戴艷陽， 王詩潭， 王云儀,2， 李 俊,2

(1.東華大學 服裝與藝術設計學院， 上海 200051； 2.東華大學 現(xiàn)代服裝設計與技術教育部重點實驗室， 上海 200051)

特殊職業(yè)人群必須穿戴防護服裝及裝備以保障生命安全或物資供應。例如：消防員穿著防護服以隔絕外界高溫、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)人員穿著防護服以阻礙固體、液體、氣體形式的有害物質[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]。防護服裝為實現(xiàn)隔熱、阻燃、隔絕有害物質等防護功能，常采用較硬材質[5]且以多層材料組合設計，產(chǎn)生較大的層間阻力[6]，服裝質量往往隨之增加，同時額外附加在人體上的裝備也會造成服裝活動性能下降[7]。服裝的活動性能是指服裝對人體的平衡穩(wěn)定性、活動靈活度、肌肉關節(jié)發(fā)力行為等與動態(tài)相關的需求的滿足程度[8-10]。防護服裝活動性能的下降會對著裝人體產(chǎn)生諸多負效應，如體能消耗增多[11]，活動能力受限[2]，甚至導致肌肉疲勞[12]，誘發(fā)滑跌等損傷[13]。調查表明，士兵軍事訓練傷中80%以上[14]為軟組織及骨關節(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)損傷預防或控制策略，對防護服裝活動性能的全面準確評估一直是研究者們關注的問題。

現(xiàn)階段，防護服裝活動性能研究主要從運動生理學及運動生物力學2個角度進行?；谶\動生理學開展的研究主要采用著裝人體的心率、血壓、耗氧量等指標間接評估服裝的活動性能；而從運動生物力學角度開展的研究則可直接地定量分析防護服裝對人體運動產(chǎn)生的影響，并可結合人體骨骼肌肉系統(tǒng)的響應進行更為深入的機制研究。已有研究表明，后者在預測人體骨肌損傷的潛在風險方面具有更好的表現(xiàn)[16-18]。

本文從著裝人體的外在運動學行為及內在動力學響應機制2個層面，主要包括著裝人體的平衡穩(wěn)定性、活動靈活性、動力學響應3部分，綜述防護服裝活動性能的研究現(xiàn)狀，梳理細分的性能特征、測試方法及評價指標，并基于“服裝—人體—環(huán)境”系統(tǒng)討論相關影響因素，為全面揭示防護服裝活動性能的影響機制提供參考。

1 著裝人體的平衡穩(wěn)定性測試

人體姿態(tài)的穩(wěn)定取決于其對平衡的調節(jié)和控制[19]，防護服裝及裝備的附加可能直接影響人體重心位置，在人體活動時增加平衡控制的難度[20]，甚至在超出控制范圍后導致人體失衡。著裝人體的平衡穩(wěn)定保持力是評判防護服裝活動性能的重要考慮之一。當前針對著裝人體平衡穩(wěn)定性的研究中，常見的測量類別包括：人體步態(tài)、足底壓力及地面反作用力，各自對應的細分指標總結如表1。

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

1.1 人體步態(tài)

步態(tài)是人體運動時的姿態(tài)及行為特征的直觀反映，當人體趨于失衡時，會通過改變步態(tài)來提供補償策略，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)和時間參數(shù)(見表1)。其中，步長和步寬屬于空間參數(shù)，步頻和步速屬于時間參數(shù)，以表征單個步態(tài)周期中的下肢運動能力。

人體穿著防護服裝或佩戴防護裝備后，著裝人體通過調整步態(tài)以維持人體平衡[19,21-22]，而這種步態(tài)模式的改變與防護服裝及裝備的尺寸和質量相關。Kesler等研究發(fā)現(xiàn)佩戴更大尺寸的自給式呼吸器導致更長的雙足支撐時間[23]。當背負質量越大或重物重心位置越低時，步行時步頻增加、峰值速度降低[24]。另外，防護服裝及裝備對步態(tài)參數(shù)的影響還與使用者對其的熟悉程度有關，Park等發(fā)現(xiàn)改進版防護裝備與常規(guī)防護裝備并未引起步態(tài)參數(shù)的明顯差異[25]，并歸因于消防員對新裝備的不熟悉弱化了其可能存在的積極效用。因此防護服裝及裝備的尺寸設計及質量配置應與使用人群相適應，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增加[24]。但目前關于人體體型差異引起的步態(tài)補償策略變化還需要深入研究。另外，科學制定裝備訓練計劃是必要的，以提高自身應對裝備的調控能力。

