戴艷陽(yáng)， 王詩(shī)潭， 王云儀,2， 李 俊,2

(1.東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院， 上海 200051； 2.東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計(jì)與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200051)

特殊職業(yè)人群必須穿戴防護(hù)服裝及裝備以保障生命安全或物資供應(yīng)。例如：消防員穿著防護(hù)服以隔絕外界高溫、火焰、有毒液體[1]，佩戴呼吸器及氧氣瓶以保證人體供氧；化工行業(yè)人員穿著防護(hù)服以阻礙固體、液體、氣體形式的有害物質(zhì)[2]；飛行員穿著分壓服以保障在低壓環(huán)境下免受缺氧和過(guò)度換氣的影響[3]；士兵穿戴裝備以滿足行軍、作戰(zhàn)需求[4]。防護(hù)服裝為實(shí)現(xiàn)隔熱、阻燃、隔絕有害物質(zhì)等防護(hù)功能，常采用較硬材質(zhì)[5]且以多層材料組合設(shè)計(jì)，產(chǎn)生較大的層間阻力[6]，服裝質(zhì)量往往隨之增加，同時(shí)額外附加在人體上的裝備也會(huì)造成服裝活動(dòng)性能下降[7]。服裝的活動(dòng)性能是指服裝對(duì)人體的平衡穩(wěn)定性、活動(dòng)靈活度、肌肉關(guān)節(jié)發(fā)力行為等與動(dòng)態(tài)相關(guān)的需求的滿足程度[8-10]。防護(hù)服裝活動(dòng)性能的下降會(huì)對(duì)著裝人體產(chǎn)生諸多負(fù)效應(yīng)，如體能消耗增多[11]，活動(dòng)能力受限[2]，甚至導(dǎo)致肌肉疲勞[12]，誘發(fā)滑跌等損傷[13]。調(diào)查表明，士兵軍事訓(xùn)練傷中80%以上[14]為軟組織及骨關(guān)節(jié)損傷案例，消防員職業(yè)損傷中有64%屬于肌肉扭傷拉傷或骨骼疾病[15]。為了提供職業(yè)損傷預(yù)防或控制策略，對(duì)防護(hù)服裝活動(dòng)性能的全面準(zhǔn)確評(píng)估一直是研究者們關(guān)注的問(wèn)題。

現(xiàn)階段，防護(hù)服裝活動(dòng)性能研究主要從運(yùn)動(dòng)生理學(xué)及運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)2個(gè)角度進(jìn)行?；谶\(yùn)動(dòng)生理學(xué)開(kāi)展的研究主要采用著裝人體的心率、血壓、耗氧量等指標(biāo)間接評(píng)估服裝的活動(dòng)性能；而從運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)角度開(kāi)展的研究則可直接地定量分析防護(hù)服裝對(duì)人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的影響，并可結(jié)合人體骨骼肌肉系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)行更為深入的機(jī)制研究。已有研究表明，后者在預(yù)測(cè)人體骨肌損傷的潛在風(fēng)險(xiǎn)方面具有更好的表現(xiàn)[16-18]。

本文從著裝人體的外在運(yùn)動(dòng)學(xué)行為及內(nèi)在動(dòng)力學(xué)響應(yīng)機(jī)制2個(gè)層面，主要包括著裝人體的平衡穩(wěn)定性、活動(dòng)靈活性、動(dòng)力學(xué)響應(yīng)3部分，綜述防護(hù)服裝活動(dòng)性能的研究現(xiàn)狀，梳理細(xì)分的性能特征、測(cè)試方法及評(píng)價(jià)指標(biāo)，并基于“服裝—人體—環(huán)境”系統(tǒng)討論相關(guān)影響因素，為全面揭示防護(hù)服裝活動(dòng)性能的影響機(jī)制提供參考。

