外骨骼使用对运动和注意力任务表现的影响：超越平均值的多维分析

【编辑推荐】本研究针对工业外骨骼使用中可能导致的运动受限、认知负荷增加等问题，通过模拟工业任务（overhead/squatting姿势）对比分析外骨骼对平均任务表现（mean performance）、个体内变异（intra-individual variability）和个体间差异（inter-individual variability）的影响。发现上肢外骨骼降低运动任务均值但提升注意力稳定性，下肢外骨骼增加运动变异性，揭示了外骨骼效果的任务特异性，为优化人机协同提供新视角。

　　

研究背景与意义
外骨骼技术近年来在工业领域快速普及，被寄予减轻肌肉疲劳、预防职业性肌肉骨骼疾病（WMSDs）的厚望。然而现实却充满矛盾：一方面，机械臂能分担搬运工肩部负荷；另一方面，流水线工人抱怨穿戴后动作僵硬，甚至漏检零件——这些现象暗示外骨骼可能同时影响运动效率和认知资源分配。更关键的是，现有研究多聚焦平均表现，却忽视了"同一工人时快时慢"的个体内变异（IIV）这类潜在风险指标。美国ASTM国际外骨骼技术中心的研究团队意识到，必须突破均值分析的局限，才能全面评估外骨骼的真实效用。

技术方法概要
研究招募38名符合身高要求的大学生，在overhead（模拟高空装配）和squatting（模拟低位检修）两种姿势下，同步执行插桩任务（peg-in-hole，运动表现）和视觉注意力任务（AVF，认知表现）。采用重复测量多元方差分析（RM-MANOVA）对比有无外骨骼支持时的均值、个体内标准差（iSD）和个体间变异系数（CV），并控制姿势类型（上肢/下肢外骨骼）和任务难度的影响。

研究结果

1. Overhead任务：上肢外骨骼使插桩任务完成时间显著延长（exoskeleton: M=16.16s vs. no-exo: 15.19s, p=.018, η_p
   ²
   =.15），但注意力反应时无显著变化。值得注意的是，个体内变异（iSD）在注意力任务中降低，提示动作约束可能反而提升认知稳定性。

2. Squatting任务：下肢外骨骼显著增加插桩任务的个体内变异（p=.025），且该效应与使用者报告的不适感呈正相关。研究者推测，腰部支撑带可能干扰自然蹲姿节奏，导致动作协调性波动。

3. 跨任务对比：外骨骼对个体间差异（CV）的影响不显著，推翻"机械辅助能缩小工人能力差距"的假设。脑力负荷量表（NASA-TLX）显示，认知资源分配模式存在显著个体差异，部分受试者出现"动作慢但注意力集中"的补偿现象。

结论与展望
该研究首次系统揭示外骨骼对绩效变异性的双刃剑效应：上肢系统虽降低运动效率，却可能通过限制多余动作提升注意力稳定性；下肢装置虽分担负荷，但增加动作不可预测性——这种任务特异性提示没有"放之四海而皆准"的外骨骼方案。发表于《Applied Ergonomics》的这项成果，为工效学评估引入变异分析新维度：制造商需关注IIV指标以预防累积性损伤，企业应依据任务类型匹配外骨骼，而后续研究可探索自适应系统如何动态调节支持力度。正如作者Daniel Leibman指出："当工人第100次举起手臂时，外骨骼对其第1次和第100次动作一致性的影响，可能比平均耗时更能预测长期职业风险。"