著裝人體的步態(tài)也會受所處的環(huán)境影響。首先，環(huán)境溫度的改變使著裝人體運動時為保持平衡所采取的補償策略有所差異。Hinde等發(fā)現(xiàn)，冷環(huán)境中當溫度降至-10 ℃，人體步長減小，同時軀干前傾程度增加作為姿勢補償，這是由于人體肌腱的彈性下降導致體內存儲能量減少對沖量的分配[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)又恢復至相對穩(wěn)定狀態(tài)[21]。其次，路面特征改變也會影響著裝人體的步態(tài)[27]：傾斜面會使得步態(tài)周期中雙足支撐時間增加，步寬減?。幌鄬τ操|地面，在沙土路面行進時人體會降低步頻、雙足支撐時間、步長。

綜上，在基于步態(tài)參數(shù)研究防護服裝活動性能時，除了關注服裝及裝備的影響之外，還應考慮人體本身以及所處環(huán)境的影響，挖掘其交互影響機制，以便做出復雜工況條件下的綜合評判。

1.2 足底壓力

人體足底壓力及其分布反映人體腿、足的結構、功能及身體姿勢控制等信息，壓力中心點的運動軌跡也可反映人體的平衡能力，壓力中心點的偏移范圍越小說明人體平衡能力越好[28]。有學者綜合足底壓力的多個細分指標——壓力中心點的前后偏移量、左右偏移量、最大側向位置、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)對步行工況中的不穩(wěn)定因素較敏感，但其有效性會隨步幅平均時間及雙足支撐時間的延長而減弱，適用范圍有一定的局限。

作業(yè)人員穿著防護服裝及裝備后，負重的增加會改變足底的壓力分布。研究表明，人體負重狀態(tài)下，隨著時間延長，壓力向足前部轉移，跖骨及腳趾區(qū)域壓力增加，足后外側區(qū)域壓力降低[30]。

人體負重對足部壓力的影響程度也與足部的結構特征有一定關系。有學者針對不同足弓高度的人群進行了研究，發(fā)現(xiàn)在20和40 kg這2種質量級別下，足弓高的人群均表現(xiàn)出前足內側區(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)定能力的影響機制。

1.3 地面反作用力

人體行走過程中，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、支撐腿的驅動和制動性、側向的穩(wěn)定性[27]。

地面反作用力主要受著裝人體的質量及重心的影響。有研究發(fā)現(xiàn)，負重質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。有學者認為，當裝備重心逐漸向背后偏移，人體相應的最大制動力會增加，而向前的推進力會降低[33]。但也有學者提出重心向后方偏移反而會增加向前的推進力，對最大制動力則無顯著影響[34]。這可能由于著裝人體本身的差異引起，不同人體應對裝備重心變化的補償策略導致地面反作用力的差異，未來需要關注人體差異這一影響因素。

人體步態(tài)的調整也會導致地面反作用力的改變。有研究發(fā)現(xiàn)，雙足支撐時間的增加及步行速度的下降會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，而支撐腿的驅動及制動能力下降[27]。根據(jù)不同地面的反作用力可計算足與地間的摩擦因數(shù)，可預測人體保持平衡穩(wěn)定的能力，作為滑跌危險性的判斷標準。常用的計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)，學者們據(jù)此建立了多種滑跌概率預測模型[36-37]，但這些滑跌預測模型的適用范圍仍存在局限，隨負重時間的累積，滑跌風險預測的準確度需要進一步驗證。

