被动式背部支撑外骨骼在持续前屈任务中的生物力学评估：不同支撑水平对螃蟹分拣作业的影响研究

推荐：针对商业捕蟹作业中持续前屈姿势导致的腰背损伤风险，研究人员通过肌肉骨骼模拟评估了被动式背部支撑外骨骼（BSE）五种支撑水平（40%-100%），发现其可显著降低腰椎负荷（L5/S1压缩力减少30.7%）和竖脊肌活动（降低28.6%），但伴随胸/大腿接触力增加。该研究为渔业从业者外骨骼个性化设置提供了生物力学依据。

　　

商业捕蟹作业中，工人需要长时间保持前屈姿势分拣螃蟹，这种重复性动作导致腰背痛（LBP）发病率高达50%，每年造成美国约400亿美元社会经济损失。传统解决方案如人体工学培训效果有限，而被动式背部支撑外骨骼（BSE）因其无需外部动力、轻量化等特点成为潜在干预手段。然而，BSE支持力度与生物力学效益的量化关系尚不明确，且过高支撑可能引发接触部位不适。针对这一矛盾，Mina Salehi团队在《Applied Ergonomics》发表研究，通过创新性肌肉骨骼模拟揭示了BSE在螃蟹分拣任务中的剂量-效应关系。

研究采用20名男性参与者的运动学数据，结合Anybody建模系统（AMS 7.4）构建人机交互模型，重点分析五种BSE支撑水平（40%-100%）对肌肉活动、腰椎反应力和接触力的影响。关键技术包括：1）基于光学动作捕捉（OptiTrack Flex 13）采集全身体表标记轨迹；2）整合Laevo Flex外骨骼数字模型与人体肌肉骨骼模型；3）通过扭矩-角度曲线插值计算动态支撑力矩；4）采用混合方差分析（ANOVA）评估生物力学参数差异。

3.1 实验运动学特征

任务期间参与者躯干前屈达51.7°，骨盆倾斜29.7°，形成81.5°整体前屈姿势，膝关节保持适度弯曲，符合实际捕蟹作业姿态。

3.3 肌肉活动变化

BSE使竖脊肌平均活动度从30.8%最大强度降至22.0%（降幅8.8%），且支撑水平与效益呈正相关。值得注意的是，腹肌活动度始终低于5%，未受BSE显著影响，反驳了部分研究中"腹肌代偿性激活"的假设。

3.4 脊柱负荷调控

L5/S1压缩力峰值从3091N降至2276N（降幅26.4%），前向剪切力从734N降至564N。特别重要的是，当支撑水平≥55%时，剪切力超安全阈值（700N）的参与者比例从60%骤降至25%，70%支撑水平下进一步降至15%。

3.5 接触力权衡

最大支撑水平（100%）导致胸部接触力达178N，大腿接触力89.1N，较最低支撑水平分别增加2.7倍和1.4倍。与文献报道的首次不适阈值（FDT）对比，85%以上支撑可能引发敏感个体不适。

讨论部分强调三个关键发现：首先，支撑水平55%-70%能平衡脊柱保护与舒适性，使90%参与者剪切力低于安全阈值；其次，BSE效益存在非线性特征，70%支撑产生的扭矩增幅（12.5Nm）显著高于55%到70%的变化（12.5Nm vs 4.2Nm）；最后，胸垫大面积软质设计（900cm²）相比刚性腿垫（200cm²）更利于压力分散。这些发现为渔业外骨骼应用提供量化指导：建议初试者从55%支撑起步，根据个体耐受性逐步调整，同时制造商应优化腿垫缓冲材料以提升穿戴舒适性。

该研究的创新性在于首次建立螃蟹分拣任务的生物力学数据库，并通过计算模拟规避了高风险支撑水平的人体试验风险。局限包括未考虑性别差异和实际作业环境振动因素，未来研究可结合表面肌电（sEMG）验证模拟结果。这项成果不仅适用于渔业，也为其他需持续前屈的行业（如农业、物流）的外骨骼应用提供了方法论范式。