1 著裝人體的平衡穩(wěn)定性測(cè)試

人體姿態(tài)的穩(wěn)定取決于其對(duì)平衡的調(diào)節(jié)和控制[19]，防護(hù)服裝及裝備的附加可能直接影響人體重心位置，在人體活動(dòng)時(shí)增加平衡控制的難度[20]，甚至在超出控制范圍后導(dǎo)致人體失衡。著裝人體的平衡穩(wěn)定保持力是評(píng)判防護(hù)服裝活動(dòng)性能的重要考慮之一。當(dāng)前針對(duì)著裝人體平衡穩(wěn)定性的研究中，常見(jiàn)的測(cè)量類別包括：人體步態(tài)、足底壓力及地面反作用力，各自對(duì)應(yīng)的細(xì)分指標(biāo)總結(jié)如表1。

表1 著裝人體平衡穩(wěn)定性的測(cè)評(píng)指標(biāo)Tab.1 Indicators of the balance and stability of the clothed human body

1.1 人體步態(tài)

步態(tài)是人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的姿態(tài)及行為特征的直觀反映，當(dāng)人體趨于失衡時(shí)，會(huì)通過(guò)改變步態(tài)來(lái)提供補(bǔ)償策略，保持人體平衡穩(wěn)定。根據(jù)維度的不同，步態(tài)參數(shù)又可分為空間參數(shù)和時(shí)間參數(shù)(見(jiàn)表1)。其中，步長(zhǎng)和步寬屬于空間參數(shù)，步頻和步速屬于時(shí)間參數(shù)，以表征單個(gè)步態(tài)周期中的下肢運(yùn)動(dòng)能力。

人體穿著防護(hù)服裝或佩戴防護(hù)裝備后，著裝人體通過(guò)調(diào)整步態(tài)以維持人體平衡[19,21-22]，而這種步態(tài)模式的改變與防護(hù)服裝及裝備的尺寸和質(zhì)量相關(guān)。Kesler等研究發(fā)現(xiàn)佩戴更大尺寸的自給式呼吸器導(dǎo)致更長(zhǎng)的雙足支撐時(shí)間[23]。當(dāng)背負(fù)質(zhì)量越大或重物重心位置越低時(shí)，步行時(shí)步頻增加、峰值速度降低[24]。另外，防護(hù)服裝及裝備對(duì)步態(tài)參數(shù)的影響還與使用者對(duì)其的熟悉程度有關(guān)，Park等發(fā)現(xiàn)改進(jìn)版防護(hù)裝備與常規(guī)防護(hù)裝備并未引起步態(tài)參數(shù)的明顯差異[25]，并歸因于消防員對(duì)新裝備的不熟悉弱化了其可能存在的積極效用。因此防護(hù)服裝及裝備的尺寸設(shè)計(jì)及質(zhì)量配置應(yīng)與使用人群相適應(yīng)，研究也發(fā)現(xiàn)體重較輕群體在較重裝備下的步頻明顯增加，控制平衡的難度也相應(yīng)增加[24]。但目前關(guān)于人體體型差異引起的步態(tài)補(bǔ)償策略變化還需要深入研究。另外，科學(xué)制定裝備訓(xùn)練計(jì)劃是必要的，以提高自身應(yīng)對(duì)裝備的調(diào)控能力。

著裝人體的步態(tài)也會(huì)受所處的環(huán)境影響。首先，環(huán)境溫度的改變使著裝人體運(yùn)動(dòng)時(shí)為保持平衡所采取的補(bǔ)償策略有所差異。Hinde等發(fā)現(xiàn)，冷環(huán)境中當(dāng)溫度降至-10 ℃，人體步長(zhǎng)減小，同時(shí)軀干前傾程度增加作為姿勢(shì)補(bǔ)償，這是由于人體肌腱的彈性下降導(dǎo)致體內(nèi)存儲(chǔ)能量減少對(duì)沖量的分配[26]。另一方面，熱環(huán)境中，著裝人體的步寬縮小且交叉步數(shù)百分比增加；而經(jīng)降溫后，人體步態(tài)又恢復(fù)至相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)[21]。其次，路面特征改變也會(huì)影響著裝人體的步態(tài)[27]：傾斜面會(huì)使得步態(tài)周期中雙足支撐時(shí)間增加，步寬減小；相對(duì)硬質(zhì)地面，在沙土路面行進(jìn)時(shí)人體會(huì)降低步頻、雙足支撐時(shí)間、步長(zhǎng)。