目前已有大量學者基于步態(tài)參數(shù)、足底壓力、地面反作用力3類別測評指標剖析了著裝人體的平衡穩(wěn)定性，以評判防護服裝的活動性能，但在表征指標方面，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)間的關系，綜合分析著裝人體保持平衡穩(wěn)定性的補償策略。在防護服裝活動性能的影響機制探討中，需更多地關注不同人群的體型和負重能力差異，以及多樣化防護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負重時間和考慮環(huán)境的交互影響。

2 著裝人體的活動靈活性表征

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

2.1 任務完成效率

任務完成效率通常以完成某一規(guī)定任務所耗時長及完成質量進行綜合評判。Kesler等綜合任務時長及質量表現(xiàn)提出一項針對任務完成效率的評價指標——機能指數(shù)[23]，計算方式如公式所示。機能指數(shù)越大表示任務完成效率越低。

P=T+M+2N

式中：P表示機能指數(shù)；T表示完成任務的時間，s；M表示小錯誤數(shù)目；N表示大錯誤數(shù)目。

任務完成效率除了與人員本身的作業(yè)能力有關外，也受到其所穿防護服裝及佩戴的防護裝備對人體活動束縛程度的影響。例如，Murray等以明尼蘇達靈巧度測試作為粗放任務，發(fā)現(xiàn)與未穿著狀態(tài)相比，穿著化學防護服時作業(yè)人員的任務用時增加103%，且作業(yè)準確率下降34%[38]。

進一步的研究表明，隨著佩戴呼吸器尺寸越來越大，受試者的作業(yè)錯誤也越多，且耗時更長[23]。可見，防護裝備的尺寸規(guī)格也會影響到著裝人體的活動靈活性。

2.2 關節(jié)活動范圍

著裝人體的關節(jié)活動范圍(ROM, range of motion)可直接表征防護服裝及裝備對人體活動的限制。

ASTM F3031—2017《現(xiàn)場急救員防護服的活動范圍測試》標準首次規(guī)范防護服裝及裝備的ROM測試，允許同一等級不同設計或不同等級的防護裝備之間的ROM對比。通過人體靜態(tài)下單個關節(jié)的最大位移來評估防護裝備的活動性限制，包括肩關節(jié)、頸椎、軀干、手臂等部位的10組姿勢。

大量研究通過關節(jié)ROM測試評估防護服裝對人體及其局部部位活動靈活性的影響[3,39-40]，發(fā)現(xiàn)化學防護服阻礙手臂及腿部活動[2]；防寒服系統(tǒng)使得人體腰部彎曲度、手臂延伸度、腿部活動性顯著下降[39]。Lin等采取模糊綜合評價法，根據(jù)人體多關節(jié)同時的ROM信息評估不同款式防護服對應急救援操作靈活性的影響，最終驗證改進版救援防護服的活動性能更佳[41]。Park等將ROM測試方法運用至消防裝備測評中，綜合三平面研究佩戴呼吸器對人體下肢各關節(jié)活動的限制[40]。

但也有學者指出，大多數(shù)任務并不需要每個關節(jié)都達到最大活動角度，各關節(jié)相互配合滿足活動舒適性即可[42]。若均以最大關節(jié)活動角度作為評價指標，將高估防護裝備的實際需求而造成不必要的浪費。三維動作捕捉系統(tǒng)可實時采集各關節(jié)在三平面上連續(xù)動態(tài)下的角度，并計算角度變化速度及加速度等多種特征量。進一步地，該動作捕捉系統(tǒng)可與其他生物力學測量儀器同時使用，深入分析由于活動限制可能引發(fā)的骨肌損傷風險。Baggaley等利用該系統(tǒng)與測力臺，基于垂直軸力矩及壓力中心提出了自由力矩指標，分析負重對士兵奔跑狀態(tài)的限制，發(fā)現(xiàn)負重增加了自由力矩的峰值，增大脛骨骨折風險[24]。

