被动式肩部外骨骼对女性钻孔作业表现的影响——一项横断面研究

《Scientific Reports》：Influence of a passive shoulder exoskeleton on drilling performance in women- a cross-sectional study

　　

摘要 职业相关肌肉骨骼疾患在劳动人群中较为常见，尤其见于从事重复性头顶作业的女性。在一项随机 2 × 2 交叉研究中，研究人员纳入14名女性参与者，考察被动式上肢外骨骼在一项头顶精细任务中的作用；该任务要求参与者在基于传感器的工作台上拧紧20枚螺栓，同时评估肌肉激活、任务表现和可用性。结果显示，使用外骨骼时，在手臂下放阶段斜方肌（M. Trapezius）激活显著降低（p = .041，73%），但目标瞄准准确性降低（p < .001，100%）。使用外骨骼时，肩部主观负荷显著下降（p = .035，15%）。其可用性被评定为“不可接受”，使用者主要批评其复杂性高且学习成本大。尽管外骨骼降低了肌肉负荷，但其机械局限性损害了精确性和可用性，尤其对女性更为明显。这些结果强调了采用性别特异性、符合人体工学且具备自适应能力的设计，以提升外骨骼有效性和接受度的重要性。

该文发表于《Scientific Reports》，聚焦于职业场景中女性头顶作业的肌肉骨骼负荷问题及外骨骼辅助效果。职业相关肌肉骨骼疾患（WMSDs）在重复性上肢活动和头顶作业人群中高发，常累及颈肩背部，并显著影响健康相关生活质量。既往研究表明，职业外骨骼可在一定程度上减轻肩臂负担、改善作业姿势并延缓疲劳，但现有证据高度偏向男性样本，女性在外骨骼研究中的代表性明显不足。由于女性通常在上肢绝对肌力、体型尺寸和人体测量学特征上与男性存在差异，其在外骨骼辅助下的肌肉卸载效应、动作协调方式、作业精度及主观体验，均不能简单由男性研究结果外推。此外，既往工作多聚焦于单块肌肉活动的升降，较少从肌肉协同（muscle synergies，即中枢神经系统将多块肌肉协同组织为功能模块的控制方式）层面分析外骨骼对神经肌肉控制的影响。因此，本研究旨在女性队列中系统评估被动式肩部外骨骼对头顶精细钻孔/拧紧任务中的肌肉活动、肌肉协同、任务表现及可用性的综合影响。

在技术方法方面，研究采用受试者内随机交叉设计，样本来源于VUB校园及其周边，共招募21名无外骨骼和工业任务经验的女性，因表面肌电图（sEMG）信号质量不佳排除7名，最终纳入14名女性。研究使用Exo4Work被动式肩部外骨骼，在有外骨骼与无外骨骼条件下完成头顶20次螺栓拧紧精细任务；采集右侧斜方肌、三角肌前束/中束/后束、肱桡肌、肱二头肌和肱三头肌长头的sEMG信号，并经最大随意等长收缩（MVC）归一化。研究进一步应用非负矩阵分解（NNMF）提取3个肌肉协同，并结合k-means聚类分析动作阶段；同时记录任务时长、瞄准误差、钻孔误差，以及Borg用力感知评分、局部不适量表（BPDS）与系统可用性量表（SUS）。

关于研究结果，论文首先在“Muscle synergy”部分报告了外骨骼对不同动作阶段肌肉协同模式的影响。研究将完整动作周期划分为3个协同簇：Cluster 1对应抬臂阶段，Cluster 2对应钻孔阶段，Cluster 3对应手臂回落阶段。在无外骨骼条件下，Cluster 1中斜方肌和三角肌前束权重相对较高，提示其在抬臂期承担更突出作用；Cluster 2中各肌肉权重较为均衡，提示钻孔期稳定化需求由多肌群共同承担；Cluster 3中除肱桡肌相对较高外，其余肌肉权重较一致。总体上，肱三头肌长头和三角肌中束在多个簇中表现出较高激活水平。在外骨骼条件下，3个簇中的加权肌肉分布均相对平衡，提示外骨骼辅助下多肌群参与模式更趋均匀。两条件比较显示，仅在Cluster 3即手臂回落阶段，斜方肌权重存在显著差异（Z = ?2.040，p = .041）；结合摘要中的总体表述，研究强调外骨骼在手臂下放阶段降低了斜方肌负荷，说明其对肩胛稳定相关肌群的卸载效应主要体现在动作后段和稳定化相关阶段，而非抬臂初始阶段。研究据此指出，外骨骼并未全面改变肌肉协同的基本组织框架，更可能是对既有运动模块的激活分配产生了阶段性调节。