綜上，在基于步態(tài)參數(shù)研究防護(hù)服裝活動(dòng)性能時(shí)，除了關(guān)注服裝及裝備的影響之外，還應(yīng)考慮人體本身以及所處環(huán)境的影響，挖掘其交互影響機(jī)制，以便做出復(fù)雜工況條件下的綜合評(píng)判。

1.2 足底壓力

人體足底壓力及其分布反映人體腿、足的結(jié)構(gòu)、功能及身體姿勢(shì)控制等信息，壓力中心點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡也可反映人體的平衡能力，壓力中心點(diǎn)的偏移范圍越小說(shuō)明人體平衡能力越好[28]。有學(xué)者綜合足底壓力的多個(gè)細(xì)分指標(biāo)——壓力中心點(diǎn)的前后偏移量、左右偏移量、最大側(cè)向位置、傳感單元觸發(fā)率等特征量提出平衡穩(wěn)定性指數(shù)[29]，該指數(shù)對(duì)步行工況中的不穩(wěn)定因素較敏感，但其有效性會(huì)隨步幅平均時(shí)間及雙足支撐時(shí)間的延長(zhǎng)而減弱，適用范圍有一定的局限。

作業(yè)人員穿著防護(hù)服裝及裝備后，負(fù)重的增加會(huì)改變足底的壓力分布。研究表明，人體負(fù)重狀態(tài)下，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，壓力向足前部轉(zhuǎn)移，跖骨及腳趾區(qū)域壓力增加，足后外側(cè)區(qū)域壓力降低[30]。

人體負(fù)重對(duì)足部壓力的影響程度也與足部的結(jié)構(gòu)特征有一定關(guān)系。有學(xué)者針對(duì)不同足弓高度的人群進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在20和40 kg這2種質(zhì)量級(jí)別下，足弓高的人群均表現(xiàn)出前足內(nèi)側(cè)區(qū)域的壓力更高，足弓正?；蜃愎偷娜巳簞t在大腳趾區(qū)域的壓力更高[31]。

目前可用于描述足底壓力及其分布的特征量仍處于探索階段，且仍需要基于“服裝—人體—環(huán)境”系統(tǒng)深入挖掘影響足底壓力的因素，從而揭示著裝人體平衡穩(wěn)定能力的影響機(jī)制。

1.3 地面反作用力

人體行走過(guò)程中，腳與地面的相互作用引發(fā)地面反作用力，可分解為在垂直方向、前后方向、左右方向的分力，分別反映垂直壓迫程度、支撐腿的驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)性、側(cè)向的穩(wěn)定性[27]。

地面反作用力主要受著裝人體的質(zhì)量及重心的影響。有研究發(fā)現(xiàn)，負(fù)重質(zhì)量的增加與垂直方向和前后方向地面反作用力的增加成正比，每增加1 kg質(zhì)量將使得地面反作用力增加約10%[32]。而著裝人體的重心則影響前后方向上的地面反作用力。有學(xué)者認(rèn)為，當(dāng)裝備重心逐漸向背后偏移，人體相應(yīng)的最大制動(dòng)力會(huì)增加，而向前的推進(jìn)力會(huì)降低[33]。但也有學(xué)者提出重心向后方偏移反而會(huì)增加向前的推進(jìn)力，對(duì)最大制動(dòng)力則無(wú)顯著影響[34]。這可能由于著裝人體本身的差異引起，不同人體應(yīng)對(duì)裝備重心變化的補(bǔ)償策略導(dǎo)致地面反作用力的差異，未來(lái)需要關(guān)注人體差異這一影響因素。

人體步態(tài)的調(diào)整也會(huì)導(dǎo)致地面反作用力的改變。有研究發(fā)現(xiàn)，雙足支撐時(shí)間的增加及步行速度的下降會(huì)使地面反作用力的增加幅度減小[35]。

