研究发现认知需求的增加抵消了腰部外骨骼的优势

根据美国劳工统计局的数据，在制造​​业中，美国每年因举起和搬运重物而导致的与工作相关的下背部损伤的医疗费用约为 1000 亿美元。尽管工业外骨骼等新型人体工学干预措施已显示出降低肌肉骨骼损伤风险的希望，但新研究发现，这种可穿戴设备的认知适应性(佩戴者有足够的心理资源可以在执行日常工作任务时准确操作外骨骼)工作场所的机器人解决方案可能会给工人带来新的风险。

这些发现解决了美国国家职业安全与健康研究所 (NIOSH) 对职业机器人技术的一些关键问题。德克萨斯 A&M 大学和俄亥俄州立大学的研究人员已经确定，工作场所中认知需求的增加，通常与新技术或自动化相关，可以抵消佩戴低背外骨骼的机械优势，这是一种旨在减少或重新分配与繁重体力工作相关的生物力学脊柱负荷。这些发现发表在最新一期的《应用人体工程学》上。

研究团队包括 Wm Michael Barnes '64 工业与系统工程系副教授兼神经人体工程学实验室主任 Ranjana Mehta;朱一波，工业与系统工程研究生，神经工效学实验室成员;Eric Weston，俄亥俄州立大学工业系统工程研究生研究助理;和威廉马拉斯，俄亥俄州立大学脊柱研究所综合系统工程、神经外科、骨科、物理医学和康复教授。

“这是第一项在用户穿着背部外骨骼执行举重任务时研究大脑的研究，”梅塔说。“我们能够记录佩戴外骨骼的神经认知‘成本’，并确定用户随着时间的推移采用的适应策略，以减轻外骨骼带来的认知风险。我们还能够证明在这项高度以运动为导向的体力任务中使用动态大脑成像和连接分析的效用。”

该团队招募了健康的成年人，包括没有腰部受伤史的男性和女性，参与这项需要大量举重的研究，无论是否有腰部外骨骼的帮助。

参与者参加了两节课，一节课的重点是在穿着外骨骼的情况下执行举重任务，另一节不穿外骨骼。每个参与者都在他们的胸部和腿部安装了一个机械外骨骼，同时他们反复举起一个药球 30 分钟。经过类似的休息时间后，他们被要求在外骨骼的帮助下执行相同的任务，但同时还被要求执行一项脑力任务：每次举起球时，从 500 到 1,000 之间的数字中减去 13。

这些任务使研究人员能够使用先进的 EMG(肌电图)辅助生物力学建模来测量脊柱负荷，并在任务期间使用一种称为功能性近红外光谱的动态大脑成像设备来监测功能性大脑活动。将传统的生物力学/人体工程学和动态神经成像技术相结合，使他们能够评估人与外骨骼相互作用的神经人体工程学适合度。

结果表明，与不佩戴外骨骼相比，外骨骼并未显着降低脊柱压缩载荷，并且在降低脊柱剪切载荷方面具有边际实际益处。然而，佩戴外骨骼的“成本”是通过神经人体工程学评估得出的。与没有外骨骼的情况相比，在举重过程中使用外骨骼会募集额外的大脑区域，这些区域通常涉及调节警觉性和警惕性。

该研究还发现，当每个人的任务是解决一道数学题以配合升降机，以模拟对工人的外部认知需求时，他们首先失去了外骨骼提供的任何生物力学好处。

“认知需求已被证明会加剧举重过程中的脊柱负荷。这些需求完全抵消了外骨骼的微小机械优势，这是这项研究的一个显着发现，”梅塔说。“我们想阐明工业外骨骼的使用如何影响工人的运动和认知能力，因为工人必须学习新的运动策略才能在穿着外骨骼工作时高效工作。一种神经人体工程学方法，即评估工作中的大脑行为关系，能够捕捉传统人体工程学和生物力学测量无法捕捉的外骨骼认知风险。”

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