航空工业中软性与刚性被动背部职业外骨骼在负重与静态躯干弯曲任务中的生物力学效应对比研究

本研究针对航空制造业中抛光作业引发的下背痛风险，评估了四种被动背部外骨骼（CORFOR、BionicBack、BackX、Laevo FLEX）在模拟任务中对躯干神经肌肉活动、运动学和感知不适的影响。研究发现Laevo FLEX能显著降低竖脊肌（ES）和股二头肌（BF）活动（8-18%），并减少背部不适感，且无不良反应；CORFOR在静态任务中降低腰椎竖脊肌（LES）活动达18%；BackX显著改善主观不适。研究为航空工业中职业外骨骼的选择提供了实证依据，对降低肌肉骨骼疾病风险具有重要意义。

　　

在航空制造领域，工人日常需执行重复性搬运、维护和抛光作业，这些动作常涉及躯干弯曲和负重，显著增加了下背痛（LBP）的发生风险。据统计，航空业工作者中LBP的12个月患病率高达30-45%，7天内患病率也达到16-27%，而约57%的任务被归类为肌肉骨骼高负荷作业。这不仅影响工人生活质量，还导致缺勤和生产效率下降，成为行业面临的严峻挑战。

传统预防措施如工位优化或工具改进已接近瓶颈，而被动背部外骨骼作为新兴辅助技术，通过机械结构或弹性材料在人体弯曲时储存和释放能量，以减轻脊柱和肌肉负荷，近年来受到广泛关注。然而，现有研究多基于简单实验室任务，缺乏对真实复杂工业场景的模拟，且外骨骼效果因设计（软性vs刚性）和任务类型差异显著，甚至可能引发使用不适、肌肉代偿或运动模式改变等负面效应。因此，在贴近实际作业的条件下系统评估外骨骼的 biomechanical effects（生物力学效应），对验证其适用性至关重要。

为此，Thomas Albouy 等人发表在《Wearable Technologies》的研究，以航空抛光作业为背景，在实验室中模拟了四种典型任务：静态视觉检查（INSPEC）、外部抛光（POLI）以及13kg和21kg部件搬运（LIFT-13、LIFT-21），对比了无外骨骼、两种软性外骨骼（CORFOR V5、BionicBack）和两种刚性外骨骼（BackX、Laevo FLEX）的使用效果。研究假设外骨骼能降低竖脊肌（ES）活动、减轻背部不适，且不引起不良反应。

研究采用的主要技术方法包括：1）利用表面肌电（EMG）系统（TEA CAPTIV T-SENS）采集双侧腰椎竖脊肌（LES）、胸椎竖脊肌（TES）、股二头肌（BF）、腹外斜肌（OE）和腹直肌（RA）的神经肌肉活动，以%MVC（最大自主收缩百分比）表示；2）通过Borg CR10量表评估背部、躯干和下肢的主观不适感；3）采用惯性测量单元系统（TEA CAPTIV T-SENS Motion）分析躯干、髋和膝关节的运动学参数，包括平均屈曲角度和活动范围（ROM）；4）19名健康男性参与者完成随机顺序的任务条件，数据经Shapiro-Wilk检验后使用Friedman检验和Conover事后分析进行统计处理。

3.1. Electromyography

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  INSPEC任务中，CORFOR使LES活动显著降低18%（p<0.05），Laevo FLEX使BF活动降低17%（p<0.01），而BionicBack反而增加LES活动11%。
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  POLI任务中，仅Laevo FLEX显著降低LES和BF活动各8%（p<0.05）。
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  负重任务（LIFT-13、LIFT-21）中，无外骨骼显著降低ES活动，但Laevo在LIFT-13使BF活动降低10%（p<0.05），CORFOR在LIFT-21使TES活动降低10%（p<0.05）。
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  腹部肌肉（OE、RA）活动在所有任务中均无显著变化。

3.2. Discomfort

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  刚性外骨骼（BackX和Laevo FLEX）在所有任务中均显著降低背部不适感（p<0.05），评分从“中度”降至“弱”或“非常弱”。
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  软性外骨骼中，CORFOR有改善趋势但未达显著水平，BionicBack无效果。
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  下肢和躯干不适感无显著变化。

3.3. Kinematics

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  BionicBack在所有任务中显著减少躯干屈曲角度和活动范围（p<0.05），但代偿性增加髋和膝屈曲。
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  Laevo、CORFOR和BackX未引起显著运动学改变，仅Laevo在LIFT-13降低髋关节ROM，CORFOR在LIFT-21减少躯干屈曲角度。

4. Discussion

研究表明，外骨骼的效果取决于具体模型而非单纯软硬设计：Laevo FLEX在减少神经肌肉活动和主观不适方面表现全面，且无不良反应；CORFOR对静态任务中LES活动降低显著；BackX虽未显著降低肌电活动，但有效改善主观感受。值得注意的是，高屈曲角度任务（如INSPEC中平均67°）可能引发 flexion-relaxation phenomenon（屈曲松弛现象），导致ES活动自然降低，从而掩盖外骨骼的卸载效果，这提示未来研究需结合力学建模或压力传感评估深层组织负荷。此外，复杂任务（如多角度搬运）可能削弱外骨骼收益，且高负载（21kg）下辅助效果受限。

5. Conclusion

Laevo FLEX是唯一能同时显著降低神经肌肉活动和背部不适、且无负面效应的外骨骼，特别适用于航空抛光中的静态弯曲和偶尔搬运任务。CORFOR和BackX分别在高负荷静态任务和主观舒适度改善方面具优势。研究强调需根据具体任务选择外骨骼，并建议开展实地长期试验以验证其持续有效性。该成果为工业外骨骼的精准应用提供了科学依据，对促进职业健康具有重要意义。