地面反作用力的變化還會(huì)因地面條件差異而表現(xiàn)為不同。研究發(fā)現(xiàn)，沙土路面會(huì)增加地面反作用力的垂直分量，但減少前后分量，表明下肢離地能力增加，而支撐腿的驅(qū)動(dòng)及制動(dòng)能力下降[27]。根據(jù)不同地面的反作用力可計(jì)算足與地間的摩擦因數(shù)，可預(yù)測(cè)人體保持平衡穩(wěn)定的能力，作為滑跌危險(xiǎn)性的判斷標(biāo)準(zhǔn)。常用的計(jì)算量包括必要摩擦因數(shù)、可得摩擦因數(shù)、利用摩擦因數(shù)，學(xué)者們據(jù)此建立了多種滑跌概率預(yù)測(cè)模型[36-37]，但這些滑跌預(yù)測(cè)模型的適用范圍仍存在局限，隨負(fù)重時(shí)間的累積，滑跌風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

目前已有大量學(xué)者基于步態(tài)參數(shù)、足底壓力、地面反作用力3類別測(cè)評(píng)指標(biāo)剖析了著裝人體的平衡穩(wěn)定性，以評(píng)判防護(hù)服裝的活動(dòng)性能，但在表征指標(biāo)方面，需深入挖掘描述足底壓力分布的特征量，以及地面反作用力與步態(tài)參數(shù)間的關(guān)系，綜合分析著裝人體保持平衡穩(wěn)定性的補(bǔ)償策略。在防護(hù)服裝活動(dòng)性能的影響機(jī)制探討中，需更多地關(guān)注不同人群的體型和負(fù)重能力差異，以及多樣化防護(hù)裝備與不同人群的適配性，另外還需要模擬更多的工況如延長(zhǎng)負(fù)重時(shí)間和考慮環(huán)境的交互影響。

2 著裝人體的活動(dòng)靈活性表征

特殊職業(yè)人群穿著防護(hù)服裝時(shí)需要完成不同類型的任務(wù)，且有時(shí)效性要求，而防護(hù)服裝引起的重量感和體積感往往會(huì)給著裝人體的活動(dòng)施加不同程度的限制，導(dǎo)致肢體活動(dòng)范圍受限或行動(dòng)遲緩。著裝人體的活動(dòng)靈活性是防護(hù)服裝活動(dòng)性能研究必不可少的組成部分，一般可從作業(yè)任務(wù)的完成效率及著裝人體的關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍、活動(dòng)難易程度、體表受壓程度等角度表征。

2.1 任務(wù)完成效率

任務(wù)完成效率通常以完成某一規(guī)定任務(wù)所耗時(shí)長(zhǎng)及完成質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)判。Kesler等綜合任務(wù)時(shí)長(zhǎng)及質(zhì)量表現(xiàn)提出一項(xiàng)針對(duì)任務(wù)完成效率的評(píng)價(jià)指標(biāo)——機(jī)能指數(shù)[23]，計(jì)算方式如公式所示。機(jī)能指數(shù)越大表示任務(wù)完成效率越低。

P=T+M+2N

式中：P表示機(jī)能指數(shù)；T表示完成任務(wù)的時(shí)間，s；M表示小錯(cuò)誤數(shù)目；N表示大錯(cuò)誤數(shù)目。

任務(wù)完成效率除了與人員本身的作業(yè)能力有關(guān)外，也受到其所穿防護(hù)服裝及佩戴的防護(hù)裝備對(duì)人體活動(dòng)束縛程度的影響。例如，Murray等以明尼蘇達(dá)靈巧度測(cè)試作為粗放任務(wù)，發(fā)現(xiàn)與未穿著狀態(tài)相比，穿著化學(xué)防護(hù)服時(shí)作業(yè)人員的任務(wù)用時(shí)增加103%，且作業(yè)準(zhǔn)確率下降34%[38]。

進(jìn)一步的研究表明，隨著佩戴呼吸器尺寸越來(lái)越大，受試者的作業(yè)錯(cuò)誤也越多，且耗時(shí)更長(zhǎng)[23]。可見(jiàn)，防護(hù)裝備的尺寸規(guī)格也會(huì)影響到著裝人體的活動(dòng)靈活性。

2.2 關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍

著裝人體的關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍(ROM, range of motion)可直接表征防護(hù)服裝及裝備對(duì)人體活動(dòng)的限制。

