教学培训对外骨骼使用者表现、自我效能及策略的影响：一项试点研究

《Proceedings of the Human Factors and Ergonomics Society Annual Meeting》：Impact of Instructional Training on Exoskeleton Users’ Performance, Self-Efficacy, and Strategies: A Pilot Study

　　

摘要：外骨骼能够增强使用者的身体能力，但往往要求使用者调整其任务策略。培训可能对这一过程至关重要，然而鲜有研究评估培训方法能否改善表现。这项探索性研究检验了关于外骨骼如何改变身体能力的额外培训，是否比单纯延长外骨骼练习更能提升表现。九名参与者（5名接受结构化培训，4名未接受）在1小时练习时段前后，完成了一项外骨骼辅助提举任务及一项计算机化侧翼任务。研究人员测量了任务表现、自我效能感和自我报告的策略。分析显示，练习或培训均未带来显著改善，但出现了值得注意的趋势：两项任务的表现均随练习而下降，但受过培训的参与者在提举表现上的下降幅度更小，且自我效能感高于未受培训的参与者。两组报告了相似的策略以及对外骨骼使用的负面体验。未来研究应探讨不同的教学培训内容或反馈方法是否能更好地支持外骨骼辅助任务表现。

论文解读：
研究背景与问题：外骨骼作为可穿戴设备，通过机械辅助增强使用者的身体能力。然而，已有研究表明，外骨骼可能损害运动与认知任务表现，尤其是在新手使用者中（Bequette et al., 2020; Leibman & Choi, 2025a; 2025b; Song et al., 2024）。使用者可能需要调整其运动与认知策略才能有效使用外骨骼（Bequette et al., 2020; Park et al., 2023, 2026; Poggensee et al., 2021）。目前关于外骨骼使用的研究通常依赖短暂的熟悉期（例如少于1小时的运动练习），而不是提供关于外骨骼如何改变使用者能力的结构化培训（Kuber & Rashedi, 2024）。因此，本试点研究旨在探索一种旨在向使用者传递外骨骼工作原理及其如何改变使用者能力信息的教学培训，是否能促进新手使用者有效使用外骨骼。
研究人员开展的研究：作为一项更大规模试点实验的一部分，参与者完成了一项双任务，包括外骨骼辅助运动任务和视觉注意任务。研究人员在1小时外骨骼练习时段（有或无基于视频的教学培训）前后，测量了参与者的任务表现、外骨骼使用自我效能感及自我报告的策略。研究对象为来自美国西南部中型大学德克萨斯理工大学的9名参与者，分为仅练习组（n=4）和练习加培训组（n=5）。参与者反复将5.5公斤的壶铃从地面提起至74厘米高的架子上，持续11分钟，同时需对架子上方显示器呈现的视觉刺激做出反应。视觉刺激为带有一致性（如>>>>>或<<<<<）或不一致性（如<<><<或>><>>）侧翼的中央目标箭头，参与者需尽快且准确地使用连接在壶铃手柄中央的点击器做出方向判断。练习加培训组在1小时练习前观看了一段5分钟的视频，内容涉及外骨骼的设计、辅助机制及演示操作；仅练习组则不接受任何外骨骼培训。练习期间，两组均完成一系列反映体力劳动中常见任务的动作，包括提举搬运、维持费力的弯腰姿势、在平坦或障碍地面上行走以及坐站任务。练习结束后，两组参与者在11点量表上评估其执行外骨骼辅助任务的自我效能感，并通过开放式问题报告其采用的策略。随后，参与者完成练习后的双任务测量。主要分析为描述性和定性分析，辅以推断性检验。
主要技术方法：本研究采用双任务实验范式，结合外骨骼辅助的提举任务与计算机化侧翼注意力任务（flanker task），以评估认知-运动交互表现。研究设置了练习加培训组与仅练习组，通过视频教学干预比较效果。样本来自德克萨斯理工大学9名志愿者。自我效能采用11点量表测量，策略采用开放式自我报告。统计分析采用重复测量多元方差分析（repeated-measures MANOVA）和独立样本t检验，同时以描述性统计呈现趋势。