2.3 活動難易程度

著裝人體的活動難易程度是從個體主觀的角度去評價防護服裝及裝備是否滿足人體操作便捷需求，一般在人體穿著實驗中以等級量表的問卷形式進行。Chou等采用7級量表調查在消防服內搭配長度不同的褲子對整體服裝活動性能的影響，主要包括佩戴防護裝備前后的活動自由程度評價及穿著難易程度評價，訓練任務中身體局部的活動難易程度評價，結束訓練任務后的脫卸難易程度評價，最終驗證在消防服內搭配短褲時的人體活動靈活性較高[43]。另外，Lenton等采用感知用力等級量表(RPE, ratings of perceived exertion)揭示了不同重量的防護盔甲對士兵操作任務的影響，并進一步將RPE量表簡化為4級提出“負載抵消評級(load offset rating)”，用于評價腰帶對于防護盔甲負重的輔助效果，從而確定裝備設計的改進方向[12]。

2.4 體表受壓程度

人體體表受壓迫的程度也可體現(xiàn)著裝人體的活動靈活性。An測試了3類胸部厚度的女性受試群體在不同動作下前胸區(qū)域受防彈背心壓迫的面積，發(fā)現(xiàn)在肩部屈曲動作時，偏大及偏小胸部厚度的人群產(chǎn)生的壓力面積更大；而在軀干屈曲動作時，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范圍確實被顯著限制[44]。由此，可通過體表受壓情況來分析防彈背心對女兵耐力及表現(xiàn)的影響。近來，更多的學者證實在占人體自身質量15%～40%的裝備壓迫下，人體微血管血流量將明顯降低，從而導致神經(jīng)功能障礙，影響手部精細運動功能[45-47]，但目前關于人體體表壓力與關節(jié)活動范圍間并未有明確的量化關系，未來需要深入探索體表壓力分布圖譜，改進防護服裝及裝備的活動性能，滿足不同人群在復雜環(huán)境下的任務需求。

綜上，通過任務完成效率可快速整體評價著裝人體的活動靈活性，并通過ROM測試、活動難易程度評價、體表受壓程度測試進一步確定人體受限部位及受限程度。ROM測試經(jīng)歷了從靜態(tài)測角儀至動態(tài)三維捕捉系統(tǒng)的技術發(fā)展，表征指標從單一關節(jié)最大活動角度至多關節(jié)舒適活動角度。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試儀、肌電儀、測力臺等生物力學儀器所采集的客觀測試數(shù)據(jù)以及主觀評價結果間的關聯(lián)性，根據(jù)活動性的限制預判著裝人體的損傷風險。

3 人體的動力學響應分析

防護服裝及裝備附加于人體后，相對于穿著防護服裝前，人體需要更大程度地調動骨骼肌肉系統(tǒng)以滿足活動需求，產(chǎn)生一系列的動力學響應，因此，可借助著裝人體的骨骼和肌肉的功能狀態(tài)來探究人體應對防護服裝的動力學響應機制，并評價防護服裝的活動性能。相關研究中常用的測評指標包括人體表面肌電信號、關節(jié)力、肌肉力或力矩等。

3.1 表面肌電信號

人體表面肌電信號(簡稱sEMG)是肌肉收縮時伴隨的電信號，是在體表無創(chuàng)監(jiān)測肌肉活動的重要方法。sEMG可有效探測出肌肉疲勞程度，后者是導致骨肌損傷的重要原因[48]。肌電數(shù)據(jù)通?？杉毞譃榉e分肌電值和振幅均方根等時域指標，以及平均功率頻率和中位頻率等頻域指標。

研究表明，隨著人體局部肌肉疲勞程度的加深，sEMG的時域指標值將增大，而頻域指標值會降低[49]。Matsumot等提出可將積分肌電值與運動持續(xù)時間的關系曲線的斜率增大作為肌肉開始疲勞的標志，以肌肉負荷強度與斜率關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的變化可探究防護服裝及裝備的活動性能。Park等發(fā)現(xiàn)隨服裝裝備的質量增加，股直肌的肌電波峰升高以維持身體平衡，且腓腸肌內側肌電波峰升高以增加行走推進力，表明裝備質量的增加對人體平衡能力及腿部功能產(chǎn)生消極影響[40]。另外，持續(xù)裝備負重也會使得肩部中三角肌及上部斜方肌的疲勞程度持續(xù)增長[49]，但sEMG測試的肌群數(shù)量有限，無法獲得深層肌肉、關節(jié)負荷信息。