ASTM F3031—2017《現(xiàn)場(chǎng)急救員防護(hù)服的活動(dòng)范圍測(cè)試》標(biāo)準(zhǔn)首次規(guī)范防護(hù)服裝及裝備的ROM測(cè)試，允許同一等級(jí)不同設(shè)計(jì)或不同等級(jí)的防護(hù)裝備之間的ROM對(duì)比。通過(guò)人體靜態(tài)下單個(gè)關(guān)節(jié)的最大位移來(lái)評(píng)估防護(hù)裝備的活動(dòng)性限制，包括肩關(guān)節(jié)、頸椎、軀干、手臂等部位的10組姿勢(shì)。

大量研究通過(guò)關(guān)節(jié)ROM測(cè)試評(píng)估防護(hù)服裝對(duì)人體及其局部部位活動(dòng)靈活性的影響[3,39-40]，發(fā)現(xiàn)化學(xué)防護(hù)服阻礙手臂及腿部活動(dòng)[2]；防寒服系統(tǒng)使得人體腰部彎曲度、手臂延伸度、腿部活動(dòng)性顯著下降[39]。Lin等采取模糊綜合評(píng)價(jià)法，根據(jù)人體多關(guān)節(jié)同時(shí)的ROM信息評(píng)估不同款式防護(hù)服對(duì)應(yīng)急救援操作靈活性的影響，最終驗(yàn)證改進(jìn)版救援防護(hù)服的活動(dòng)性能更佳[41]。Park等將ROM測(cè)試方法運(yùn)用至消防裝備測(cè)評(píng)中，綜合三平面研究佩戴呼吸器對(duì)人體下肢各關(guān)節(jié)活動(dòng)的限制[40]。

但也有學(xué)者指出，大多數(shù)任務(wù)并不需要每個(gè)關(guān)節(jié)都達(dá)到最大活動(dòng)角度，各關(guān)節(jié)相互配合滿足活動(dòng)舒適性即可[42]。若均以最大關(guān)節(jié)活動(dòng)角度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，將高估防護(hù)裝備的實(shí)際需求而造成不必要的浪費(fèi)。三維動(dòng)作捕捉系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集各關(guān)節(jié)在三平面上連續(xù)動(dòng)態(tài)下的角度，并計(jì)算角度變化速度及加速度等多種特征量。進(jìn)一步地，該動(dòng)作捕捉系統(tǒng)可與其他生物力學(xué)測(cè)量?jī)x器同時(shí)使用，深入分析由于活動(dòng)限制可能引發(fā)的骨肌損傷風(fēng)險(xiǎn)。Baggaley等利用該系統(tǒng)與測(cè)力臺(tái)，基于垂直軸力矩及壓力中心提出了自由力矩指標(biāo)，分析負(fù)重對(duì)士兵奔跑狀態(tài)的限制，發(fā)現(xiàn)負(fù)重增加了自由力矩的峰值，增大脛骨骨折風(fēng)險(xiǎn)[24]。

2.3 活動(dòng)難易程度

著裝人體的活動(dòng)難易程度是從個(gè)體主觀的角度去評(píng)價(jià)防護(hù)服裝及裝備是否滿足人體操作便捷需求，一般在人體穿著實(shí)驗(yàn)中以等級(jí)量表的問(wèn)卷形式進(jìn)行。Chou等采用7級(jí)量表調(diào)查在消防服內(nèi)搭配長(zhǎng)度不同的褲子對(duì)整體服裝活動(dòng)性能的影響，主要包括佩戴防護(hù)裝備前后的活動(dòng)自由程度評(píng)價(jià)及穿著難易程度評(píng)價(jià)，訓(xùn)練任務(wù)中身體局部的活動(dòng)難易程度評(píng)價(jià)，結(jié)束訓(xùn)練任務(wù)后的脫卸難易程度評(píng)價(jià)，最終驗(yàn)證在消防服內(nèi)搭配短褲時(shí)的人體活動(dòng)靈活性較高[43]。另外，Lenton等采用感知用力等級(jí)量表(RPE, ratings of perceived exertion)揭示了不同重量的防護(hù)盔甲對(duì)士兵操作任務(wù)的影響，并進(jìn)一步將RPE量表簡(jiǎn)化為4級(jí)提出“負(fù)載抵消評(píng)級(jí)(load offset rating)”，用于評(píng)價(jià)腰帶對(duì)于防護(hù)盔甲負(fù)重的輔助效果，從而確定裝備設(shè)計(jì)的改進(jìn)方向[12]。

