabowski, A. M., & Kram, R. (2008). 速度和重量支撑对跑步时地面反作用力和代谢功率的影响。应用生物力学杂志, 24(3), 288–297. 
  8. Hagerman, F. C. (1984). 划船的应用生理学。运动医学, 1(4), 303–326. 
  9. Douwes, M., de Kraker, H., & Hoozemans, M. J. M. (2001). 驾车时手腕的机械暴露及其对左撇子司机的影响。应用人体工程学, 32(4), 359–368. 
  10. de Looze, M. P., Bosch, T., Krause, F., 等. (2016). 工业应用的外骨骼及其对体力负荷的潜在影响。人体工程学, 59(5), 671–681. 
  11. Mehrholz, J., Thomas, S., Werner, C., 等. (2017). 脑卒中后电机辅助步行训练。科克伦系统评价数据库, (5), CD006185. 
  12. Major, M. J., & Twiste, M. (2019). 下肢截肢者的步态：三维运动学和动力学研究综述。步态与姿势, 70, 1–6. 
  13. Messier, S. P., Legault, C., Loeser, R. F., 等. (2013). 老年膝骨关节炎患者的大幅减重是否影响步行时骨对骨关节负荷和肌肉力量？骨关节炎与软骨, 19(3), 272–280. 
  14. Page, P. (2012). 运动和康复中肌肉拉伸的当前概念。国际运动物理治疗杂志, 7(1), 109–119. 
  15. McGill, S. M. (2007). 腰椎疾病：循证预防与康复（第2版）。Human Kinetics. 
  16. Zemp, R., List, R., Gülay, T., 等. (2016). 人体背部软组织伪影：皮肤标记与脊椎骨在躯干伸展运动中的运动比较。生物力学杂志, 49(14), 3158–3164. 
  17. Fleck, S. J., & Kraemer, W. J. (2014). 阻力训练项目设计（第4版）。Human Kinetics. 
  18. Story, M. F., Mueller, J. L., & Mace, R. L. (1998). 通用设计档案：为所有年龄和能力的人设计。北卡罗来纳州立大学，通用设计中心. 
  19. Feeney, D. F., Stanhope, S. J., Kaminski, T. R., & Higginson, J. S. (2018). 利用机器学习自动调节虚拟现实跑步机速度以适应个体步态特征。生物力学杂志, 67, 91–96. 
  20. Seiberl, W., Power, G. A., & Herzog, W. (2015). 伸展-缩短循环（SSC）再探：残余力增强促进快速伸展-缩短循环中的性能提升。实验生物学杂志, 218(Pt 16), 2856–2863. 
  21. Zhang, Z., Chen, Y., & Li, M. (2018). 使用自适应阻抗和强化学习的智能动力辅助机器人控制。IEEE工业电子学报, 65(4), 3411–3420. 
  22. Tsai, Y. J., & Lin, S. I. (2013). 手杖和拐杖对老年人步态稳定性的影响。生物力学杂志, 46(9), 1472–1477. 
  23. Andersen, L. L., Andersen, J. L., Magnusson, S. P., 等. (2005). 先前未训练者阻力训练后停止训练的神经肌肉适应。欧洲应用生理学杂志, 93(5-6), 511–518. 
  24. Weng, C. M., Lee, C. L., & Chen, C. H. (2017). 12周普拉提课程对男性长跑运动员跑步经济性、肌肉力量和柔韧性的影响。运动科学与健身杂志, 15(3), 97–103. 
  25. Cheung, R. T. H., & Ng, G. Y. F. (2007). 运动控制鞋减轻足底筋膜炎跑者的疼痛。美国运动医学杂志, 35(3), 470–476. 
  26. Robertson, M. M., Ciriello, V. M., & Garabet, A. M. (2013). 办公室人体工学培训与坐站交替工作站：对办公室工作人员肌肉骨骼和视觉症状及表现的影响。应用人体工学, 44(1), 73–85. 
  27. Gustafsson, E., Johnson, P. W., & Hagberg, M. (2010). 使用手机时的拇指姿势和身体负荷——有无肌肉骨骼症状的年轻成人比较。肌电图与运动学杂志, 20(1), 127–135. 
  28. Ding, D., Leister, E., Cooper, R. A., 等. (2008). 倾斜空间、后仰和抬腿靠垫的使用情况。物理医学与康复档案, 89(7), 1330–1336. 
  29. Schrank, E. S., & Stanhope, S. J. (2011). 通过快速定制和制造框架制作的踝足矫形器的尺寸精度。康复研究与发展杂志, 48(1), 31–42. 
  30. Gallagher, K. M., & Callaghan, J. P. (2015). 早期静态站立与长时间站立引起的下背痛相关。人体运动科学, 44, 111–121. 
  31. Thompson, W. R. (2018). 2019年全球健身趋势调查。ACSM健康与健身杂志, 22(6), 10–17. 
  32. Regterschot, G. R., Folkersma, M., Zhang, W., 等. (2014). 运动游戏对帕金森病患者的影响及可行性：一项初步研究。物理治疗, 94(7), 1055–1068. 
  33. Li, S., Xu, L. D., & Zhao, S. (2015). 物联网：综述。信息系统前沿, 17(2), 243–259. 
  34. Greene, D. L., & Lewis, C. (2011). 可持续性与材料选择：生命周期分析如何促进可持续材料选择。机械设计杂志, 133(10), 101002. 
  35. Steinfeld, E., Maisel, J. L., & Steinfeld, E. (2012). 通用设计：创建包容性环境. Wiley. 

 

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