太空锻炼区人机界面色彩环境舒适度设计研究.pdf
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1、第45卷第4期2024年2 月包装工程PACKAGING ENGINEERING67太空锻炼区人机界面色彩环境舒适度设计研究毛建赞12,姚湘1*,霍世宇1,许活鹏1,王美琪(1.湘潭大学,湖南湘潭41110 5;2.湖南国防工业职业技术学院,湖南湘潭4112 0 7)摘要:目的研究载人航天器锻炼区在不同色彩环境下对运动锻炼的色彩环境舒适度、运动欲望及心率上升率的影响。方法36 名受试者分为头低位组(实验组)和立位组(对照组),实验要求被试者进行主观问卷评价,同时采集实验中的客观数据。对主观评价结果进行方差分析,并对心率信号进行心率上升率换算,分析不同色彩下主观评价和心率数据的差异。最后以航天器
2、锻炼区的色彩搭配为例进行设计验证。结果主观评价显示,不同颜色对心理状态都有显著性差异;在色彩环境舒适度上,通过研究冷暖色调对运动色彩环境舒适度均值的影响后发现,无色彩环境相对于其他颜色表现出显著差异性;在运动欲望上,通过分析色彩的冷暖色调对运动欲望均值的影响发现,暖色环境相对于冷色表现出显著差异性。客观数据显示,不同色彩下心率波动均在正常范围内,而不同色彩环境下心率上升率差异不大,无统计学意义。在不同状态下心率上升率有显著差异。结论在狭小、密闭的锻炼空间中,暖色环境相比冷色环境和无色彩环境更容易影响人的运动欲望,其中黄色环境表现较为明显,而相比有色彩环境下,在无色彩环境下的运动则更为舒适。最后
3、依据实验结论开展设计实践。关键词:色彩;运动色彩环境舒适度;运动欲望;心率上升率中图分类号:TB472文献标志码:AD0I:10.19554/ki.1001-3563.2024.04.007A文章编号:10 0 1-356 3(2 0 2 4)0 4-0 0 6 7-10Comfort Design of Man-machine Interface Color Environmentin the Exercise Area of Manned SpacecraftMAO Jianyun-,YAO Xiang*,HUO Shiyul,XU Huopeng,WANG Meiqi(1.Xiangta
4、n University,Hunan Xiangtan 411105,China;2.Hunan Defense Industry Polytechnic,Hunan Xiangtan 411207,China)ABSTRACT:The work aims to study the effects of different color environments on color environment comfort,exercisedesire and heart rate increase in the exercise area of manned spacecraft.36 subje
5、cts were divided into two groups:thehead down group(experimental group)and the standing group(control group).Subjective evaluation was carried out,andobjective data were collected from the experiment.Variance analysis was conducted to the subjective evaluation resultsand heart rate increase conversi
6、on was carried out to heart rate signal.The difference between subjective evaluation andheart rate data under different colors was analyzed.Finally,the color matching of the spacecraft exercise area was takenas an example to verify the design.Subjective evaluation showed that different colors had si
7、gnificant differences in men-tal state.In terms of the comfort degree of color environment,the effect of warm and cold tones on the average comfortdegree of sports color environment was studied,indicating that the achromatic environment showed significant differ-ences compared with other colors.In t
8、erms of exercise desire,by analyzing the effect of the cold and warm tones of coloron the mean value of exercise desire,it was found that the warm color environment showed significant differences com-pared with the cold color.The objective data showed that the fluctuation of heart rate under differe
