手套對手部運動的影響：降低抓握動作的準確性

巫群瑤，唐日新，周仁來

(南京大學社會學院心理學系,南京 210023)

1 引言

手套是比較常見的個人防護設備，在進行徒步旅行和騎自行車等運動時，一副手套可以幫助手保持溫暖，保護手不受潛在傷害；在射箭、擊劍等運動中，使用合適的手套可以很好地握住器械，吸收沖擊使雙手免受傷害，并減少水泡和擦傷的可能性[1-2]；在工業領域中可以防止工人的手受到來自創傷(割傷、擦傷)、極端溫度、化學、電能和振動[3]等的傷害。

盡管手套提高了動作過程中安全性，但手套對手部動作表現的影響也不容忽視。許多研究表明手套可能會對動手能力[4-8]、觸覺敏感性[9-10]，握力[11-12]，肌肉運動和疲勞感[13-14]等產生消極影響。手套厚度是影響手部動作表現的重要因素之一。Muralidhar等人[3]發現被試戴著2層或者4層的棉質手套完成釘板任務、繩索打結任務時，使用4層手套完成任務的時間較之2層時顯著增大。另外，Krausman和Nussbaum[8]在任務中使用了4種厚度的手套，發現戴著最厚手套執行文本輸入任務時所花時間增加了9%，但正確率在幾種手套之間沒有差異。近來也有研究表明[15]手套的材質同樣會影響手部動作表現，在使用裸手、丁腈手套、尼龍手套完成釘板任務，發現戴丁腈、尼龍手套較之裸手時會顯著增加完成任務的時間，同時使用丁腈手套時錯誤率最高，研究者認為這是由于戴手套會降低手的觸覺敏感性[16]，當觸覺敏感性降低時，手無法獲得必要的觸覺反饋來成功執行任務[17]。

在航天航空領域，航天手套是航天員進行操作活動的重要終端，對航天員在壓力應急狀態下或航天器艙外活動中的工作能力具有重要的影響。保障安全和方便操作是對于航天手套的基本要求。抓握與指點都是指向目標的簡單日常行為，動作的速度和準確性在動作過程中存在權衡[18-19]，手套對這兩個動作的影響，尤其是會影響動作的準確性還是速度，目前未見相關研究。在航天任務中，航天員需要佩戴手套抓握扶手固定身體，或者拿取工具進行維修，或者按某個按鈕進行操作，這些動作在太空微重力環境下將變得非常困難。因此，研究手套如何影響抓握和指點動作對于航天手套設計，航天任務設置等方面有一定的參考意義。

2 研究方法

2.1 被試

南京大學 40 名本科生和研究生(男18女21),一名被試因身體原因退出實驗，均為右利手,年齡在18-25歲之間,所有的被試無神經系統及運動系統的疾病史，左右手臂都能自由伸展，視力或矯正視力正常，沒有色盲或者色弱，被試均是自愿參加實驗，且事先不了解實驗目的，實驗結束后會支付所有被試相應的報酬。

2.2 方法

2.2.1 實驗設備和材料

本實驗在室內日光燈照射環境下進行。被試的動作數據通過OPTOTRAK Certus 三維運動捕獲系統(Northern Digital,Canada)來進行采集，采樣頻率為200 Hz,即每秒鐘會收集被試200 個運動數據。抓握任務采用寬度不同的兩種木塊，其中大木塊的規格是:10 cm × 5 cm × 1.5 cm。小木塊的規格是:10 cm × 2 cm × 1.5 cm。指點任務采用直徑不同的兩種紙片，其中大紙片的直徑為 5 cm，小紙片的直徑為 2 cm。

實驗處理使用的手套有兩種，如圖1所示，其中薄手套平鋪時長22 cm，掌寬10 cm，純棉材質，手掌部有防滑硅膠，厚度約為0.5 mm，適用于日常生活;厚手套平鋪時長 27 cm，掌寬12 cm，材質為芳綸+nomex混紡，雙面點硅膠，厚度約為3 mm，用于模擬航天手套(實際艙外航天手套更厚)。

