研究發(fā)現(xiàn)認(rèn)知需求的增加抵消了腰部外骨骼的優(yōu)勢

根據(jù)美國勞工統(tǒng)計局的數(shù)據(jù)，在制造??業(yè)中，美國每年因舉起和搬運重物而導(dǎo)致的與工作相關(guān)的下背部損傷的醫(yī)療費用約為 1000 億美元。盡管工業(yè)外骨骼等新型人體工學(xué)干預(yù)措施已顯示出降低肌肉骨骼損傷風(fēng)險的希望，但新研究發(fā)現(xiàn)，這種可穿戴設(shè)備的認(rèn)知適應(yīng)性(佩戴者有足夠的心理資源可以在執(zhí)行日常工作任務(wù)時準(zhǔn)確操作外骨骼)工作場所的機(jī)器人解決方案可能會給工人帶來新的風(fēng)險。

這些發(fā)現(xiàn)解決了美國國家職業(yè)安全與健康研究所 (NIOSH) 對職業(yè)機(jī)器人技術(shù)的一些關(guān)鍵問題。德克薩斯 A&M 大學(xué)和俄亥俄州立大學(xué)的研究人員已經(jīng)確定，工作場所中認(rèn)知需求的增加，通常與新技術(shù)或自動化相關(guān)，可以抵消佩戴低背外骨骼的機(jī)械優(yōu)勢，這是一種旨在減少或重新分配與繁重體力工作相關(guān)的生物力學(xué)脊柱負(fù)荷。這些發(fā)現(xiàn)發(fā)表在最新一期的《應(yīng)用人體工程學(xué)》上。

研究團(tuán)隊包括 Wm Michael Barnes '64 工業(yè)與系統(tǒng)工程系副教授兼神經(jīng)人體工程學(xué)實驗室主任 Ranjana Mehta;朱一波，工業(yè)與系統(tǒng)工程研究生，神經(jīng)工效學(xué)實驗室成員;Eric Weston，俄亥俄州立大學(xué)工業(yè)系統(tǒng)工程研究生研究助理;和威廉馬拉斯，俄亥俄州立大學(xué)脊柱研究所綜合系統(tǒng)工程、神經(jīng)外科、骨科、物理醫(yī)學(xué)和康復(fù)教授。

“這是第一項在用戶穿著背部外骨骼執(zhí)行舉重任務(wù)時研究大腦的研究，”梅塔說。“我們能夠記錄佩戴外骨骼的神經(jīng)認(rèn)知‘成本’，并確定用戶隨著時間的推移采用的適應(yīng)策略，以減輕外骨骼帶來的認(rèn)知風(fēng)險。我們還能夠證明在這項高度以運動為導(dǎo)向的體力任務(wù)中使用動態(tài)大腦成像和連接分析的效用。”

該團(tuán)隊招募了健康的成年人，包括沒有腰部受傷史的男性和女性，參與這項需要大量舉重的研究，無論是否有腰部外骨骼的幫助。

參與者參加了兩節(jié)課，一節(jié)課的重點是在穿著外骨骼的情況下執(zhí)行舉重任務(wù)，另一節(jié)不穿外骨骼。每個參與者都在他們的胸部和腿部安裝了一個機(jī)械外骨骼，同時他們反復(fù)舉起一個藥球 30 分鐘。經(jīng)過類似的休息時間后，他們被要求在外骨骼的幫助下執(zhí)行相同的任務(wù)，但同時還被要求執(zhí)行一項腦力任務(wù)：每次舉起球時，從 500 到 1,000 之間的數(shù)字中減去 13。

這些任務(wù)使研究人員能夠使用先進(jìn)的 EMG(肌電圖)輔助生物力學(xué)建模來測量脊柱負(fù)荷，并在任務(wù)期間使用一種稱為功能性近紅外光譜的動態(tài)大腦成像設(shè)備來監(jiān)測功能性大腦活動。將傳統(tǒng)的生物力學(xué)/人體工程學(xué)和動態(tài)神經(jīng)成像技術(shù)相結(jié)合，使他們能夠評估人與外骨骼相互作用的神經(jīng)人體工程學(xué)適合度。

結(jié)果表明，與不佩戴外骨骼相比，外骨骼并未顯著降低脊柱壓縮載荷，并且在降低脊柱剪切載荷方面具有邊際實際益處。然而，佩戴外骨骼的“成本”是通過神經(jīng)人體工程學(xué)評估得出的。與沒有外骨骼的情況相比，在舉重過程中使用外骨骼會募集額外的大腦區(qū)域，這些區(qū)域通常涉及調(diào)節(jié)警覺性和警惕性。

該研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)每個人的任務(wù)是解決一道數(shù)學(xué)題以配合升降機(jī)，以模擬對工人的外部認(rèn)知需求時，他們首先失去了外骨骼提供的任何生物力學(xué)好處。

“認(rèn)知需求已被證明會加劇舉重過程中的脊柱負(fù)荷。這些需求完全抵消了外骨骼的微小機(jī)械優(yōu)勢，這是這項研究的一個顯著發(fā)現(xiàn)，”梅塔說。“我們想闡明工業(yè)外骨骼的使用如何影響工人的運動和認(rèn)知能力，因為工人必須學(xué)習(xí)新的運動策略才能在穿著外骨骼工作時高效工作。一種神經(jīng)人體工程學(xué)方法，即評估工作中的大腦行為關(guān)系，能夠捕捉傳統(tǒng)人體工程學(xué)和生物力學(xué)測量無法捕捉的外骨骼認(rèn)知風(fēng)險。”

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