基于運動生物力學(xué)的防護(hù)服裝活動性能研究進(jìn)展

戴艷陽， 王詩潭， 王云儀,2， 李 俊,2

(1.東華大學(xué) 服裝與藝術(shù)設(shè)計學(xué)院， 上海 200051； 2.東華大學(xué) 現(xiàn)代服裝設(shè)計與技術(shù)教育部重點實驗室， 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，產(chǎn)生較大的層間阻力[6]，服裝質(zhì)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(guān)節(jié)發(fā)力行為等與動態(tài)相關(guān)的需求的滿足程度[8-10]。防護(hù)服裝活動性能的下降會對著裝人體產(chǎn)生諸多負(fù)效應(yīng)，如體能消耗增多[11]，活動能力受限[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，對防護(hù)服裝活動性能的全面準(zhǔn)確評估一直是研究者們關(guān)注的問題。

現(xiàn)階段，防護(hù)服裝活動性能研究主要從運動生理學(xué)及運動生物力學(xué)2個角度進(jìn)行。基于運動生理學(xué)開展的研究主要采用著裝人體的心率、血壓、耗氧量等指標(biāo)間接評估服裝的活動性能；而從運動生物力學(xué)角度開展的研究則可直接地定量分析防護(hù)服裝對人體運動產(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)測人體骨肌損傷的潛在風(fēng)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(xué)行為及內(nèi)在動力學(xué)響應(yīng)機(jī)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(xué)響應(yīng)3部分，綜述防護(hù)服裝活動性能的研究現(xiàn)狀，梳理細(xì)分的性能特征、測試方法及評價指標(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)定性測試

人體姿態(tài)的穩(wěn)定取決于其對平衡的調(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，在人體活動時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)定保持力是評判防護(hù)服裝活動性能的重要考慮之一。當(dāng)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(yīng)的細(xì)分指標(biāo)總結(jié)如表1。

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

1.1 人體步態(tài)

步態(tài)是人體運動時的姿態(tài)及行為特征的直觀反映，當(dāng)人體趨于失衡時，會通過改變步態(tài)來提供補(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(hù)服裝或佩戴防護(hù)裝備后，著裝人體通過調(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)致更長的雙足支撐時間[23]。當(dāng)背負(fù)質(zhì)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(hù)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(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)練計劃是必要的，以提高自身應(yīng)對裝備的調(diào)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(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 ℃，人體步長減小，同時軀干前傾程度增加作為姿勢補(bǔ)償，這是由于人體肌腱的彈性下降導(dǎo)致體內(nèi)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(fù)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，步寬減小；相對硬質(zhì)地面，在沙土路面行進(jìn)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(hù)服裝活動性能時，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(xué)者綜合足底壓力的多個細(xì)分指標(biāo)——壓力中心點的前后偏移量、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(hù)服裝及裝備后，負(fù)重的增加會改變足底的壓力分布。研究表明，人體負(fù)重狀態(tài)下，隨著時間延長，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)動和制動性、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)的最大制動力會增加，而向前的推進(jìn)力會降低[33]。但也有學(xué)者提出重心向后方偏移反而會增加向前的推進(jìn)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(yīng)對裝備重心變化的補(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)整也會導(dǎo)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(qū)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(yù)測人體保持平衡穩(wěn)定的能力，作為滑跌危險性的判斷標(biāo)準(zhǔn)。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(xué)者們據(jù)此建立了多種滑跌概率預(yù)測模型[36-37]，但這些滑跌預(yù)測模型的適用范圍仍存在局限，隨負(fù)重時間的累積，滑跌風(fēng)險預(yù)測的準(zhǔn)確度需要進(jìn)一步驗證。

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類別測評指標(biāo)剖析了著裝人體的平衡穩(wěn)定性，以評判防護(hù)服裝的活動性能，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負(fù)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(hù)服裝時需要完成不同類型的任務(wù)，且有時效性要求，而防護(hù)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(dǎo)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(hù)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(wù)的完成效率及著裝人體的關(guān)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(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)所耗時長及完成質(zhì)量進(jìn)行綜合評判。Kesler等綜合任務(wù)時長及質(zhì)量表現(xiàn)提出一項針對任務(wù)完成效率的評價指標(biāo)——機(jī)能指數(shù)[23]，計算方式如公式所示。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)的時間，s；M表示小錯誤數(shù)目；N表示大錯誤數(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)裝備對人體活動束縛程度的影響。例如，Murray等以明尼蘇達(dá)靈巧度測試作為粗放任務(wù)，發(fā)現(xiàn)與未穿著狀態(tài)相比，穿著化學(xué)防護(hù)服時作業(yè)人員的任務(wù)用時增加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越大，受試者的作業(yè)錯誤也越多，且耗時更長[23]?？梢姡雷o(hù)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(guān)節(jié)活動范圍

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

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

大量研究通過關(guān)節(jié)ROM測試評估防護(hù)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(xué)防護(hù)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(guān)節(jié)同時的ROM信息評估不同款式防護(hù)服對應(yīng)急救援操作靈活性的影響，最終驗證改進(jìn)版救援防護(hù)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(guān)節(jié)活動的限制[40]。

