认知负荷与任务精度限制对人工物料搬运中躯干与肩关节运动学的影响机制研究

推荐：本研究针对物料搬运作业中普遍存在的肌肉骨骼疾病(MSDs)风险，创新性地探讨了并发认知任务与精度限制对躯干和肩关节运动学参数的影响。通过设计三水平认知负荷(无/简单/复杂算术任务)与双水平精度条件(低/高)的交叉实验，发现高认知负荷与高精度要求会显著降低关节角速度并延长作业时间，为优化职业安全设计提供了量化依据。

　　

在现代化仓储物流和制造业中，人工物料搬运(Manual Material Handling, MMH)作业导致的肌肉骨骼疾病(Musculoskeletal Disorders, MSDs)已成为重大职业健康隐患。流行病学数据显示，25-49岁人群中腰痛已位列致残因素第四位，约75%的加拿大MMH工人曾因背部损伤疼痛，美国相关从业者中持续7天以上的腰痛患病率达25%。传统研究多聚焦于物理负荷因素，却忽视了现实作业中普遍存在的认知-运动双任务场景——工人常需在搬运重物时同步处理计算、核对等认知任务。这种认知-运动干扰(Cognitive Motor Interference, CMI)如何影响生物力学参数，特别是关键关节的运动学特征，仍是工效学研究的重要空白。

为揭示这一机制，美国Integrated Systems Engineering的研究团队在《International Journal of Industrial Ergonomics》发表创新性研究。研究人员设计了三因素混合实验：11名受试者在三种目标高度(低/中/高)、两种精度条件(低精度8.9cm余隙/高精度22.9cm余隙)下，同步执行三级认知任务(无任务/简单时间计算/复杂时间计算)的5kg箱体搬运。通过3D Motion Monitor系统捕捉躯干和肩关节角速度等运动学参数，结合任务完成时间和主观难度评分，系统量化了认知-运动双任务对作业表现的影响。

关键技术方法包括：(1)采用分层随机实验设计，控制高度、精度、认知负荷三变量；(2)基于Flock of Birds运动捕捉系统获取躯干(T1水平)和肩关节三维运动数据；(3)将运动学分析分为举升-扭转(Phase 1)和放置(Phase 2)两阶段；(4)通过SAS 9.4进行受试者内ANOVA分析，Bonferroni校正多重比较。

研究结果揭示：

1. 1.

   任务持续时间

   高认知负荷使各高度作业时间显著延长1.14-1.30秒(p<0.001)，中等高度出现认知负荷与精度的交互效应，高精度条件使无/简单认知负荷组的耗时增加更显著。

2. 2.

   Phase 1运动学

   复杂认知任务使脊柱屈曲、左扭转峰值角速度分别降低87%和68%(p<0.001)，左右肩屈曲速度降低84%，呈现典型的"速度-精度权衡"特征。

3. 3.

   Phase 2运动学

   高目标位时，复杂认知负荷使脊柱伸展速度降低40%，肩屈曲速度降低24-25%；低目标位则出现反常现象：复杂认知组的脊柱屈曲速度反增36%，提示补偿性加速策略。高精度条件引发骨盆旋转代偿，中等高度下使肩屈曲速度降低19-29%。

4. 4.

   交互效应

   右肩在低目标位的速度下降仅见于简单认知组，而左肩在中高度精度效应受认知负荷调节，反映神经肌肉控制的动态适应性。

讨论部分指出，该研究首次系统证实认知-运动双任务会通过中枢容量共享机制(Central Capacity Sharing Model)影响MMH作业表现：

• 复杂算术任务引发处理瓶颈，迫使采用串行任务处理策略，导致运动速度下降15-40%

• 精度约束通过增加空间定位需求，诱发骨盆旋转代偿(增加8.9-11.2°)和速度调节

• 脊柱屈曲速度在低目标位的反常升高，可能反映时间压力下的补偿性运动模式

这些发现为职业安全设计提供重要启示：应避免在高精度搬运作业中分配复杂认知任务，因双重需求会导致累积性肌肉负荷增加43%(Joseph et al., 2014)。研究创新点在于将双任务范式引入工效学评估，通过量化关节角速度变化，为MSDs预防提供了神经肌肉控制层面的新证据。未来研究需扩大样本多样性，并开发更贴近实际作业的认知任务范式。

该工作由Anas Kachlan、Steven A. Lavender和Carolyn Sommerich合作完成，通过严谨的实验设计揭示了认知因素在职业性MSDs发生中的调控作用，为构建"生理-心理"整合性工效学评估框架奠定了方法论基础。