9、nt colors was within thenormal range,and the increase of heart rate under different color schemes had little difference,which was not statistically收稿日期:2 0 2 3-0 9-13基金项目:国家自然学科基金项目(52 37 52 6 9);国家社会科学基金艺术学一般项目(2 0 BG115);湖南省教育厅科学研究优秀青年项目(2 3B0962)*通信作者68significant.There were significant differenc
10、es in the increase of heart rate in different states.In a narrow and closed exer-cise space,warm environment is more likely to affect peoples desire to exercise than cold environment and achromaticenvironment,in which yellow environment is more obvious,while achromatic environment is more comfortabl
11、e thancolor environment.Finally,the reliability of the experimental results is verified by a case design.KEY WORDS:color;comfort of sports color environment;exercise desire;heart rate increase包装工程2024年2 月工作环境直接影响人-机-环境系统的整体效率和人的健康状态 。运动锻炼是载人航天中保障航天员生理及心理健康的重要一环。太空环境中,航天员会经历一系列生理适应过程,其中最显著的变化表现为心血管系统
12、的调整、肌肉组织的萎缩,以及骨密度的减少。在无重力条件下,随着飞行时间的延长,这些问题会进一步加剧。在轨锻炼就是帮助航天员减少肌肉萎缩和骨量丢失不可或缺的方法。然而研究表明,现阶段的在轨锻炼还存在一定问题,不足以满足保障航天员长期在轨时健康状态的任务要求 2 。因此,载人航天器锻炼区健康保障的建设和发展,要从饮食、失重生理效应防护、医监医保、心理健康维护等方面综合开展 3-7 。而色彩的运用能以较低成本提高所处环境的色彩环境舒适度,运用适当的色彩对锻炼空间的整个环境进行装饰,以提高锻炼时的整体效能。相关研究表明,不同的色彩对人的生理及心理影响是不同的,运用适当的色彩能有效提高人的工作效能,排除
13、不良影响 。因此色彩作为系统中的重要内容,开展锻炼区色彩设计研究是载人航天器人机界面设计的重要课题 8-10 1色彩环境舒适度与运动体验航天器内设置锻炼区对保障航天员的健康至关重要。目前,航天器内锻炼区与工作区的环境色彩相同,缺乏针对锻炼空间心理需求的考虑。区域划分模糊及单调的空间可能导致舒适度下降和疲劳,从而影响载人航天任务。在这样的封闭环境下,束缚感将不可避免地导致宇航员生理和心理状态的变化。因此,现有的锻炼预防措施还不能满足人类长期驻留或登陆火星的需求 12 心理学理论认为,不同颜色会对人产生不同的心理影响,积极的(或主动的)色彩能够产生积极、进取的态度,消极的(被动的)色彩则会表现不安
14、或焦虑的心理状态 13-16 。暖色系和明度高的色彩具有向前、凸出、拉近的效果,而冷色系和明度较低的色彩则具有向后、凹进、推远的效果 17 。在地面健身房色彩设计中,往往通过调整色彩主次之间的协调与对比关系以达到美化室内空间的目的 17-18 1。航天器内部色彩设计旨在为环境中的人员提供心理的舒适感并确保其心理及生理的稳定。因此,在航天器内部色彩设计时,同样需要通过平衡主次色彩的协调与对比,以创造一个舒适的空间。色彩环境舒适度是指在指定环境与条件下,个体在心理与生理方面的满足程度。色彩环境、舒适度与运动欲望之间的关系源于人与环境色彩的互动效应。在不同色彩下,个体主观感受存在差异,而舒适度和运动
15、欲望实质上是个体对特定色彩环境感受的反映与表达。在空间环境中的运动锻炼无可避免地受到色彩环境的影响,只有准确把握色彩环境对人的影响,并据此规划合理的色彩空间,才能达到空间的舒适感受及改善锻炼的效能 19-2 4。因此,本研究重点探索三个问题:(1)在什么色彩下运动锻炼的感受更舒适;(2)在什么色彩下能够提升运动的欲望;(3)不同色彩下心理与生理的关联。以此为载人航天运动锻炼色彩空间设计提供参考依据,进而改善航天员在锻炼过程中的整体舒适度感受和运动效能,并提高长期失重环境下的生理和心理预防措施效果。2研究程序及方法本研究旨在探讨不同色彩环境及模拟航天环境因素对主观评价和客观生理信号的影响。试图探
16、究在不同色彩环境和不同状态下,舒适度和运动欲望的变化和联系。在微重力环境下,人体将面临诸多挑战,航天员长期在太空逗留会引发一系列生理问题。头低位卧床实验(Head-Down Tilt Bed Rest,HDBR)所引发的生理变化与微重力环境的影响具有相似性,因此其已成为研究地面失重生理效应的主要方法之一 2 5。长期以来,头低位卧床实验一直被用于模拟地面失重效应的研究,以便深入了解在这种特殊环境中身体生理机能的变化 2 6-2 9 。NASA和中国航天员科研训练中心也广泛使用头低位卧床实验来模拟太空失重环境 2 6-2 8 。本研究通过采用短时头低位方法,用于在地面模拟太空微重力环境。研究从主
17、观的层面上运用色彩影响人的主观情绪,消除主观疲劳,以获得良好的锻炼情绪。在完成各类色彩环境测试之后,本次实验要求被试者填写运动时的色彩环境舒适度及运动欲望的主观评价。同时,本研究选取心率上升率作为生理信号研究的指标,旨在评估不同色彩环境和状态下的影响。心率信号作为一种在运动生理领域广泛应用的测量指标,可以有效地反映个体运动负荷的强度 30-32 。通过对心率上升率进行客观的数据分析,从而探讨在运动过程中采用色彩刺激是否能够调节个体的锻炼状态,以进一步提高运动表现。第45卷第4期2.1实验人员从学校招募36 名志愿者学生,其中实验组18 人,对照组18 人,年龄为(2 2.52.5)岁,所有参与
