表面曲率与捏握跨度对最大捏握力的影响机制研究及其在工效学设计中的应用

推荐：本研究通过前瞻性队列设计，探讨了不同捏握类型下表面曲率（凸/凹）与捏握跨度（3/5/7 cm）对最大自主捏握力（MVF）的影响。采用定制测力计（Takei T.K.K. 1269m）测试12名男性受试者，发现凹面曲率在3-5 cm跨度下显著提升MVF（p<0.01），而关键捏握（key pinch）和优势手表现最优。研究为工业工具的人体工学设计提供了生物力学依据，可降低重复性肌肉骨骼损伤（WMSDs）风险。

　　

在工业生产中，捏握动作（pinch grip）是操作机械零件、手动工具和设备的基础动作，但长期高强度捏握可能导致腕指关节的工作相关肌肉骨骼疾病（WMSDs），如腕管综合征或腱鞘炎。尽管既往研究关注了捏握跨度对最大自主捏握力（MVF）的影响，但表面曲率与捏握类型的交互作用尚不明确。Jeewon Choi、Yu Lin和Ping Yeap Loh团队在《International Journal of Limnology》发表的研究，首次系统评估了凹面与凸面曲率在不同捏握跨度（3/5/7 cm）和捏握类型（关键捏握/key pinch、三指捏握/three-jaw、指尖捏握/tip pinch）下的生物力学效应，为优化工具设计提供了新证据。

研究采用定制化测力计（Takei T.K.K. 1269m）和可替换附件，通过随机分组设计测试12名健康男性受试者。主要技术包括：1）三维测力系统记录MVF；2）伪随机化实验序列控制疲劳效应；3）5点量表评估主观舒适度与适配性；4）相关性分析探究手部解剖特征与MVF的关系。

3.1 最大捏握力

凹面曲率显著提升MVF（84.19±15.70 N vs. 凸面77.10±14.84 N，p<0.01），但优势在7 cm跨度时消失。关键捏握MVF最高（100.19±17.34 N），显著优于三指捏握（77.29±14.85 N）和指尖捏握（64.47±13.96 N）。

3.2 主观评分

优势手在舒适度（2.66±1.13）、操作难度（2.74±1.01）和适配性（3.24±0.99）上均优于非优势手（p<0.05）。关键捏握的适配性评分最高（3.61±0.85），而指尖捏握被认为最难操作（3.42±1.01）。

3.3 解剖特征相关性

食指长度与MVF呈负相关趋势（右手指长相关系数-0.54，p=0.08），但未达统计学显著性，提示长手指可能因肌腱力学劣势影响发力效率。

4.1 主要发现

凹面曲率通过增大接触面积提升摩擦力和稳定性，但该效应受捏握跨度调节。关键捏握因力臂优势和压力分布更优，成为高效动作模式。

4.2 表面曲率与跨度的交互

小跨度（3-5 cm）依赖触觉反馈，而7 cm跨度可能因运动指令增加削弱曲率感知。肌肉长度-张力关系解释了MVF增幅随跨度增大而递减的现象（5→7 cm仅增4.69%）。

4.3 捏握类型差异

ABS树脂的高摩擦系数（约0.4）掩盖了凸面对三指捏握的不利影响，但关键捏握仍凭借生物力学优势保持最高MVF。

4.5 局限性

样本局限于年轻男性，且未评估动态任务（如扭转/拉拽）中的曲率效应。未来需扩展至女性、老年群体及金属材质（摩擦系数0.24-0.3）场景。

这项研究为工业设计提供了关键参数：凹面曲率在3-5 cm跨度下可最大化捏握效能，而关键捏握是高风险作业的首选动作模式。成果对预防WMSDs和优化工具人机界面具有直接指导价值。