但也有學(xué)者指出，大多數(shù)任務(wù)并不需要每個關(guān)節(jié)都達(dá)到最大活動角度，各關(guān)節(jié)相互配合滿足活動舒適性即可[42]。若均以最大關(guān)節(jié)活動角度作為評價指標(biāo)，將高估防護(hù)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(guān)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(jìn)一步地，該動作捕捉系統(tǒng)可與其他生物力學(xué)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(fēng)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(biāo)，分析負(fù)重對士兵奔跑狀態(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[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(hù)服裝及裝備是否滿足人體操作便捷需求，一般在人體穿著實驗中以等級量表的問卷形式進(jìn)行。Chou等采用7級量表調(diào)查在消防服內(nèi)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(hù)裝備前后的活動自由程度評價及穿著難易程度評價，訓(xùn)練任務(wù)中身體局部的活動難易程度評價，結(jié)束訓(xùn)練任務(wù)后的脫卸難易程度評價，最終驗證在消防服內(nèi)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(hù)盔甲對士兵操作任務(wù)的影響，并進(jìn)一步將RPE量表簡化為4級提出“負(fù)載抵消評級(load offset rating)”，用于評價腰帶對于防護(hù)盔甲負(fù)重的輔助效果，從而確定裝備設(shè)計的改進(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(xué)者證實在占人體自身質(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)運動功能[45-47]，但目前關(guān)于人體體表壓力與關(guān)節(jié)活動范圍間并未有明確的量化關(guān)系，未來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，通過任務(wù)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(jìn)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(shù)發(fā)展，表征指標(biāo)從單一關(guān)節(jié)最大活動角度至多關(guān)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(xué)儀器所采集的客觀測試數(shù)據(jù)以及主觀評價結(jié)果間的關(guān)聯(lián)性，根據(jù)活動性的限制預(yù)判著裝人體的損傷風(fēng)險。

3 人體的動力學(xué)響應(yīng)分析

防護(hù)服裝及裝備附加于人體后，相對于穿著防護(hù)服裝前，人體需要更大程度地調(diào)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(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)來探究人體應(yīng)對防護(hù)服裝的動力學(xué)響應(yīng)機(jī)制，并評價防護(hù)服裝的活動性能。相關(guān)研究中常用的測評指標(biāo)包括人體表面肌電信號、關(guān)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(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的時域指標(biāo)值將增大，而頻域指標(biāo)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(guān)系曲線的斜率增大作為肌肉開始疲勞的標(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(guān)節(jié)負(fù)荷信息。

3.2 肌肉和關(guān)節(jié)力

目前除了可通過等動肌力測試系統(tǒng)測量關(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，用于評估人體在穿著防護(hù)服裝時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，采用逆向動力學(xué)架構(gòu)，將運動學(xué)數(shù)據(jù)作為邊界條件，求解運動人體肌肉力和關(guān)節(jié)反應(yīng)力等動力學(xué)參數(shù)，并進(jìn)一步估算骨肌損傷風(fēng)險。

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，垂直壓迫力可達(dá)到2 338.4 N左右，同時根據(jù)腰椎受垂直壓迫力預(yù)估了負(fù)重活動產(chǎn)生的風(fēng)險等級[16]，但腰椎損傷風(fēng)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(fēng)險[52]。Quesada等發(fā)現(xiàn)負(fù)重行走會改變膝關(guān)節(jié)的運動模式，膝關(guān)節(jié)伸肌出現(xiàn)過度疲勞[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]。

對于需要進(jìn)行任務(wù)操作的職業(yè)人群來說，反復(fù)或長時間轉(zhuǎn)身、彎腰，頸部長期前屈、后伸、側(cè)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(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)重時長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，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)模型只揭示了短時間負(fù)重對脊柱姿勢及重新定位能力的影響，并不適用于長期負(fù)重，未來需針對時間的累積效應(yīng)深入研究。

4 總結(jié)與展望

本文基于運動生物力學(xué)理論和方法，從著裝人體的外在運動學(xué)行為及內(nèi)在動力學(xué)響應(yīng)機(jī)制2個層面綜述了防護(hù)服裝活動性能的研究現(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方面開展，已證實平衡穩(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)境因素及延長負(fù)重時間，研究其與防護(hù)裝備間的交互作用。

2)目前可通過任務(wù)完成效率快速整體評價著裝人體的活動靈活性，并結(jié)合ROM測試、活動難易程度評價、體表受壓程度測試進(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，實現(xiàn)基于活動性的限制預(yù)判著裝人體的損傷風(fēng)險。

3)著裝人體的內(nèi)在動力學(xué)響應(yīng)機(jī)制差異導(dǎo)致了上述外在運動學(xué)行為的不同。目前主要通過肌肉電信號及逆向動力學(xué)仿真模型計算得到肌肉力的募集與關(guān)節(jié)反應(yīng)力等動力學(xué)參數(shù)來研究著裝人體的內(nèi)在動力學(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(fù)雜姿勢和時長累積因素，促進(jìn)逆向動力學(xué)仿真模型更加準(zhǔn)確。