18、者均无心脑血管疾病及精神病史。为确保太空微重力环境模拟的准确性,笔者对受试者进行了一系列的身体检查,包括头低位实验及眼科检查等。经检查,所有受试者均符合实验要求,具备健康的身体状况、正常的视力及色觉功能。为确保实验结果的可靠性,本研究要求受试者在实验前充分休息,保持情绪稳定。在研究开始前一天,受试者避免过量饮酒、使用处方药、吸烟,以及摄人对身体具有刺激作用的饮料(如咖啡或能量饮料)。此外,受试者被要求在实验前3h 内避免剧烈运动,确保身体不会过度兴奋或疲劳。实验前,笔者向受试者详细介绍了实验过程及注意事项,所有受试者均签署了知情同意书。2.2色彩样本图片样本来源于互联网调查。本研究通过网络爬毛
19、建赞,等:太空锻炼区人机界面色彩环境舒适度设计研究69虫程序对中国健身房的环境图片进行色彩图片爬取。在经过筛选和处理之后,共收集到36 0 张符合要求的图片。这种数据采集方法旨在确保研究样本具有广泛的代表性和多样性,为研究提供可靠的支持。本研究根据健身房实际环境选取具有针对性的四种颜色的色彩样本:红色(R);黄色(Y);绿色(G);蓝色(B)。通过采用K-means聚类分析方法,为每幅图像设定五个颜色簇,从而提取了各种颜色在健身房的主要色相,并将这些主要色相作为该幅图像的调色板,提取图像颜色结果,然后进行实验,见图1。鲜艳与高明度的颜色有助于提高物体的辨识度和可见性,从而增强运动反应和敏捷性。
20、基于此原则,在各色相中选取一种色彩,共计得到四种色彩样本。此外,目前航天器内部主要采用白色,由于色彩图片及提取原因,纯白色样本未被提取,故增加纯白色样本。通过以上图像颜色提取,共计得到五种色彩样本,见表1。2502001501005002500.50100150200250100050序号颜色1红2黄3蓝4绿5白2.3运动环境搭建参考现有空间站的环境结构和锻炼区域布局,本实验在工程训练中心实验室进行。该实验室环境安静、空间相对较小,并确保了温度控制和充足的采光条件,以满足相关实验需求。实验选用KT板和彩色喷绘的PP纸搭建模拟环境,在独立区域内构建1.2m2m2m的微密闭空间。通过三面封闭的方式
21、排除其他因素干扰,以更好地模拟实验环境。将锻炼区环境色作为变量,照明等其他条件则是定量。实验环境见图2。实验房间布局中灰色区域是色彩环境锻炼区,其余区域是头低位等候区、心率测量等候区。2502001501005002502000.50100150200250150100050图1K-means聚类色彩可视化Fig.1 K-means clustering color visualization表1环境色彩样本Tab.1 Environmental color samples样本红(R)206216502062552502001501005002502000.501001502002501501
22、00050绿(G)蓝(B)939016441107205212183255255Fig.2 Experimental environment2502001501005002502000.50100150200250150100050明度(L)a5446711246884-61000图2 实验环境b2566-57140702.4实验流程2.4.1实验程序实验前向受试者详细介绍实验过程及注意事项。记录每位受试者的年龄、身高、体重等生理数据。实验分为两组:实验组(头低位)与对照组(立位组)。人数和性别作为定量指标。受试者进人搭建好的空间环境中,保持静坐5min以达到平稳状态。随后,连续测量受试者的心
23、率(共3次,每次持续10 s),当其中两次测量结果相同且与第三次测量结果相差不静坐5min记录信息头低30 min2.4.2运动设置动作标准及幅度参考:受试者做平行起,即要求受试者尽可能地在下跨最底端处保持大腿平行于地面,使不同受试者及相同受试者不同重复次数之间的动作幅度标准尽量保持一致,并且在正式实验之前已经提前熟悉了锻炼动作。实验采用PolarOH1型号心率带记录心率。本实验的生理层面旨在探讨色彩对心率上升率的干预作用。为了控制变量,实验仅选择在低强度范围内进行观测。运动强度区间的设定是为了确保在进行实验时,达到预设的运动强度要求 33-35,从而验证实验设置的有效性。运动强度指标见表2。
24、表2 运动强度指标Tab.2 Exercise intensity index强度指标低强度谈话测试可以舒适谈话是否舒适自感用力度中等至有点难(描述)摄氧量储备心率百分比40%59%最大心率百分比64%76%3楼数据分析3.1主观问卷评价结果3.1.1色彩对心理状态的影响分析在对色彩环境与状态两个自变量进行方差分析时,在不同色彩环境下对心理状态的影响方面,结果包装工程超过1次时,认定受试者处于安静状态,可开始实验。头低位组则在-30 模拟微重力30 min之后进行实验。受试者进人色彩环境并开始跨起运动共2 min,运动强度控制在最大心率的6 4%7 6%的低强度运动区间,期间佩戴心率表并记录相
25、关生理信息(0 s、30 s、60 s、9 0 s、)。运动结束后让受试者填写主观评价问卷。主观量表采取9 分制,对在色彩空间中运动时的舒适度及对运动的欲望进行评分,然后让受试者休息30min以进行下一轮色彩实验。见图3。否填写主观测量心率运动9 0 s图3实验流程Fig.3 Experimental process显示具有显著性差异(P=0.0000.05)。针对色彩环境变量,通过对各组均值之间的多重比较分析发现,白色环境与其他颜色之间存在显著性差异(P0.05),见图4。765.654320红色黄色蓝色绿色白色测试的颜色中强度高强度不确定谈话无法舒适谈话困难非常困难40%59%60%84%
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