2.4 體表受壓程度

人體體表受壓迫的程度也可體現(xiàn)著裝人體的活動(dòng)靈活性。An測(cè)試了3類胸部厚度的女性受試群體在不同動(dòng)作下前胸區(qū)域受防彈背心壓迫的面積，發(fā)現(xiàn)在肩部屈曲動(dòng)作時(shí)，偏大及偏小胸部厚度的人群產(chǎn)生的壓力面積更大；而在軀干屈曲動(dòng)作時(shí)，偏小及中等胸部厚度的人群產(chǎn)生了更大的壓力面積，而上述產(chǎn)生較大壓力面積的人群的活動(dòng)范圍確實(shí)被顯著限制[44]。由此，可通過(guò)體表受壓情況來(lái)分析防彈背心對(duì)女兵耐力及表現(xiàn)的影響。近來(lái)，更多的學(xué)者證實(shí)在占人體自身質(zhì)量15%～40%的裝備壓迫下，人體微血管血流量將明顯降低，從而導(dǎo)致神經(jīng)功能障礙，影響手部精細(xì)運(yùn)動(dòng)功能[45-47]，但目前關(guān)于人體體表壓力與關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍間并未有明確的量化關(guān)系，未來(lái)需要深入探索體表壓力分布圖譜，改進(jìn)防護(hù)服裝及裝備的活動(dòng)性能，滿足不同人群在復(fù)雜環(huán)境下的任務(wù)需求。

綜上，通過(guò)任務(wù)完成效率可快速整體評(píng)價(jià)著裝人體的活動(dòng)靈活性，并通過(guò)ROM測(cè)試、活動(dòng)難易程度評(píng)價(jià)、體表受壓程度測(cè)試進(jìn)一步確定人體受限部位及受限程度。ROM測(cè)試經(jīng)歷了從靜態(tài)測(cè)角儀至動(dòng)態(tài)三維捕捉系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展，表征指標(biāo)從單一關(guān)節(jié)最大活動(dòng)角度至多關(guān)節(jié)舒適活動(dòng)角度。目前還需挖掘三維捕捉系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)，深入分析其與壓力測(cè)試儀、肌電儀、測(cè)力臺(tái)等生物力學(xué)儀器所采集的客觀測(cè)試數(shù)據(jù)以及主觀評(píng)價(jià)結(jié)果間的關(guān)聯(lián)性，根據(jù)活動(dòng)性的限制預(yù)判著裝人體的損傷風(fēng)險(xiǎn)。

3 人體的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析

防護(hù)服裝及裝備附加于人體后，相對(duì)于穿著防護(hù)服裝前，人體需要更大程度地調(diào)動(dòng)骨骼肌肉系統(tǒng)以滿足活動(dòng)需求，產(chǎn)生一系列的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，因此，可借助著裝人體的骨骼和肌肉的功能狀態(tài)來(lái)探究人體應(yīng)對(duì)防護(hù)服裝的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)機(jī)制，并評(píng)價(jià)防護(hù)服裝的活動(dòng)性能。相關(guān)研究中常用的測(cè)評(píng)指標(biāo)包括人體表面肌電信號(hào)、關(guān)節(jié)力、肌肉力或力矩等。

3.1 表面肌電信號(hào)

人體表面肌電信號(hào)(簡(jiǎn)稱sEMG)是肌肉收縮時(shí)伴隨的電信號(hào)，是在體表無(wú)創(chuàng)監(jiān)測(cè)肌肉活動(dòng)的重要方法。sEMG可有效探測(cè)出肌肉疲勞程度，后者是導(dǎo)致骨肌損傷的重要原因[48]。肌電數(shù)據(jù)通?？杉?xì)分為積分肌電值和振幅均方根等時(shí)域指標(biāo)，以及平均功率頻率和中位頻率等頻域指標(biāo)。

