当技术与工作需求错位：砌砖作业中外骨骼使用的生物力学与工效学现场研究

《Applied Ergonomics》：When technology misaligns with work demands: a biomechanical and ergonomic field study of exoskeleton use in masonry

　　

在职业环境中使用外骨骼已被提出作为减少身体劳损和改善工效学的一种解决方案。这项现场研究调查了背支撑外骨骼对18名丹麦泥瓦工在砌砖过程中的肌肉活动、全身运动学（kinematics）和用户接受度的影响。18名参与者完成了一项交叉研究，交替进行使用和不使用外骨骼的砌砖作业。研究人员使用肌电图（EMG）和运动捕捉系统（Xsens）评估了肌肉活动和运动学，同时通过问卷评估了接受度和可用性。结果显示，外骨骼使用对身体暴露（physical exposure）产生负面影响，下背部肌肉劳损增加了5.2%。尽管可用性评价为正面，但由于不适和工作流程干扰，整体接受度较低。只有22%的参与者表示愿意在未来使用该外骨骼。这些发现突显了在砌砖等动态且体力要求高的行业中实施外骨骼所面临的挑战，当前的设计可能不适合多平面（multi-planar）运动。

**研究背景与问题**
工作相关的肌肉骨骼疾患（WMSDs）在建筑工人尤其是泥瓦工中高发，腰背和肩颈部疼痛尤为常见。砌砖作业涉及重复性动作、别扭姿势和重物搬运，包括多平面运动（如躯干旋转、侧弯、不对称抬升和长时间前屈），增加了WMSDs风险。尽管已有调整工作高度、机械升降辅助等干预措施，但泥瓦工仍持续经历身体疼痛，传统方案难以应对砌砖作业复杂动态的运动需求。因此，研究人员探索外骨骼技术以减轻体力劳损，但实验室研究无法充分反映真实施工环境的复杂性。为填补这一知识空白，研究人员在真实工作现场开展了背支撑外骨骼对泥瓦工砌砖过程中肌肉活动、运动学和用户接受度的影响研究，旨在提供实践见解，评估其降低肌肉骨骼劳损的潜力。该论文发表在《Applied Ergonomics》。

**研究方法（不超过250字）**
研究人员在丹麦多个建筑工地（2022年11月至2023年7月）开展交叉设计现场研究，招募了18名男性泥瓦工（平均年龄40.5岁，BMI 28.2，83.3%具有10年以上经验）。参与者随机顺序交替使用和不使用被动背支撑外骨骼（Laevo V2.57，重量2.8 kg）进行砌砖作业。主要关键技术方法包括：表面肌电图（sEMG）（Ultium EMG，Noraxon）记录双侧竖脊肌（erector spinae）、三角肌前束（anterior deltoid）、斜方肌降部（trapezius descendens）、股外侧肌（vastus lateralis）和股二头肌（biceps femoris）的肌肉活动；Xsens MVN Awinda无线惯性测量单元（IMU）系统（17个IMU，60 Hz）捕捉全身运动学；通过问卷（基于系统可用性量表SUS、技术接受模型TAM3、统一技术接受与使用理论UTAUT）评估接受度和可用性。数据处理采用95百分位数（P95）和50百分位数（P50）的归一化肌电活动（%MVIC）及积分肌电（iEMG），运动学分析包括关节活动范围（ROM）和峰值关节角度。

**研究结果**
**3.1 熟悉化**：每日短信问卷依从性低，但可用性问卷显示大多数泥瓦工认为外骨骼直观易学、易穿脱。
**3.2 肌肉活动**：外骨骼使用导致竖脊肌峰值激活（P95）显著增加5.2%（p<0.001），股外侧肌和股二头肌显著降低（-4.1%和-2.5%）。中位激活（P50）显示竖脊肌（+3.1%）、斜方肌降部（+0.6%）和三角肌前束（+0.8%）显著增加。积分肌电（iEMG）显示竖脊肌（+36.2%MVIC·s）和肩部肌肉显著增加，股外侧肌显著减少。每块砖的铺设时间增加0.7秒（从7.7秒增至8.4秒）。
**3.3 运动学**：外骨骼使用导致髋关节屈曲ROM减少（非优势侧-2.8°，优势侧-3.1°），膝关节屈曲ROM减少（-2.0°至-2.7°）；躯干侧弯ROM显著增加1.2°，躯干旋转ROM显著减少5.6°。峰值关节角度显示髋关节和膝关节屈曲峰值显著减小，躯干前屈和侧弯峰值显著增加，躯干旋转峰值显著减少。背部（T8）加速度无变化（均为1.8 m/s2）。
**3.4 接受度与可用性**：问卷结果显示83.3%认为外骨骼易学，94.4%认为易穿，但50%认为僵硬且使用常令人沮丧，仅有33.3%认为舒适贴合。仅22.2%参与者愿意未来继续使用，61.1%不愿意，16.7%不确定。

**讨论与结论**
讨论部分指出，外骨骼的设计假设与砌砖实际运动需求之间存在根本性不匹配。背支撑外骨骼主要辅助矢状面（sagittal plane）前屈和抬举，但砌砖需要多平面运动（包括躯干旋转、侧弯和不对称伸展），导致设备限制自然运动模式，引发代偿策略——髋、膝关节屈曲减少，躯干前屈和侧弯增加，使负荷从下肢转移到脊柱，反而增加了竖脊肌活动（5.2%）。这种任务-设备不匹配在动态多平面作业中尤为突出。用户接受度低（仅22%愿意使用）进一步证实了生物力学的负面效应，不适、工作流程干扰及任务时间增加（每砖0.7秒）构成实施障碍。相比之下，平行研究显示木匠对肩部外骨骼接受度更高（90%认为易用，65%愿意使用），表明任务特异性设计的重要性。研究局限性包括样本同质性（18名丹麦男性泥瓦工）、单一外骨骼型号（Laevo V2.57）、仅聚焦砌砖任务、缺乏拮抗肌测量及对实施因素深度分析不足。

**结论**（翻译）：本研究表明，在真实建筑工地环境下，丹麦泥瓦工进行砌砖作业时使用背支撑外骨骼对身体暴露主要带来负面影响。具体而言，外骨骼在某些任务中增加了背部肌肉活动，并限制了自然运动模式，表明对肌肉激活和运动学均产生不利影响。尽管设备在可用性上获得中等正面评价，但整体接受度明显偏低。参与者报告了不适、工作流程干扰以及普遍不愿将外骨骼纳入未来工作习惯。这些发现突显了在砌砖等高度动态且体力要求高的行业中实施外骨骼技术所面临的重大挑战。未来的研究和开发应优先考虑以用户为中心的设计方法，以提高外骨骼在此类情境下的功能兼容性和职业相关性。