《International Journal of Industrial Ergonomics》：A distributed force method for studying muscle activity in human-seat interaction
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肌肉骨骼（MSK）模型广泛应用于座椅相关研究以评估肌肉活动，然而外部载荷条件常被简化，限制了真实人体-座椅交互的表征。本研究引入了一种分布式力方法，用于将真实的人体-靠背接触载荷整合到肌肉骨骼（MSK）模拟中，以改善对坐姿期间肌肉响应的评估。所提出的方法从压力
肌肉骨骼（MSK）模型广泛应用于座椅相关研究以评估肌肉活动，然而外部载荷条件常被简化，限制了真实人体-座椅交互的表征。本研究引入了一种分布式力方法，用于将真实的人体-靠背接触载荷整合到肌肉骨骼（MSK）模拟中，以改善对坐姿期间肌肉响应的评估。所提出的方法从压力传感垫测量中推导出力场，并支持基于选定椎体水平和力点分布的可定制力施加。该方法通过一个使用OpenSim的全身体肌肉骨骼（MSK）模型进行验证，在三种姿势（中间、左侧和右侧）下进行坐姿等长收缩案例研究，并改变靠背倾角和座垫几何形状。研究人员应用了三种分布式力配置来评估竖脊肌（ES）激活。模拟结果显示与肌电图（EMG）测量具有中等到强的一致性，且分布式载荷方法将平均绝对误差（MAE）降低了最多1.27%，在更直立姿势和具有几何特征的靠背座垫条件下观察到更大改善。总体而言，这项工作展示了将分布式力纳入肌肉骨骼（MSK）建模的可行性和益处，并支持其用于更准确和全面的座椅工效学评估。
**论文解读：分布式力方法在人体-座椅交互肌肉活动研究中的应用**
**研究背景与问题**
舒适的座椅设计在工业领域，尤其是交通运输业中备受关注。文献表明，乘坐舒适性与乘客满意度直接相关。尽管舒适性被视为主观参数，但研究揭示了其与人体-座椅界面接触的客观参数相关，表明背部接触载荷和压力分布是评估座椅靠背舒适性和设计的关键参数。除外部载荷外，内部载荷，特别是肌肉活动，对整体坐姿体验（尤其是长途飞行）也至关重要。虽然肌肉激活与座椅舒适性之间的直接联系尚无定论，但文献表明疲劳会导致不适。研究表明，静态等长收缩5-10%最大自主收缩（MVC）持续1小时即可引起疲劳。此外，肌肉力已被证明是预测乘员坐姿体验的指标。因此，研究肌肉活动对于理解人体-座椅交互至关重要，但人体复杂性使得肌肉活动预测具有挑战性。随着计算机辅助工程（CAE）的发展，多体肌肉骨骼（MSK）模型已被开发，可用于计算研究人体肌肉载荷等力学功能。然而，在座椅场景中，由于靠背和座垫产生较大接触面积和压力分布，获取界面接触载荷信息存在挑战。以往研究通过沿脊柱线的一系列接触点近似压力分布，但这种简化存在两个缺陷：一是有限接触点不足以承载接触体表面几何信息，导致对座椅局部构型和几何设计评估不足；二是简化力导致肌肉骨骼（MSK）模型计算不准确，因为不同外力输入会导致不同的关节力矩，进而影响肌肉力计算。因此，研究人员开发了一种基于真实人体-座椅接触条件，将分布式力场直接应用于肌肉骨骼（MSK）模型的方法，以更有效地整合肌肉骨骼（MSK）模拟与接触建模方法。
**研究内容与结论**
研究人员提出了一种分布式力方法，通过将受试者与座椅表面对齐，将真实的人体-座椅接触载荷施加到现有肌肉骨骼（MSK）模型上。接触载荷来源于压力传感器矩阵测量，并通过脊柱运动学建模实现人体-座椅对齐，将压力数据转换为人体模型上的局部载荷。该方法允许用户自定义力配置，并用于模拟坐姿竖脊肌（ES）激活。通过不同靠背倾角和座垫几何形状下的坐姿等长收缩实验进行验证，结果显示模拟与肌电图（EMG）测量具有中等到强的一致性，分布式载荷使平均绝对误差（MAE）降低最多1.27%，且在更直立姿势和具有几何特征的靠背座垫条件下改善更明显。该工作证明了将分布式力纳入肌肉骨骼（MSK）建模的可行性和优势，支持其用于更准确、全面的座椅工效学评估。论文发表在《International Journal of Industrial Ergonomics》。