3.2 肌肉和關節(jié)力

目前除了可通過等動肌力測試系統(tǒng)測量關節(jié)肌肉群的力或力矩[51]外，隨著生物力學建模仿真技術的發(fā)展，虛擬人體生物力學模型被構建，用于評估人體在穿著防護服裝時深層肌肉的激活程度和關節(jié)負荷，可進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)的生物力學建模平臺將人體視為包括骨骼、關節(jié)和肌肉的生命體，采用逆向動力學架構，將運動學數(shù)據(jù)作為邊界條件，求解運動人體肌肉力和關節(jié)反應力等動力學參數(shù)，并進一步估算骨肌損傷風險。

骨骼肌肉系統(tǒng)的功能狀態(tài)受負重位置、質量、人體活動狀態(tài)的影響。Lessby等研究發(fā)現(xiàn)與在頭頂及肩部相比，在軀干前部負重的腰椎受力更高，且當負重25 kg時，垂直壓迫力可達到2 338.4 N左右，同時根據(jù)腰椎受垂直壓迫力預估了負重活動產(chǎn)生的風險等級[16]，但腰椎損傷風險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險[52]。Quesada等發(fā)現(xiàn)負重行走會改變膝關節(jié)的運動模式，膝關節(jié)伸肌出現(xiàn)過度疲勞[53]。研究還發(fā)現(xiàn)，隨負重重量及步行速度的增加，人體的髖、膝、踝等下肢關節(jié)在支撐相內的力矩顯著增加，且2.3%～2.6%的正功由膝蓋轉向髖關節(jié)，強調了臀部肌肉組織在負重任務中的貢獻度[18]。

對于需要進行任務操作的職業(yè)人群來說，反復或長時間轉身、彎腰，頸部長期前屈、后伸、側彎和扭曲等不良姿勢也可能引起肌肉疲勞，尤其增加了防護服裝及裝備，更易導致人體相應部位的退行性改變[54]。

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

4 總結與展望

本文基于運動生物力學理論和方法，從著裝人體的外在運動學行為及內在動力學響應機制2個層面綜述了防護服裝活動性能的研究現(xiàn)狀。各層面的進展程度不一致，均存在較大的發(fā)展空間。

1)著裝人體的平衡穩(wěn)定性可從表征指標及影響機制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系，綜合分析著裝人體保持平衡穩(wěn)定性的補償策略。而在影響機制探討中，大量研究基于環(huán)境、服裝及裝備、人體3方面開展，已證實平衡穩(wěn)定性受防護服裝及裝備的質量、尺寸、重心、質量分布以及環(huán)境溫度、地面條件的影響。仍需更多地關注不同人群的體型、負重能力差異，以及這些差異與防護裝備間的交互作用。另外還需要模擬更多工況條件如增加環(huán)境因素及延長負重時間，研究其與防護裝備間的交互作用。

2)目前可通過任務完成效率快速整體評價著裝人體的活動靈活性，并結合ROM測試、活動難易程度評價、體表受壓程度測試進一步確定受限部位及受限程度。目前還需進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儀器所采集的數(shù)據(jù)間關聯(lián)性，建立相關的數(shù)學模型，實現(xiàn)基于活動性的限制預判著裝人體的損傷風險。

3)著裝人體的內在動力學響應機制差異導致了上述外在運動學行為的不同。目前主要通過肌肉電信號及逆向動力學仿真模型計算得到肌肉力的募集與關節(jié)反應力等動力學參數(shù)來研究著裝人體的內在動力學響應程度。目前研究已發(fā)現(xiàn)裝備的質量、分布位置及人體活動會顯著影響骨骼肌肉系統(tǒng)的功能狀態(tài)，未來需充分考慮人體復雜姿勢和時長累積因素，促進逆向動力學仿真模型更加準確。