研究表明，隨著人體局部肌肉疲勞程度的加深，sEMG的時(shí)域指標(biāo)值將增大，而頻域指標(biāo)值會(huì)降低[49]。Matsumot等提出可將積分肌電值與運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間的關(guān)系曲線的斜率增大作為肌肉開(kāi)始疲勞的標(biāo)志，以肌肉負(fù)荷強(qiáng)度與斜率關(guān)系的曲線截距大小反映肌肉的抗疲勞能力，由此建立了“肌電疲勞閾”[50]。

依據(jù)sEMG的變化可探究防護(hù)服裝及裝備的活動(dòng)性能。Park等發(fā)現(xiàn)隨服裝裝備的質(zhì)量增加，股直肌的肌電波峰升高以維持身體平衡，且腓腸肌內(nèi)側(cè)肌電波峰升高以增加行走推進(jìn)力，表明裝備質(zhì)量的增加對(duì)人體平衡能力及腿部功能產(chǎn)生消極影響[40]。另外，持續(xù)裝備負(fù)重也會(huì)使得肩部中三角肌及上部斜方肌的疲勞程度持續(xù)增長(zhǎng)[49]，但sEMG測(cè)試的肌群數(shù)量有限，無(wú)法獲得深層肌肉、關(guān)節(jié)負(fù)荷信息。

3.2 肌肉和關(guān)節(jié)力

目前除了可通過(guò)等動(dòng)肌力測(cè)試系統(tǒng)測(cè)量關(guān)節(jié)肌肉群的力或力矩[51]外，隨著生物力學(xué)建模仿真技術(shù)的發(fā)展，虛擬人體生物力學(xué)模型被構(gòu)建，用于評(píng)估人體在穿著防護(hù)服裝時(shí)深層肌肉的激活程度和關(guān)節(jié)負(fù)荷，可進(jìn)一步揭示骨骼肌肉系統(tǒng)的功能狀態(tài)。目前骨骼肌肉系統(tǒng)的生物力學(xué)建模平臺(tái)將人體視為包括骨骼、關(guān)節(jié)和肌肉的生命體，采用逆向動(dòng)力學(xué)架構(gòu)，將運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)作為邊界條件，求解運(yùn)動(dòng)人體肌肉力和關(guān)節(jié)反應(yīng)力等動(dòng)力學(xué)參數(shù)，并進(jìn)一步估算骨肌損傷風(fēng)險(xiǎn)。

骨骼肌肉系統(tǒng)的功能狀態(tài)受負(fù)重位置、質(zhì)量、人體活動(dòng)狀態(tài)的影響。Lessby等研究發(fā)現(xiàn)與在頭頂及肩部相比，在軀干前部負(fù)重的腰椎受力更高，且當(dāng)負(fù)重25 kg時(shí)，垂直壓迫力可達(dá)到2 338.4 N左右，同時(shí)根據(jù)腰椎受垂直壓迫力預(yù)估了負(fù)重活動(dòng)產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)[16]，但腰椎損傷風(fēng)險(xiǎn)除了需要考察垂直方向的壓迫力以外，前后剪切力也最有可能增加風(fēng)險(xiǎn)[52]。Quesada等發(fā)現(xiàn)負(fù)重行走會(huì)改變膝關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)模式，膝關(guān)節(jié)伸肌出現(xiàn)過(guò)度疲勞[53]。研究還發(fā)現(xiàn)，隨負(fù)重重量及步行速度的增加，人體的髖、膝、踝等下肢關(guān)節(jié)在支撐相內(nèi)的力矩顯著增加，且2.3%～2.6%的正功由膝蓋轉(zhuǎn)向髖關(guān)節(jié)，強(qiáng)調(diào)了臀部肌肉組織在負(fù)重任務(wù)中的貢獻(xiàn)度[18]。

