基于运动生物力学的防护服装活动性能研究进展

戴艳阳， 王诗潭， 王云仪,2， 李 俊,2

(1.东华大学 服装与艺术设计学院， 上海 200051； 2.东华大学 现代服装设计与技术教育部重点实验室， 上海 200051)

特殊职业人群必须穿戴防护服装及装备以保障生命安全或物资供应。例如：消防员穿着防护服以隔绝外界高温、火焰、有毒液体[1]，佩戴呼吸器及氧气瓶以保证人体供氧；化工行业人员穿着防护服以阻碍固体、液体、气体形式的有害物质[2]；飞行员穿着分压服以保障在低压环境下免受缺氧和过度换气的影响[3]；士兵穿戴装备以满足行军、作战需求[4]。防护服装为实现隔热、阻燃、隔绝有害物质等防护功能，常采用较硬材质[5]且以多层材料组合设计，产生较大的层间阻力[6]，服装质量往往随之增加，同时额外附加在人体上的装备也会造成服装活动性能下降[7]。服装的活动性能是指服装对人体的平衡稳定性、活动灵活度、肌肉关节发力行为等与动态相关的需求的满足程度[8-10]。防护服装活动性能的下降会对着装人体产生诸多负效应，如体能消耗增多[11]，活动能力受限[2]，甚至导致肌肉疲劳[12]，诱发滑跌等损伤[13]。调查表明，士兵军事训练伤中80%以上[14]为软组织及骨关节损伤案例，消防员职业损伤中有64%属于肌肉扭伤拉伤或骨骼疾病[15]。为了提供职业损伤预防或控制策略，对防护服装活动性能的全面准确评估一直是研究者们关注的问题。

现阶段，防护服装活动性能研究主要从运动生理学及运动生物力学2个角度进行。基于运动生理学开展的研究主要采用着装人体的心率、血压、耗氧量等指标间接评估服装的活动性能；而从运动生物力学角度开展的研究则可直接地定量分析防护服装对人体运动产生的影响，并可结合人体骨骼肌肉系统的响应进行更为深入的机制研究。已有研究表明，后者在预测人体骨肌损伤的潜在风险方面具有更好的表现[16-18]。

本文从着装人体的外在运动学行为及内在动力学响应机制2个层面，主要包括着装人体的平衡稳定性、活动灵活性、动力学响应3部分，综述防护服装活动性能的研究现状，梳理细分的性能特征、测试方法及评价指标，并基于“服装—人体—环境”系统讨论相关影响因素，为全面揭示防护服装活动性能的影响机制提供参考。

1 着装人体的平衡稳定性测试

人体姿态的稳定取决于其对平衡的调节和控制[19]，防护服装及装备的附加可能直接影响人体重心位置，在人体活动时增加平衡控制的难度[20]，甚至在超出控制范围后导致人体失衡。着装人体的平衡稳定保持力是评判防护服装活动性能的重要考虑之一。当前针对着装人体平衡稳定性的研究中，常见的测量类别包括：人体步态、足底压力及地面反作用力，各自对应的细分指标总结如表1。

表1 着装人体平衡稳定性的测评指标Tab.1 Indicators of the balance and stability of the clothed human body

1.1 人体步态

步态是人体运动时的姿态及行为特征的直观反映，当人体趋于失衡时，会通过改变步态来提供补偿策略，保持人体平衡稳定。根据维度的不同，步态参数又可分为空间参数和时间参数(见表1)。其中，步长和步宽属于空间参数，步频和步速属于时间参数，以表征单个步态周期中的下肢运动能力。

人体穿着防护服装或佩戴防护装备后，着装人体通过调整步态以维持人体平衡[19,21-22]，而这种步态模式的改变与防护服装及装备的尺寸和质量相关。Kesler等研究发现佩戴更大尺寸的自给式呼吸器导致更长的双足支撑时间[23]。当背负质量越大或重物重心位置越低时，步行时步频增加、峰值速度降低[24]。另外，防护服装及装备对步态参数的影响还与使用者对其的熟悉程度有关，Park等发现改进版防护装备与常规防护装备并未引起步态参数的明显差异[25]，并归因于消防员对新装备的不熟悉弱化了其可能存在的积极效用。因此防护服装及装备的尺寸设计及质量配置应与使用人群相适应，研究也发现体重较轻群体在较重装备下的步频明显增加，控制平衡的难度也相应增加[24]。但目前关于人体体型差异引起的步态补偿策略变化还需要深入研究。另外，科学制定装备训练计划是必要的，以提高自身应对装备的调控能力。

