在建筑工作中使用外骨骼时，视觉注意力和情境感知的作用

《International Journal of Industrial Ergonomics》：Visual attention and situational awareness during exoskeleton use in construction work

主动背支撑外骨骼（aBSEs）在建筑作业中可能通过 biomechanical mismatch 引发认知负荷增加，实验显示其使用会降低参与者视觉注意力（眼动追踪数据）和情境意识（SART评分），同时导致瞳孔扩张和枕叶 theta 波活动增强，印证了 Kahneman 容量模型中认知资源分配失衡的机制。

　　在现代建筑行业的发展中，技术的不断进步正在重新定义工人与机械之间的协作方式。随着Construction 5.0概念的提出，这一领域更加注重通过提升人机协同效率来增强生产率并确保工作场所的安全。在这个背景下，外骨骼装置（exoskeletons）作为一种辅助工具，被广泛认为能够改善工人的体力支持，从而降低肌肉骨骼损伤的风险。然而，越来越多的研究表明，外骨骼装置，尤其是主动式背部支持外骨骼（active back-support exoskeletons, aBSEs），可能在无意中影响工人的认知和感知能力。这种影响主要源于设备与人体之间的生物力学不匹配，以及在执行高强度任务时对大脑的额外负担。

本研究的目标是深入探讨aBSEs在建筑相关任务中对视觉注意力、情境意识和视觉认知负荷的具体影响。为此，研究团队设计了一项实验，招募了十六名参与者，使用眼动追踪、脑电图（electroencephalography, EEG）和情境意识评估技术（Situational Awareness Rating Technique, SART）来收集参与者的客观和主观数据。实验过程中，参与者分别执行任务时佩戴和不佩戴aBSEs，以比较两种情况下的行为差异。通过这些数据，研究希望揭示aBSEs在实际使用中的潜在问题，并为未来的设计和培训提供科学依据。

实验结果显示，使用aBSEs的参与者在任务相关兴趣区域（area of interest, AOI）的视觉注意力指标上出现了轻微下降，具体表现为注视次数减少。这一发现表明，aBSEs可能在某种程度上干扰了工人的视觉注意力。同时，研究还发现，aBSEs对眼球运动的指标影响更为显著，例如眼跳次数的减少，这进一步说明了设备对视觉注意力的抑制作用。情境意识评估技术（SART）的得分在使用aBSEs的参与者中也出现了明显下降，尤其是在60%的参与者中，这表明设备可能影响了他们的整体情境意识。情境意识的下降可能会导致工人在复杂的工作环境中无法及时识别潜在危险，从而增加事故发生的风险。

此外，研究还发现，使用aBSEs的参与者在瞳孔大小和枕叶区域的EEG theta波活动上显著增加。这表明，尽管aBSEs在物理层面提供了支持，但它们可能增加了视觉认知负荷，使得工人的大脑在处理信息时需要更多的资源。这种认知负荷的增加可能与设备在运动协调和任务规划方面的干预有关。在建筑行业中，由于工作环境的复杂性和任务的高强度，这种认知负荷的增加可能会对工人的注意力和安全表现产生负面影响。

研究还强调了aBSEs在设计和使用过程中存在的问题。尽管这些设备能够有效减少肌肉活动，提高工人的体力支持，但它们的重量和体积可能会对运动协调造成干扰，从而增加认知负担。这种干扰可能导致工人在执行任务时出现注意力分散、视觉感知下降等问题，这些问题在建筑现场的高风险环境中可能尤为危险。例如，在建筑行业中，坠落、被物体击中和被困在物体之间的事故占了大多数，因此任何可能影响工人注意力和情境意识的因素都可能对安全构成威胁。

为了更好地理解这些影响，研究团队采用了Kahneman的容量模型（Capacity Model）来解释认知资源在使用aBSEs时的消耗情况。该模型指出，人类的认知资源是有限的，当任务的复杂性增加时，大脑需要更多的资源来处理信息。然而，当这些资源被外骨骼装置的使用所占用时，可能会影响到其他关键任务的执行。因此，研究团队认为，在设计和使用aBSEs时，必须充分考虑这些潜在的负面影响，并通过用户中心的设计理念和针对性的培训来帮助工人更好地管理注意力和安全风险。

研究还发现，使用眼动追踪和EEG技术可以有效地评估视觉注意力和认知负荷。这些技术不仅能够提供实时的视觉行为数据，还能帮助研究人员更深入地理解工人的认知过程。例如，眼动追踪技术可以记录工人的注视时间、眼跳次数等指标，从而评估他们在执行任务时的注意力水平。而EEG技术则可以记录大脑的活动模式，帮助研究人员分析认知负荷的变化。通过这些技术的结合使用，研究团队能够更全面地评估aBSEs对工人认知和感知能力的影响。

尽管研究结果表明aBSEs可能对视觉注意力和情境意识产生负面影响，但这些设备在建筑行业的应用仍然具有重要意义。它们能够有效减少肌肉骨骼损伤的风险，提高工人的工作效率，同时还能改善工作环境的安全性。因此，研究团队认为，在推广aBSEs的过程中，必须平衡其潜在的负面影响和实际的益处。这需要进一步的研究来优化设备的设计，使其更加符合人体工学，并通过培训帮助工人更好地适应设备的使用。

此外，研究还指出了当前研究中存在的局限性。例如，目前的研究主要集中在实验室环境下的短期实验，而实际建筑现场的工作环境更加复杂和多变。因此，未来的研究需要考虑更长的使用周期，以及不同工作环境下的应用效果。同时，研究团队还建议，未来的研究可以探索其他类型的外骨骼装置，例如腿部支持外骨骼或肩部支持外骨骼，以比较它们在不同任务中的影响。这将有助于更全面地理解外骨骼装置在建筑行业中的应用潜力。

总的来说，本研究为理解aBSEs在建筑相关任务中的影响提供了重要的科学依据。通过实验和数据分析，研究团队发现这些设备可能对工人的视觉注意力和情境意识产生负面影响，同时也会增加视觉认知负荷。这些发现不仅有助于优化外骨骼装置的设计，还能为建筑行业的安全管理和培训提供参考。未来的研究需要进一步探索这些设备在不同任务和环境中的应用效果，以确保它们能够真正提高建筑行业的安全性和生产效率。