對(duì)于需要進(jìn)行任務(wù)操作的職業(yè)人群來(lái)說(shuō)，反復(fù)或長(zhǎng)時(shí)間轉(zhuǎn)身、彎腰，頸部長(zhǎng)期前屈、后伸、側(cè)彎和扭曲等不良姿勢(shì)也可能引起肌肉疲勞，尤其增加了防護(hù)服裝及裝備，更易導(dǎo)致人體相應(yīng)部位的退行性改變[54]。

另外，負(fù)重時(shí)長(zhǎng)的因素也不可被忽視。有學(xué)者注意到雙肩背負(fù)重量占自身體重10%的重物達(dá)30 min后，在隨后的未負(fù)重行走狀態(tài)下，雖然脊柱彎曲和復(fù)位誤差均有恢復(fù)的趨勢(shì)，但仍不能恢復(fù)到負(fù)重前狀態(tài)的水平[55]。這些持續(xù)的變化表明即使重物已被卸載，脊柱受傷的風(fēng)險(xiǎn)仍在增加。但目前關(guān)于骨肌生物力學(xué)模型只揭示了短時(shí)間負(fù)重對(duì)脊柱姿勢(shì)及重新定位能力的影響，并不適用于長(zhǎng)期負(fù)重，未來(lái)需針對(duì)時(shí)間的累積效應(yīng)深入研究。

4 總結(jié)與展望

本文基于運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)理論和方法，從著裝人體的外在運(yùn)動(dòng)學(xué)行為及內(nèi)在動(dòng)力學(xué)響應(yīng)機(jī)制2個(gè)層面綜述了防護(hù)服裝活動(dòng)性能的研究現(xiàn)狀。各層面的進(jìn)展程度不一致，均存在較大的發(fā)展空間。

1)著裝人體的平衡穩(wěn)定性可從表征指標(biāo)及影響機(jī)制2方面深入研究。需深入挖掘步態(tài)參數(shù)與足底壓力、地面反作用力間的關(guān)系，綜合分析著裝人體保持平衡穩(wěn)定性的補(bǔ)償策略。而在影響機(jī)制探討中，大量研究基于環(huán)境、服裝及裝備、人體3方面開(kāi)展，已證實(shí)平衡穩(wěn)定性受防護(hù)服裝及裝備的質(zhì)量、尺寸、重心、質(zhì)量分布以及環(huán)境溫度、地面條件的影響。仍需更多地關(guān)注不同人群的體型、負(fù)重能力差異，以及這些差異與防護(hù)裝備間的交互作用。另外還需要模擬更多工況條件如增加環(huán)境因素及延長(zhǎng)負(fù)重時(shí)間，研究其與防護(hù)裝備間的交互作用。

2)目前可通過(guò)任務(wù)完成效率快速整體評(píng)價(jià)著裝人體的活動(dòng)靈活性，并結(jié)合ROM測(cè)試、活動(dòng)難易程度評(píng)價(jià)、體表受壓程度測(cè)試進(jìn)一步確定受限部位及受限程度。目前還需進(jìn)一步挖掘三維捕捉系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)信息，深入分析與其它生物力學(xué)儀器所采集的數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)性，建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)基于活動(dòng)性的限制預(yù)判著裝人體的損傷風(fēng)險(xiǎn)。

3)著裝人體的內(nèi)在動(dòng)力學(xué)響應(yīng)機(jī)制差異導(dǎo)致了上述外在運(yùn)動(dòng)學(xué)行為的不同。目前主要通過(guò)肌肉電信號(hào)及逆向動(dòng)力學(xué)仿真模型計(jì)算得到肌肉力的募集與關(guān)節(jié)反應(yīng)力等動(dòng)力學(xué)參數(shù)來(lái)研究著裝人體的內(nèi)在動(dòng)力學(xué)響應(yīng)程度。目前研究已發(fā)現(xiàn)裝備的質(zhì)量、分布位置及人體活動(dòng)會(huì)顯著影響骨骼肌肉系統(tǒng)的功能狀態(tài)，未來(lái)需充分考慮人體復(fù)雜姿勢(shì)和時(shí)長(zhǎng)累積因素，促進(jìn)逆向動(dòng)力學(xué)仿真模型更加準(zhǔn)確。