(a)薄手套 (b)厚手套

2.2.2 實驗設計

實驗采取 的被試內設計，被試分別用左手、右手在3種不同實驗條件下(裸手，戴薄手套，戴厚手套)完成實驗任務。在抓握任務中有4個因變量指標，為反應時、峰值速度、運動時、最大抓握孔徑，但是在指點任務中只有反應時、峰值速度、運動時3個因變量指標。研究的因變量由軟件計算，反應時為被試手部動作速度達到20 mm/s的時間；運動時間是手部動作的速度大于20 mm/s到速度小于50 mm/s的時間；峰值速度(mm/s)是被試從離開開始按鈕到拿起物品的過程中手腕的最大運動速度；最大抓握孔徑(peak grip aperture,PGA)是被試運動過程中的食指和拇指之間最大的距離。我們把PGA歸為動作準確性的指標，而峰值速度和運動時則歸為動作敏捷性指標。

2.2.3 實驗程序

被試坐在桌前，身體與桌子的距離約為10厘米，在實驗過程中被試需要佩戴閉環設置(有視覺反饋)的液晶眼鏡，在被試右手的食指上貼上運動傳感器marker 點。以被試身體中心線為基線在正前方設置起始點，離起始點20厘米或40厘米處會呈現刺激物。被試的右手(左手)在每次運動前，放置于起始點處。主試會告知被試接下來的任務動作類型(指點/抓握)，要求被試在眼鏡打開獲得視覺反饋后盡可能快而準確地做出反應和完成動作。在抓握任務中，被試需要完成用食指和拇指抓握木塊的中間部位的動作;在指點任務中，被試需要完成用食指指點紙片中心紅點的動作。正式實驗之前，先進行練習實驗，練習實驗數據不用于分析。

實驗有2 × 3共6種實驗條件，在每種實驗條件下，刺激材料隨機呈現，兩種不同尺寸(大/小)的長方體木塊，放在兩個不同位置(遠/近)，每種情況重復四次，被試需完成2(抓握指點任務) × 4 (材料情況) × 4(重復次數)共32個試次。在實驗的每種條件結束后，被試會獲得 5分鐘的休息時間。整個實驗被試需完成32×6=192個試次。

3 結果

數據 (剔除平均數上下三個標準差以外的數據) 采用SPSS 22.0 統計學軟件分析，抓握任務的重復測量方差分析結果見表1，指點任務的結果見表2。

表1 抓握任務的重復測量方差分析結果

表2 指點任務的重復測量方差分析結果

3.1 抓握任務中的各因變量分析

(1)PGA

對PGA進行2 (左右手) × 3(手套厚度) 兩因素重復測量方差分析，結果表明手套厚度的主效應顯著，F(2,29) = 27.941,P<0.001,η2= 0.658，事后檢驗發現裸手下的PGA顯著小于薄手套和厚手套情況下的，薄手套下的PGA也顯著小于厚手套下的(P<0.05)，如圖2所示；左右手的主效應不顯著；左右手與手套厚度的交互作用也不顯著。

圖2 抓握任務下最大抓握孔徑上的均值比較

(2)反應時

對反應時進行2 (左右手) × 3 (手套厚度) 兩因素重復測量方差分析，結果表明左右手、手套厚度的主效應均不顯著，左右手與手套厚度的交互作用也不顯著。

(3)峰值速度

對峰值速度進行2 (左右手) × 3(手套厚度) 兩因素重復測量方差分析，結果表明左右手、手套厚度的主效應均不顯著，左右手與手套厚度的交互作用顯著，F(2,29) = 6.846,P<0.05,η2= 0.321，簡單效應分析表明：在薄手套的情況下，右手運動的峰值速度顯著大于左手的(P<0.05)。

(4)運動時間

對峰值速度進行2 (左右手) × 3(手套厚度) 兩因素重復測量方差分析表明，左右手、手套厚度的主效應均不顯著，左右手與手套厚度的交互作用也不顯著。

3.2 指點任務中的因變量分析

(1)反應時

對反應時進行2(左右手) ×3(手套厚度) 兩因素重復測量方差分析表明，左右手、手套厚度的主效應均不顯著，左右手與手套厚度的交互作用也不顯著。

(2)峰值速度

對峰值速度進行2(左右手) ×3(手套厚度) 兩因素重復測量方差分析表明，左右手、手套厚度的主效應均不顯著，左右手與手套厚度的交互作用也不顯著。

(3)運動時間

對運動時間進行2 (左右手) ×3 (手套厚度) 兩因素重復測量方差分析表明，手套厚度的主效應顯著，F(2,26) = 3.842,P<0.05,η2= 0.228，事后檢驗發現裸手和薄手套下的運動時間顯著小于厚手套情況下的(P<0.05)，而裸手和薄手套之間無顯著差異，如圖3所示；左右手的主效應不顯著，左右手與手套厚度的交互作用也不顯著。