研究结果：
关于延长练习和教学培训对任务表现的影响：跨两个培训组，练习后平均提举周期时间比练习前略慢；同时，以侧翼效应（即不一致与一致试验间的差异，差值越大表示抑制控制越差）测量的认知任务表现增加。这表明，在1小时外骨骼辅助任务练习后，运动-认知双任务表现总体恶化。练习加培训组在提举时间上的增加幅度（前后差M=0.22, SD=1.06）小于仅练习组（M=0.52, SD=1.45）；相反，练习加培训组在侧翼效应上的恶化似乎更严重（反应时差M=31.32，准确率差M=.06）而仅练习组（反应时差M=24.77，准确率差M=.03）。2×2重复测量多元方差分析未发现统计学显著效应：练习阶段主效应（Wilk's λ=.45, F(3,5)=2.03, p=.229, η²_p=.55）、培训组主效应（Wilk's λ=.91, F(3,5)=0.16, p=.918, η²_p=.09）及交互作用（Wilk's λ=.76, F(3,5)=.52, p=.686, η²_p=.24）均不显著。
教学培训对自我效能感和策略的影响：练习加培训组参与者报告的外骨骼辅助任务自我效能感（M=7.46, SD=1.82）高于仅练习组（M=5.32, SD=1.53），表明教学培训可能支持使用者更强的信心。独立样本t检验比较培训组间培训后自我效能感，差异未达统计显著，t(7)=1.87, p=.052, d=1.25。值得注意的是，两组的若干参与者均报告了负面外骨骼体验，包括活动受限、姿势别扭以及额外的协调努力。参与者报告了在执行外骨骼辅助任务时使用的各种策略，但两组之间未观察到明显差异。例如，坐站任务中，参与者报告需因外骨骼干扰而调整动作，如移动到座椅边缘以便站立，并保持对坐姿的关注以控制外骨骼，防止其意外“锁住”。
讨论与结论总结：本试点研究探索了简短视频教学培训对外骨骼使用的影响。尽管结论不确定，描述性结果表明教学培训可能影响早期外骨骼辅助任务表现和自我效能感，但效应方向在运动与认知结果上并不一致。虽然表现总体上随练习而下降，但练习加培训组比未受训组下降更少且自我效能感更高。两组也均报告了外骨骼使用的挑战，包括活动受限和协调需求增加。先前研究提示，教学培训可通过将技能分解为可管理的步骤、告知重要任务事件以及提供有效策略来使使用者受益（Nicholls et al., 2016）。此外，培训深度对于改善使用者表现很重要（Moyon et al., 2019）。当前培训包括了对骨骼功能如何有意或无意改变使用者能力的更深入描述，这可能帮助使用者建立有根据的外骨骼功能模型，从而指导其在外骨骼辅助任务中的策略。然而，鉴于当前试点研究观察到的有限效应，该培训可能需要进一步改进。两个主要局限需要注意：第一，样本量小可能限制了统计功效；第二，教学视频和练习时段较短，可能无法完全反映现实实施情况。需要更大统计功效的进一步研究来确定其是否能切实改善表现。一项采用改进双任务和培训方法研究培训与练习对人-外骨骼交互影响的后续研究正在进行中。此外，未来研究可考察其他培训方法，如基于反馈的方法，以探究不同培训方法对外骨骼使用者表现的有效性。运动学习涉及多种过程，可能受益于不同类型的培训方法或内容（Krakauer et al., 2019）。研究结论部分原文翻译为：总体而言，虽然结果尚无定论，但描述性结果显示，教学培训可能影响早期外骨骼辅助任务表现和自我效能感，但其效应方向在运动和认知结果上并不一致。表现通常随练习而下降，但接受培训的参与者下降程度较轻，且其自我效能感高于未接受培训者。两组参与者也均报告了外骨骼使用中的挑战，包括活动受限和协调要求增加。