武器携带对负重行军步态变异性的非线性动力学影响：基于跑步机的步枪负荷研究

本研究通过非线性动力学指标（DFA和SE）分析17名澳大利亚士兵在23.2公斤负重下携带步枪的步态变异性，发现武器操作对步长时间变异性（DFA p=0.46）和规律性（SE p=0.42）无显著影响，为军事负荷研究设计提供了简化依据。

　　

引言

负重行军是军事研究中优化表现和降低损伤风险的核心课题。澳大利亚国防部队每年因负荷行军导致的肌肉骨骼损伤损失超过2.1亿澳元。既往研究表明，外部负荷会改变步长、步频等生物力学参数，但武器携带对步态变异性的影响尚未明确。步枪携带可能通过限制手臂摆动影响运动控制——手臂摆动在双足行走中通过神经耦合调节能量消耗和躯干稳定性，其限制可能增加代谢成本并降低步态稳定性。

方法

17名澳大利亚陆军士兵（25.6±5.5岁）在跑步机上完成12分钟步行试验，分别携带3.2公斤仿制步枪（R）或无武器（NR），负重23.2公斤（前胸10公斤+后背6公斤+设备7.2公斤），速度涵盖3.5、5.5和6.5 km/h。通过18摄像头Vicon系统追踪足跟标记，计算512个步长数据，采用去趋势波动分析（DFA）评估持续性（窗口大小n=4-57），样本熵（SE，参数m=2, r=0.2）量化规律性，同时分析线性指标（标准差SD和变异系数CV）。

结果

混合效应模型显示，武器携带对步长时间变异性（DFA α=0.68-0.78, p=0.46）和规律性（SE p=0.42）无显著影响，且与速度无交互作用。速度主效应显著：高速行走时SD和CV降低（p<0.05），而SE和DFA随速度增加呈现非线性变化，符合既往运动控制理论。

讨论

1. 1.

   运动代偿机制：武器携带可能通过前移重心增强躯干稳定性（如同期研究显示胸骨局部动态稳定性提升），但步长时间作为运动链末端输出参数未被显著干扰，符合目标等效流形（GEM）理论——个体通过调节步长/步速组合维持恒定速度。

2. 2.

   与病理人群对比：帕金森病等神经退行性病变的步态变异性改变多源于基底节损伤或药物作用，而健康士兵可能通过训练形成适应性运动策略。

3. 3.

   技术局限性：120Hz采样率满足非线性分析需求，但跑步机可能增强步长时间持续性（DFA α>0.5），未来需结合地面行走实验。

4. 4.

   军事应用价值：研究支持简化实验设计——标准步枪携带可排除在步态变异性研究外，但重型武器（如机枪）的影响仍需验证。

创新与展望

首次将非线性动力学应用于军事负荷研究，揭示武器携带对步态调控的边际效应。后续可探索不同负载分布（如后侧重型装备）或新兵训练前后的神经肌肉适应机制。