圖3 指點任務下運動時間的均值比較

4 討論

航天服手套是航天服的重要組成部分，提供了航天員手部的操作活動能力和必要的防護性能[20]，研究手套厚度對手部動作的影響在航天領域也有一定的現實意義；在目標導向運動中，提高動作的準確性需要以降低速度為代價[18]。那么戴手套是否會對這種相互關系產生影響呢？因此本研究通過評估在裸手、戴薄手套、厚手套3種情況下完成抓握、指點動作的表現，發現在抓握過程中，手套厚度會影響抓握動作的準確性，但幾乎不影響動作的敏捷性/速度，而在指點動作任務中，手套厚度會影響完成任務的運動時間。

(1)手套厚度影響抓握動作的準確性。當指向或者抓握物體時，動作速度快則準確性降低，而動作更準確則速度會變慢[18]。最大抓握孔徑是受抓握物對象大小影響的，但當面對大小相同的抓握對象，最大抓握孔徑(PGA)越大，說明被試抓握動作越不準確。實驗結果表明戴厚手套的情況下的最大抓握孔徑(M=70.290 mm)顯著大于裸手情況下(M=58.452 mm)和戴薄手套(M=61.522 mm)情況下的最大抓握孔徑，戴薄手套情況下的PGA也顯著大于裸手下的，即被試在戴厚手套或者薄手套進行抓握時準確度下降，說明手套厚度會影響手部動作的準確性。同時觀察PGA的變化趨勢可以發現，PGA隨著手套厚度的增加而增大，手套厚度越大，動作的準確性下降越大。但在反應時、運動時間等指標上，手套厚度之間無顯著差異，表明戴手套不影響手部動作速度，也就是說手套厚度沒有影響手部動作的敏捷性。

(2)手套厚度影響指點動作的運動時間。裸手和薄手套下的運動時間顯著小于厚手套情況下的，而裸手和薄手套之間無顯著差異。這表明在戴厚手套的情況下，被試在完成指點動作時會花費更多的時間，被試動作的平均速度下降，也就是說手套厚度會影響指點動作的速度。

(3)另外，在對指點任務中的材料變量進行3(手套厚度)× 2(距離遠近)× 2(材料大小)的重復測量方差分析后，我們發現在指點動作中，即使是戴上手套，刺激材料的大小和遠近對運動時間也有顯著影響，這與菲茨定律(Fitts’Law)是一致的，任意一點移動到目標中心位置所需的時間，與該點到目標的距離和目標的大小有關[21]。本次指點實驗數據結果顯示，紙片距離對左手和右手的運動時間都存在顯著影響(P<0.05)，菲茨定律在被試戴上手套完成任務時也依舊成立。

本研究表明，戴手套會降低抓握動作中的準確性，以及降低指點動作的平均速度；按照速度-準確性權衡的關系，準確性降低時，速度應該有所提升，這可能是由于手套厚度的影響，使得這一相互關系在橫向比較上不成立。宇航員在完成太空作業，如修復航天器、組建或維修空間站等需要抓握工具或者按按鈕，從本實驗可以看出手在完成抓握或指點動作時對手套厚度敏感。因此，在航天環境中，建議增大航天作業所使用的裝備部件的體積，這樣方便宇航員完成更穩定更準確的抓握，或者在航天手套制作中，盡可能的減少手套厚度，以此增加艙外戴手套的作業效率。

5 結論

(1)手套厚度影響抓握動作的準確性，動作的準確性隨著手套厚度的增加而下降。

(2)手套厚度影響指點動作的運動時間(速度)。

(3)在戴手套進行指點動作時，其動作規律也符合菲茨定律。