《European Journal of Applied Physiology》：Physiological and perceptual effects of two passive back-support exoskeletons during repetitive lifting in healthy adults
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重复性抬举作业是职业性肌肉骨骼疾病（WMSDs）和心血管风险的重要诱因。本研究针对此问题，探讨了刚性（RIGID）与柔性（SOFT）被动腰背支撑外骨骼（PBEs）在急性重复性举重任务中对心脏负荷、能量消耗、神经肌肉活动及主观劳累度的影响。结果表明，两种外骨骼均能有效降低心肌氧耗（RPP）、能量消耗（EE）和主观劳累度（RPE），为利用外骨骼技术降低职业劳动中的生理与感知负荷提供了有力证据，具有重要的职业健康防护意义。
想象一下，在物流、护理、建筑等行业，工人们每天需要成百上千次地弯腰、抬举重物。这种职业性体力活动（Occupational Physical Activity, OPA）虽然也是“体力活动”，却与闲暇时跑步健身带来的健康益处截然相反。高强度的OPA是导致工作相关肌肉骨骼疾病（Work-related Musculoskeletal Disorders, WMSDs）的头号元凶，在欧洲，这类问题每年造成的经济损失高达约2400亿欧元。更严峻的是，长期从事高体力负荷工作的人群，其发生严重心脏事件的风险增加35%，心血管死亡风险增加27%。这背后的一个关键机制，是工人在重复性、高要求的体力任务中，心率和血压在24小时内持续处于较高水平。如何有效降低这些“劳力者”的职业健康风险，成为一个紧迫的社会经济与公共卫生问题。
在此背景下，被动腰背支撑外骨骼（Passive Back-support Exoskeletons, PBEs）作为一种无需外部动力的可穿戴辅助设备应运而生。它们旨在通过被动机械结构（如弹簧、弹性带）存储和释放能量，在人体弯腰和起身时提供辅助力矩，从而减轻劳动者腰背部“后侧链”肌肉和脊柱的负荷。既往研究多集中于评估PBEs对肌肉活动或心率的孤立影响，且对心脏负荷的评估大多仅依赖心率，缺乏更全面的血流动力学视角。此外，市面上的PBEs在结构上主要分为“刚性”（通过刚性框架和关节传递力矩）和“柔性”（通过纺织材料与弹性元件跨越躯干和下肢传递力）两类，这两种不同设计理念的设备在实际应用中的生理效应是否有差异，也需要更多实证研究。
为了更全面地回答上述问题，一项题为《Physiological and perceptual effects of two passive back-support exoskeletons during repetitive lifting in healthy adults》的研究在《European Journal of Applied Physiology》上发表。该研究旨在系统探究刚性（Laevo Flex V3.0, RIGID）与柔性（Hunic SoftExo Lift V4, SOFT）两种PBEs，在急性、标准化的重复性举重任务中，对健康成年人生理负荷（包括心脏负荷、能量消耗、神经肌肉活动）和感知负荷（主观劳累度与穿戴舒适度）的急性影响。研究人员假设，佩戴任一种PBE都能降低上述各项指标，并与无外骨骼辅助的情况形成对比。
为了开展这项研究，团队招募了26名健康成年人（男女各半），让他们在实验室中完成标准化的5分钟重复性壶铃举重任务。任务负载为个体体重的15%，节奏固定。每位受试者需在三种条件下分别完成任务：无外骨骼（FREE）、佩戴刚性PBE（RIGID）、佩戴柔性PBE（SOFT），顺序随机。研究采用了多项关键技术方法进行多维度评估：首先，通过无创经胸阻抗心动描记法（Impedance Cardiography, ICG）连续监测心率（HR）、每搏输出量（SV）和心输出量（CO），并结合每分钟手动测量的收缩压（SBP），计算作为心肌氧耗替代指标的心率血压乘积（Rate-Pressure Product, RPP）。其次，通过呼吸气体分析仪（Metalyzer? 3B）测量摄氧量（V?O2）和二氧化碳生成量（V?CO2），并利用Brockway方程计算标准化能量消耗（Energy Expenditure, EE）。再次，通过表面肌电图（surface Electromyography, sEMG）记录右侧身体七块肌肉（包括股直肌、股二头肌、臀大肌、髂肋肌、最长肌、腹直肌、腹外斜肌）的活动，数据均以最大自主收缩（Maximum Voluntary Contraction, MVC）进行标准化。最后，通过Borg CR量表（1-10分）评估主观劳累度（Rating of Perceived Exertion, RPE），并通过视觉模拟量表（Visual Analogue Scale, VAS）评估穿戴舒适度。所有数据均采用重复测量方差分析、混合效应模型等统计方法进行处理。