**主要关键技术方法**
本研究采用的关键技术方法包括：1）基于压力传感垫（XSENSOR压力垫，误差<3%）的界面压力测量；2）脊柱运动学建模，通过多体开环系统模拟脊柱姿势，并利用3D扫描（Creaform HandySCAN 3D|MAX）获取肩峰点、C7和L4椎体位置等标志点，实现人体-座椅对齐；3）分布式力场生成，将力点投影至压力传感器网格，根据力点周围区域压力总和计算力幅值，并依据座垫局部曲面拟合确定力方向；4）使用OpenSim 4.4中的全身体肌肉骨骼（MSK）模型（Burkhart et al., 2020）进行肌肉激活模拟，通过逆动力学和静态优化计算竖脊肌（ES）激活。验证实验涉及一名28岁男性受试者，无队列来源。
**研究结果**
**3.1 人体-座椅界面分布式力**
基于坐姿测试中记录的压力数据，计算了不同坐姿（中间、左侧、右侧）下等长收缩期间的人体-靠背交互分布式力。研究人员定义了低、中、高三种力分布密度配置，以展示方法对不同密度级别的可定制性。
**3.2 肌肉活动**
**3.2.1 不同靠背倾角条件**
在10°和20°靠背倾角下，使用OpenSim模拟了九种坐姿等长收缩场景（三种姿势×三种力分布密度）。模拟与肌电图（EMG）测量之间的趋势一致性通过皮尔逊相关系数（PCC）评估，显示不同力分布水平下无显著差异（|ΔPCC
max|=0.07）。但平均绝对误差（MAE）在10°倾角下显著降低，从中等分布代替低分布时，平均降低0.91%，最大降低1.27%，而从中等分布到高分布差异不明显。20°倾角下，MAE变化较小（平均0.21%，最大0.53%）。
**3.2.2 曲面靠背座垫几何形状**
在20°倾角下使用曲面座垫，模拟与肌电图（EMG）的趋势一致性同样无显著差异。但MAE在多个案例中显著降低，最大降低1.17%。与相同倾角下的平面座垫相比，分布式载荷在曲面座垫上更有效地减少模拟误差。
**讨论与结论**
**讨论**：研究成功应用所提方法生成基于上体-靠背交互的可定制分布式力，并整合到肌肉骨骼（MSK）模型中研究腰椎肌肉响应。定性比较和相关性分析支持方法有效性。模拟捕捉了姿势变化下竖脊肌（ES）激活的左右差异，且与肌电图（EMG）测量一致。相关系数从中等（0.4<ρ<0.7）到很强（0.9<ρ<1.0），多数为强相关（0.7<ρ<0.9）。尽管存在中等相关，但力分布设置并非偏差来源，可能源于肌肉募集的固有变异性。静态优化假设（最小化能量消耗等）在等长收缩任务中可能不完全成立。总体而言，基于优化的肌肉激活估计仍有效。趋势分析显示，力分布对趋势一致性影响不显著，但MAE分析显示分布式载荷优势更明显。在10°倾斜平面座垫下，从中等分布开始MAE降低；在20°倾斜下，平面座垫MAE变化小，而曲面座垫下分布式载荷显著降低误差，且无收敛行为，表明增加力点数可捕获更多载荷特征。分布式载荷方法通过更真实地表示载荷位置，改善了关节力矩计算和肌肉力预测。
**结论**：本研究强调了将分布式力纳入人体-座椅交互建模的重要性，并介绍了一种将此类数据整合到肌肉骨骼（MSK）模拟中以评估坐姿肌肉响应的方法。所提出的方法概述了将代表人体-靠背接触载荷的真实力场应用于肌肉骨骼（MSK）模型的过程。通过不同靠背倾角和座垫几何形状下的等长收缩实验和肌电图（EMG）测量进行验证。模拟的肌肉激活结果在所有载荷条件下与肌电图（EMG）数据显示一致的相关性。此外，MAE结果表明，纳入分布式力改善了模拟结果与实验测量在直立坐姿和具有几何特征的靠背座垫条件下的一致性。该方法连接了外部载荷采集与肌肉骨骼（MSK）模拟，能够在真实支撑场景下实现更准确、全面的肌肉响应评估。