着装人体的步态也会受所处的环境影响。首先，环境温度的改变使着装人体运动时为保持平衡所采取的补偿策略有所差异。Hinde等发现，冷环境中当温度降至-10 ℃，人体步长减小，同时躯干前倾程度增加作为姿势补偿，这是由于人体肌腱的弹性下降导致体内存储能量减少对冲量的分配[26]。另一方面，热环境中，着装人体的步宽缩小且交叉步数百分比增加；而经降温后，人体步态又恢复至相对稳定状态[21]。其次，路面特征改变也会影响着装人体的步态[27]：倾斜面会使得步态周期中双足支撑时间增加，步宽减小；相对硬质地面，在沙土路面行进时人体会降低步频、双足支撑时间、步长。

综上，在基于步态参数研究防护服装活动性能时，除了关注服装及装备的影响之外，还应考虑人体本身以及所处环境的影响，挖掘其交互影响机制，以便做出复杂工况条件下的综合评判。

1.2 足底压力

人体足底压力及其分布反映人体腿、足的结构、功能及身体姿势控制等信息，压力中心点的运动轨迹也可反映人体的平衡能力，压力中心点的偏移范围越小说明人体平衡能力越好[28]。有学者综合足底压力的多个细分指标——压力中心点的前后偏移量、左右偏移量、最大侧向位置、传感单元触发率等特征量提出平衡稳定性指数[29]，该指数对步行工况中的不稳定因素较敏感，但其有效性会随步幅平均时间及双足支撑时间的延长而减弱，适用范围有一定的局限。

作业人员穿着防护服装及装备后，负重的增加会改变足底的压力分布。研究表明，人体负重状态下，随着时间延长，压力向足前部转移，跖骨及脚趾区域压力增加，足后外侧区域压力降低[30]。

人体负重对足部压力的影响程度也与足部的结构特征有一定关系。有学者针对不同足弓高度的人群进行了研究，发现在20和40 kg这2种质量级别下，足弓高的人群均表现出前足内侧区域的压力更高，足弓正常或足弓低的人群则在大脚趾区域的压力更高[31]。

目前可用于描述足底压力及其分布的特征量仍处于探索阶段，且仍需要基于“服装—人体—环境”系统深入挖掘影响足底压力的因素，从而揭示着装人体平衡稳定能力的影响机制。

1.3 地面反作用力

人体行走过程中，脚与地面的相互作用引发地面反作用力，可分解为在垂直方向、前后方向、左右方向的分力，分别反映垂直压迫程度、支撑腿的驱动和制动性、侧向的稳定性[27]。

地面反作用力主要受着装人体的质量及重心的影响。有研究发现，负重质量的增加与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质量将使得地面反作用力增加约10%[32]。而着装人体的重心则影响前后方向上的地面反作用力。有学者认为，当装备重心逐渐向背后偏移，人体相应的最大制动力会增加，而向前的推进力会降低[33]。但也有学者提出重心向后方偏移反而会增加向前的推进力，对最大制动力则无显著影响[34]。这可能由于着装人体本身的差异引起，不同人体应对装备重心变化的补偿策略导致地面反作用力的差异，未来需要关注人体差异这一影响因素。

人体步态的调整也会导致地面反作用力的改变。有研究发现，双足支撑时间的增加及步行速度的下降会使地面反作用力的增加幅度减小[35]。

地面反作用力的变化还会因地面条件差异而表现为不同。研究发现，沙土路面会增加地面反作用力的垂直分量，但减少前后分量，表明下肢离地能力增加，而支撑腿的驱动及制动能力下降[27]。根据不同地面的反作用力可计算足与地间的摩擦因数，可预测人体保持平衡稳定的能力，作为滑跌危险性的判断标准。常用的计算量包括必要摩擦因数、可得摩擦因数、利用摩擦因数，学者们据此建立了多种滑跌概率预测模型[36-37]，但这些滑跌预测模型的适用范围仍存在局限，随负重时间的累积，滑跌风险预测的准确度需要进一步验证。

