基于表面肌电图的保护地栽培农事操作肌肉疲劳评估及 ergonomic 工具干预效果研究

本研究针对保护地栽培中 digging、transplanting 和 weeding 等高强度农事操作引发的肌肉疲劳及 work-related musculoskeletal disorders (WMSDs) 问题，通过 surface electromyography (sEMG) 技术评估了传统与改进工具对肌肉负荷的影响。结果表明，使用 mini power tiller、cycle hoe weeder 与 single row vegetable transplanter 可显著降低肌肉疲劳百分比，提升作业安全性与生产效率，为农业 ergonomic 工具优化提供了重要依据。

　　

在农业劳动中，保护地栽培（如温室、大棚）环境下的 digging（挖土）、transplanting（移栽）与 weeding（除草）等操作长期由人工完成。这些作业不仅重复性高，还常需维持前倾、蹲踞等 awkward postures（不良姿势），导致局部肌肉持续施力，极易引发 work-related musculoskeletal disorders（WMSDs，工作相关肌肉骨骼疾病）。尤其女性劳动者因肌肉力量较小、日常家务负担重，更易出现肌肉疲劳和损伤。因此，评估农业操作中的肌肉负荷、开发 ergonomic（人因工效学）改进工具，已成为 occupational health（职业健康）和农业机械化领域的重要课题。

为客观量化肌肉疲劳、比较不同工具对作业负荷的影响，研究人员在 polyhouse（塑料大棚）中开展了一项基于 surface electromyography（sEMG，表面肌电图）的肌肉活动研究。该研究发表于《Scientific Reports》，系统评估了传统工具与改进工具在三大农事操作中对劳动者肌肉活动的影响，为工具优化和劳动保护提供了科学依据。

本研究主要采用表面肌电图（sEMG）技术，选取 brachioradialis（BR，桡侧腕屈肌）、biceps brachii（BB，肱二头肌）、triceps brachii（TB，肱三头肌）、anterior deltoid（AD，前三角肌）、erector spinae longissimus（ESL，竖脊肌长束）、biceps femoris（BF，股二头肌）与 gastrocnemius（GC，腓肠肌）等七块肌肉，以 maximum voluntary contraction（MVC，最大自主收缩）为基准，计算 normalized root mean square（nRMS，标准化均方根）值以量化肌肉活动强度与疲劳百分比。研究招募12名（6男6女）健康农场工作者，在相同环境条件下分别使用传统工具与改进工具完成 digging、transplanting 与 weeding 操作，sEMG 数据经 DATALOG 软件处理，采用 ANOVA 与 Tukey HSD 进行统计分析。

Effect of tool on muscle activity of farm worker in digging operation

研究结果显示，在 digging 操作中，使用传统 spade（铁锹）时，男性和女性劳动者的 biceps femoris（BF）、erector spinae longissimus（ESL）和 biceps brachii（BB）肌肉活动最为显著，nRMS 值最高。尤其是女性劳动者 BF 肌肉疲劳百分比达58.19%，ESL 为53.79%，BB 为31.48%，均超过 Nag and Chatterjee (1981)提出的20–30% MVC 安全负荷范围。而使用改进工具 mini power tiller（小型动力耕作机）后，上述肌肉疲劳显著下降，BF、ESL 和 BB 的下降幅度在女性中分别为80.24%、75.35%与33.83%，在男性中亦呈现类似趋势。统计结果显示 tool、muscle 以及 tool × muscle 交互作用均极显著（p<0.0001），表明工具类型对不同肌肉的负荷影响具有特异性。

Effect of tool on muscle activity of farm worker in transplanting operation

在 transplanting 操作中，传统 manual transplanting（hand hoe，手锄）导致劳动者（尤其是女性）的 biceps femoris（BF）肌肉疲劳显著，女性疲劳百分比为37.53%，男性为31.62%。使用 single row vegetable transplanter（单行蔬菜移栽机）后，BF 疲劳在女性中降低90.43%，男性中降低93.51%，ESL 和 BB 的负荷也大幅减轻。ANOVA 分析中 tool、muscle 及二者交互项同样达到极显著水平（p<0.0001），说明改进工具能有效减轻移植作业中的肌肉负担，尤其对下肢稳定肌群具有保护作用。

Effect of tool on muscle activity of farm worker in weeding operation

在 weeding 操作中，传统 hand hoe（手锄）造成女性劳动者 brachioradialis（BR）和 gastrocnemius（GC）肌肉疲劳程度最高，疲劳百分比分别为33.59%与33.35%，男性劳动者虽整体负荷较低，但 GC 仍出现疲劳。使用 cycle hoe weeder（循环锄草机）后，ESL、GC 和 BB 肌肉负荷显著下降，女性中降幅分别为83.06%、76.00%与55.65%，男性中亦达到86.73%、85.27%与61.90%。统计结果再次确认工具类型与肌肉活动之间存在显著关联（p<0.0001）。

Comparison of farm operation in protected cultivation

综合比较三大农事操作，digging 引发的肌肉疲劳最为严重，尤其在 BF、ESL 和 BB 区域；transplanting 主要影响 BF；weeding 则对女性劳动者的 BR 和 GC 造成显著负荷。整体来看，女性劳动者肌肉疲劳程度普遍高于男性，可能与肌肉量、体力及家务负担等因素有关。改进工具的使用全面降低了各项操作中的肌肉活动强度，将多数肌肉负荷控制在安全范围内，显示出良好的 ergonomic 干预效果。

本研究通过 sEMG 技术客观证实，传统农业工具在保护地栽培操作中易导致多处肌肉超负荷，尤其是 biceps femoris、erector spinae longissimus 和 biceps brachii 等部位，显著提升 work-related musculoskeletal disorders（WMSDs）风险。而使用改进工具——mini power tiller、cycle hoe weeder 和 single row vegetable transplanter——能大幅降低肌肉疲劳、改善作业姿势，从而提高劳动安全性、舒适性与生产效率。该研究不仅为农业工具的人因工程设计提供了实证依据，也强调应重视性别差异在劳动负荷中的体现，进一步推动 ergonomic 农具的开发与推广应用。