研究结果揭示了两种外骨骼显著且一致的减负效果：
心脏负荷显著降低
与FREE条件相比，佩戴两种PBEs均显著降低了心率血压乘积（RPP），这反映了急性心脏负荷的减轻。其中，RIGID使RPP平均降低8.1%，SOFT使其降低6.5%。这种降低主要源于心率的下降（RIGID: -5.9%；SOFT: -4.0%），同时收缩压也有小幅但显著的降低（仅SOFT条件）。通过ICG测得的心输出量和每搏输出量在不同条件下保持稳定。这表明PBEs带来的心脏减负主要是通过降低心率（ chronotropic effect ）实现的，这为理解PBEs如何缓解与高OPA相关的心血管风险提供了新的、更全面的血流动力学证据。
能量消耗明显减少
在能量代谢层面，两种外骨骼也展现出强大的“节能”效果。与FREE条件相比，RIGID使整体能量消耗（EE）降低了13.9%，SOFT使其降低了9.4%，均属于大效应量。这种代谢节省意味着工人在执行相同任务时，身体的“燃料”消耗更少，有助于延缓疲劳，提高持续工作能力。任务中的相对摄氧量约为个体最大摄氧量（V?O2max）的31%-35%，处于中等强度范围，PBEs带来的能耗降低可视为在该强度下增加了有氧储备。
神经肌肉活动呈现差异性改变
在肌肉活动层面，两种外骨骼的效果有所不同。只有刚性的RIGID外骨骼显著降低了臀大肌的激活水平（平均降低21%），而SOFT外骨骼对任何被测肌肉的激活均未产生统计学上的显著改变。无论是躯干伸肌（髂肋肌、最长肌）还是腹部肌肉（腹直肌、腹外斜肌），其活动在不同条件下均未观察到显著变化。这一结果提示，RIGID设备主要通过其刚性结构在髋关节处提供集中的伸髋力矩辅助，从而针对性地减轻了臀大肌的负担。而SOFT设备尽管在整体能耗上也有降低，但其柔性的、力量传递路径更长的设计（从背部延伸至膝、踝），可能将辅助力更分散地传递，未能在单个被测肌肉上产生足以达到统计学显著水平的局部卸载。
主观感知：劳累度减轻，但舒适度下降
从使用者的主观感受来看，好消息是两种PBEs都有效降低了任务中的主观劳累度（RPE），RIGID和SOFT分别降低了14.4%和9.5%。然而，研究也发现了一个需要权衡的问题：在完成任务后，佩戴两种外骨骼的舒适度均较任务前有显著下降（降幅约11%）。这说明，虽然外骨骼减轻了工作的“费劲”感，但其穿戴本身可能因界面压力、活动限制等因素引入了新的不适感。
两种外骨骼效果无显著差异
尽管在数值上，刚性PBE在降低RPP、EE和RPE方面似乎略优于柔性PBE，但统计分析表明，在所有测量的生理和感知参数上，两种PBEs之间均不存在统计学上的显著差异。
结论与讨论强调了系统性减负与未来方向
本研究综合评估了两种结构不同的被动腰背支撑外骨骼在重复性举重任务中的急性效应。核心结论是：无论是刚性还是柔性设计，PBEs都能在急性、标准化的举重任务中，一致性地降低健康成年人的心脏负荷、能量消耗和主观劳累感。通过整合中心性（心输出量）和外周性（血压）血流动力学测量，该研究首次提供了关于PBEs如何减轻心脏负荷的更全面理解，扩展了Beyond heart rate的评估维度。
尽管在局部肌肉活动（sEMG）上观察到的变化有限且存在差异，但整体能量消耗和心脏负荷的显著降低表明，PBEs带来的生理减负是一种“系统性”的效应。这种整体需求的降低，可能源于多块肌肉（包括sEMG未监测到的稳定肌群）负荷的微小但广泛的减少，以及可能降低的协同收缩需求。研究同时指出了“支持”与“舒适”之间的平衡难题：PBEs在减轻生理和感知负荷的同时，可能会因穿戴引入新的不适，这可能影响用户的长期接受度和使用依从性，这是在产品优化和实际推广中必须认真对待的问题。
最后，研究人员也指出了本研究的局限性，包括受试者为年轻健康人群、任务为单一的实验室标准化举重等，这些都可能限制结果向更广泛、任务更多样的真实职业场景的外推。因此，他们呼吁未来的研究应关注长期、实地的效果评估，以检验这些在实验室中观察到的急性益处，是否能够转化为真实工作环境中对肌肉骨骼和心血管健康的持久保护。这项研究为利用外骨骼技术作为职业健康干预措施提供了扎实的多维度生理学证据，并指明了未来在设备人因工程学和长期效益验证方面需要深入探索的方向。