目前已有大量学者基于步态参数、足底压力、地面反作用力3类别测评指标剖析了着装人体的平衡稳定性，以评判防护服装的活动性能，但在表征指标方面，需深入挖掘描述足底压力分布的特征量，以及地面反作用力与步态参数间的关系，综合分析着装人体保持平衡稳定性的补偿策略。在防护服装活动性能的影响机制探讨中，需更多地关注不同人群的体型和负重能力差异，以及多样化防护装备与不同人群的适配性，另外还需要模拟更多的工况如延长负重时间和考虑环境的交互影响。

2 着装人体的活动灵活性表征

特殊职业人群穿着防护服装时需要完成不同类型的任务，且有时效性要求，而防护服装引起的重量感和体积感往往会给着装人体的活动施加不同程度的限制，导致肢体活动范围受限或行动迟缓。着装人体的活动灵活性是防护服装活动性能研究必不可少的组成部分，一般可从作业任务的完成效率及着装人体的关节活动范围、活动难易程度、体表受压程度等角度表征。

2.1 任务完成效率

任务完成效率通常以完成某一规定任务所耗时长及完成质量进行综合评判。Kesler等综合任务时长及质量表现提出一项针对任务完成效率的评价指标——机能指数[23]，计算方式如公式所示。机能指数越大表示任务完成效率越低。

P=T+M+2N

式中：P表示机能指数；T表示完成任务的时间，s；M表示小错误数目；N表示大错误数目。

任务完成效率除了与人员本身的作业能力有关外，也受到其所穿防护服装及佩戴的防护装备对人体活动束缚程度的影响。例如，Murray等以明尼苏达灵巧度测试作为粗放任务，发现与未穿着状态相比，穿着化学防护服时作业人员的任务用时增加103%，且作业准确率下降34%[38]。

进一步的研究表明，随着佩戴呼吸器尺寸越来越大，受试者的作业错误也越多，且耗时更长[23]。可见，防护装备的尺寸规格也会影响到着装人体的活动灵活性。

2.2 关节活动范围

着装人体的关节活动范围(ROM, range of motion)可直接表征防护服装及装备对人体活动的限制。

ASTM F3031—2017《现场急救员防护服的活动范围测试》标准首次规范防护服装及装备的ROM测试，允许同一等级不同设计或不同等级的防护装备之间的ROM对比。通过人体静态下单个关节的最大位移来评估防护装备的活动性限制，包括肩关节、颈椎、躯干、手臂等部位的10组姿势。

大量研究通过关节ROM测试评估防护服装对人体及其局部部位活动灵活性的影响[3,39-40]，发现化学防护服阻碍手臂及腿部活动[2]；防寒服系统使得人体腰部弯曲度、手臂延伸度、腿部活动性显著下降[39]。Lin等采取模糊综合评价法，根据人体多关节同时的ROM信息评估不同款式防护服对应急救援操作灵活性的影响，最终验证改进版救援防护服的活动性能更佳[41]。Park等将ROM测试方法运用至消防装备测评中，综合三平面研究佩戴呼吸器对人体下肢各关节活动的限制[40]。

但也有学者指出，大多数任务并不需要每个关节都达到最大活动角度，各关节相互配合满足活动舒适性即可[42]。若均以最大关节活动角度作为评价指标，将高估防护装备的实际需求而造成不必要的浪费。三维动作捕捉系统可实时采集各关节在三平面上连续动态下的角度，并计算角度变化速度及加速度等多种特征量。进一步地，该动作捕捉系统可与其他生物力学测量仪器同时使用，深入分析由于活动限制可能引发的骨肌损伤风险。Baggaley等利用该系统与测力台，基于垂直轴力矩及压力中心提出了自由力矩指标，分析负重对士兵奔跑状态的限制，发现负重增加了自由力矩的峰值，增大胫骨骨折风险[24]。