在“Performance”部分，研究考察了外骨骼对任务效率与精度的影响。结果显示，总任务时长在有无外骨骼之间差异不显著，无外骨骼条件为2.18 ± 0.25 s，外骨骼条件为2.24 ± 0.24 s（F = 1.231，p = .287，η² = 0.086）。然而，在瞄准阶段，使用外骨骼时持续时间显著延长，由无外骨骼条件下的1.40 ± 0.13 s增至1.46 ± 0.15 s（F = 2.504，p = .0138，η² = 0.161），提示外骨骼在对准目标时增加了动作调整成本。与此相对，实际钻孔阶段时长几乎不变（0.78 ± 0.18 s vs. 0.782 ± 0.22 s；F = 0.001，p = .974，η² = 0.000）。在精度指标上，瞄准过程中的平均误差积分在外骨骼条件下显著升高（0.2 ± 0.0 vs. 0.1 ± 0.0；F = 73.393，p < .001；η² = 0.850），表明外骨骼显著削弱了目标瞄准精度；而钻孔阶段误差积分无显著差异（F = 0.636，p = .439，η² = 0.047）。这些结果说明，被动式外骨骼虽能在一定程度上减轻肌肉负荷，但其机械约束可能损害精细定向控制，对高精度头顶作业并不一定有利。

在“RPE and BPDS”部分，研究进一步比较了主观用力感与身体局部不适。总体Borg 100分量表评分在外骨骼条件下略低于无外骨骼条件（32 ± 13 vs. 37 ± 16），但差异无统计学意义（Z = ?1.384，p = .166），说明参与者并未在整体层面明确感受到用力显著减轻。各身体区域的不适评分多数也未见显著差异，但肩部是不适改善最明确的部位：外骨骼条件下肩部不适显著降低（Z = ?2.111，p = .035）。这一结果与sEMG所示的斜方肌负荷减轻相互印证，表明外骨骼至少在肩部局部减负方面具有一定生物力学优势。

在“SUS”部分，研究评价了外骨骼的系统可用性。SUS总分范围为7.5至67.5，平均28.4 ± 14.8，整体处于“不可接受”到“勉强可接受”之间，且总体偏向不可接受。参与者普遍认为，该系统学习成本高，在真正能够操作之前需要掌握许多内容；同时，系统被评价为笨重、复杂且存在不一致性。与“该系统易于使用”“可以很快学会使用”“功能整合良好”等正向条目相关的评分较低，表明受试者对其上手难度、交互体验及操作信心评价均不理想。研究由此指出，可用性不足可能是外骨骼虽然在局部肌肉卸载方面表现积极，却未能提升整体任务体验和作业表现的重要原因之一。

在“Discussion”部分，研究围绕肌肉减负、动作协调、作业精度和主观体验之间的权衡关系进行了总结。研究人员指出，本研究的突出价值在于专门聚焦女性使用者，填补了外骨骼研究长期以男性为主的证据空白。结果显示，外骨骼能够在手臂下放阶段降低斜方肌活动，并减轻肩部主观不适，提示其确有缓解肩带肌群负担的潜力；但这种收益并未转化为更优的精细作业表现，反而伴随着瞄准耗时增加和瞄准精度下降。结合肌肉协同分析，研究人员认为，外骨骼更可能重新分配不同阶段的肌肉参与方式，而非根本性重塑运动控制结构。外骨骼施加的外部支撑和机械限制可能改变自然关节动力学，使参与者在稳定化阶段采用新的补偿性协调策略。与此同时，较差的可用性和可能存在的适配不足，尤其是在女性人体测量学特征未被充分纳入设计的情况下，可能抵消了机械减负带来的主观获益，从而解释了为何整体用力感未明显下降、而作业精度却受到影响。

研究也明确指出其局限性：样本量低于事先功效分析要求，统计效能有限；参与者既往缺乏外骨骼经验，熟悉化时间相对较短，不能排除适应不足对表现和可用性的影响；仅评估单一被动式外骨骼，限制了结果外推；缺乏运动学数据，因而难以直接解释动作轨迹和协调策略变化。不过，研究结论仍然清楚表明，用户特异性的设计因素——包括力量水平、人体测量学特征以及动作模式——对于职业外骨骼的有效性至关重要。

研究结论部分可概括翻译为：本研究结果强调，外骨骼设计应充分考虑使用者个体差异，包括肌力、人体测量学特征和运动模式。尽管肩部肌肉活动有所降低，但这种变化同时伴随准确性下降和任务时长延长，这很可能与机械约束和可用性限制有关。该发现凸显了在外骨骼辅助任务中，生物力学减负、运动控制与用户体验之间存在复杂关系。未来研究应进一步考察性别相关差异，并开发更适配用户的外骨骼设计，采用综合评价策略，在真实工作场景中平衡生物力学获益、操作精度与系统可用性。