2.3 活动难易程度

着装人体的活动难易程度是从个体主观的角度去评价防护服装及装备是否满足人体操作便捷需求，一般在人体穿着实验中以等级量表的问卷形式进行。Chou等采用7级量表调查在消防服内搭配长度不同的裤子对整体服装活动性能的影响，主要包括佩戴防护装备前后的活动自由程度评价及穿着难易程度评价，训练任务中身体局部的活动难易程度评价，结束训练任务后的脱卸难易程度评价，最终验证在消防服内搭配短裤时的人体活动灵活性较高[43]。另外，Lenton等采用感知用力等级量表(RPE, ratings of perceived exertion)揭示了不同重量的防护盔甲对士兵操作任务的影响，并进一步将RPE量表简化为4级提出“负载抵消评级(load offset rating)”，用于评价腰带对于防护盔甲负重的辅助效果，从而确定装备设计的改进方向[12]。

2.4 体表受压程度

人体体表受压迫的程度也可体现着装人体的活动灵活性。An测试了3类胸部厚度的女性受试群体在不同动作下前胸区域受防弹背心压迫的面积，发现在肩部屈曲动作时，偏大及偏小胸部厚度的人群产生的压力面积更大；而在躯干屈曲动作时，偏小及中等胸部厚度的人群产生了更大的压力面积，而上述产生较大压力面积的人群的活动范围确实被显著限制[44]。由此，可通过体表受压情况来分析防弹背心对女兵耐力及表现的影响。近来，更多的学者证实在占人体自身质量15%～40%的装备压迫下，人体微血管血流量将明显降低，从而导致神经功能障碍，影响手部精细运动功能[45-47]，但目前关于人体体表压力与关节活动范围间并未有明确的量化关系，未来需要深入探索体表压力分布图谱，改进防护服装及装备的活动性能，满足不同人群在复杂环境下的任务需求。

综上，通过任务完成效率可快速整体评价着装人体的活动灵活性，并通过ROM测试、活动难易程度评价、体表受压程度测试进一步确定人体受限部位及受限程度。ROM测试经历了从静态测角仪至动态三维捕捉系统的技术发展，表征指标从单一关节最大活动角度至多关节舒适活动角度。目前还需挖掘三维捕捉系统所采集的数据，深入分析其与压力测试仪、肌电仪、测力台等生物力学仪器所采集的客观测试数据以及主观评价结果间的关联性，根据活动性的限制预判着装人体的损伤风险。

3 人体的动力学响应分析

防护服装及装备附加于人体后，相对于穿着防护服装前，人体需要更大程度地调动骨骼肌肉系统以满足活动需求，产生一系列的动力学响应，因此，可借助着装人体的骨骼和肌肉的功能状态来探究人体应对防护服装的动力学响应机制，并评价防护服装的活动性能。相关研究中常用的测评指标包括人体表面肌电信号、关节力、肌肉力或力矩等。

3.1 表面肌电信号

人体表面肌电信号(简称sEMG)是肌肉收缩时伴随的电信号，是在体表无创监测肌肉活动的重要方法。sEMG可有效探测出肌肉疲劳程度，后者是导致骨肌损伤的重要原因[48]。肌电数据通常可细分为积分肌电值和振幅均方根等时域指标，以及平均功率频率和中位频率等频域指标。

研究表明，随着人体局部肌肉疲劳程度的加深，sEMG的时域指标值将增大，而频域指标值会降低[49]。Matsumot等提出可将积分肌电值与运动持续时间的关系曲线的斜率增大作为肌肉开始疲劳的标志，以肌肉负荷强度与斜率关系的曲线截距大小反映肌肉的抗疲劳能力，由此建立了“肌电疲劳阈”[50]。

依据sEMG的变化可探究防护服装及装备的活动性能。Park等发现随服装装备的质量增加，股直肌的肌电波峰升高以维持身体平衡，且腓肠肌内侧肌电波峰升高以增加行走推进力，表明装备质量的增加对人体平衡能力及腿部功能产生消极影响[40]。另外，持续装备负重也会使得肩部中三角肌及上部斜方肌的疲劳程度持续增长[49]，但sEMG测试的肌群数量有限，无法获得深层肌肉、关节负荷信息。

3.2 肌肉和关节力

目前除了可通过等动肌力测试系统测量关节肌肉群的力或力矩[51]外，随着生物力学建模仿真技术的发展，虚拟人体生物力学模型被构建，用于评估人体在穿着防护服装时深层肌肉的激活程度和关节负荷，可进一步揭示骨骼肌肉系统的功能状态。目前骨骼肌肉系统的生物力学建模平台将人体视为包括骨骼、关节和肌肉的生命体，采用逆向动力学架构，将运动学数据作为边界条件，求解运动人体肌肉力和关节反应力等动力学参数，并进一步估算骨肌损伤风险。

骨骼肌肉系统的功能状态受负重位置、质量、人体活动状态的影响。Lessby等研究发现与在头顶及肩部相比，在躯干前部负重的腰椎受力更高，且当负重25 kg时，垂直压迫力可达到2 338.4 N左右，同时根据腰椎受垂直压迫力预估了负重活动产生的风险等级[16]，但腰椎损伤风险除了需要考察垂直方向的压迫力以外，前后剪切力也最有可能增加风险[52]。Quesada等发现负重行走会改变膝关节的运动模式，膝关节伸肌出现过度疲劳[53]。研究还发现，随负重重量及步行速度的增加，人体的髋、膝、踝等下肢关节在支撑相内的力矩显著增加，且2.3%～2.6%的正功由膝盖转向髋关节，强调了臀部肌肉组织在负重任务中的贡献度[18]。

对于需要进行任务操作的职业人群来说，反复或长时间转身、弯腰，颈部长期前屈、后伸、侧弯和扭曲等不良姿势也可能引起肌肉疲劳，尤其增加了防护服装及装备，更易导致人体相应部位的退行性改变[54]。

另外，负重时长的因素也不可被忽视。有学者注意到双肩背负重量占自身体重10%的重物达30 min后，在随后的未负重行走状态下，虽然脊柱弯曲和复位误差均有恢复的趋势，但仍不能恢复到负重前状态的水平[55]。这些持续的变化表明即使重物已被卸载，脊柱受伤的风险仍在增加。但目前关于骨肌生物力学模型只揭示了短时间负重对脊柱姿势及重新定位能力的影响，并不适用于长期负重，未来需针对时间的累积效应深入研究。

4 总结与展望

本文基于运动生物力学理论和方法，从着装人体的外在运动学行为及内在动力学响应机制2个层面综述了防护服装活动性能的研究现状。各层面的进展程度不一致，均存在较大的发展空间。

1)着装人体的平衡稳定性可从表征指标及影响机制2方面深入研究。需深入挖掘步态参数与足底压力、地面反作用力间的关系，综合分析着装人体保持平衡稳定性的补偿策略。而在影响机制探讨中，大量研究基于环境、服装及装备、人体3方面开展，已证实平衡稳定性受防护服装及装备的质量、尺寸、重心、质量分布以及环境温度、地面条件的影响。仍需更多地关注不同人群的体型、负重能力差异，以及这些差异与防护装备间的交互作用。另外还需要模拟更多工况条件如增加环境因素及延长负重时间，研究其与防护装备间的交互作用。

2)目前可通过任务完成效率快速整体评价着装人体的活动灵活性，并结合ROM测试、活动难易程度评价、体表受压程度测试进一步确定受限部位及受限程度。目前还需进一步挖掘三维捕捉系统采集数据信息，深入分析与其它生物力学仪器所采集的数据间关联性，建立相关的数学模型，实现基于活动性的限制预判着装人体的损伤风险。

3)着装人体的内在动力学响应机制差异导致了上述外在运动学行为的不同。目前主要通过肌肉电信号及逆向动力学仿真模型计算得到肌肉力的募集与关节反应力等动力学参数来研究着装人体的内在动力学响应程度。目前研究已发现装备的质量、分布位置及人体活动会显著影响骨骼肌肉系统的功能状态，未来需充分考虑人体复杂姿势和时长累积因素，促进逆向动力学仿真模型更加准确。