試論不同負重下懸浮背包對下肢生物力學分析研究進展

當前背包行走、跑步是非常常見的生活方式，背包負重過大會對人體造成一些影響。近年有國外科技公司提出“懸浮背包”，本研究將通過對不同背包負重下生物力學的相關文獻進行綜述，探究出不同負重的背包對人體姿勢與步態的生物力學方面的影響，研究結果能為新型背包設計、改良提供科學依據，有著廣闊的應用前景。

1 前言

背包在現今人們的日常生活中扮演著重要的角色。背包作為一種外來載荷作用于人體，將會改變人體質心位置，而影響人體負重的有關內部因素有年齡、性別、身體機能、體能訓練等，外部因素有負重量、負重方式、行走速度以及背包舒適性等，不可抗因素包括溫度、濕度、地形、坡度等。

但是過長時間的負重載荷將會導致一系列的肌肉骨骼系統疾病。因此更多研究人員開始研究負重載荷以及負重方式對人體帶來的影響，以達到不斷調節姿勢、減少疲勞、降低損傷風險的目的。因此對于負重載荷以及負重方式的影響研究對于當前中小學生、士兵出行、登山訓練人員等需要攜帶背包出行之人影響深刻。

2 有關負重行走的運動學研究

影響負重行走的因素包括負重載荷、負重方式、行走速度等。這些因素既影響著運動的時空特征，如速度、加速度、軌跡等，包括步態的改變，關節運動學的改變，重心的變化等影響，進而導致肩部疲勞、腰背部損傷、膝關節疼痛、足部受損伸直應力性骨折等。

2.1 相關步態和關節運動學研究

人體在負重過程中由于負重量，載物方式等一些因素的影響，會改變支撐相和擺動相來維持身體的穩定，由于支撐相和擺動期的比例增加或降低，擺動腿加速或減速落地，勢必會造成步長的增加或減小，因而這些變化使人體更加動態的維持步行平衡體系。

Chow研究了22名正常女性在0%、7.5%、10.0%、12.5%和15.0%體重的背包負荷下的步態特征，結果顯示隨著背包負荷的增加，步行速度和步頻顯著降低，而雙支撐時間增加。

對于整個人體系統而言，負重下行走也會影響關節運動學的改變，進而導致一些肌肉骨骼系統上的相關疾病。

馬淑慧等以6名女性為受試者，采用不同重量的負重 5%、10%和15%的自身體重進行無負重和三種負重形式的 1min 行走。結果表明，在不同負重方式下，不同負重載荷均對身體的平衡和協調能力有顯著性影響。Birrell認為負荷的增加使得膝關節屈伸和骨盆旋轉的活動范圍降低，但髖關節內收外展和旋轉范圍顯著增加進而導致骨盆更加傾斜。Attwells采用三維運動分析系統對20名男性士兵進行了矢狀面運動分析。測量踝關節、膝關節、股骨、軀干和頭顱椎的角度和時空參數。表明了膝關節和股骨的活動范圍隨著負荷的增加而增加。顱椎角減小，表明頭部在負重時位置更向前。因此頭部與軀干協同工作，以平衡負荷。Huang在行走過程中，懸浮背包工作狀態下的髖關節屈曲和伸展角度峰值明顯低于懸浮背包鎖定狀態時的表現和普通背包狀態下的髖關節屈曲和伸展角度峰值。在步行過程中，懸浮背包條件下站立階段的膝關節屈曲角度峰值明顯低于其他兩種條件。

2.2 關于負重行走時身體重心的研究

當前關于負重行走的時空參數的變化從上述學者們的研究中可知：在負重條件下行走，隨著負重載荷、負重方式、行走速度、行走距離等的不同，軀干以及四肢關節運動角度會有顯著性變化。在人們行走時，不僅關節運動學參數會隨著上述因素變化外，人體行走時的重心活動也會隨之變化。

Vlutters等研究了10名受試者以0.63m/s和1.25m/s的速度行走過程中，接受不同程度的中外側和前后骨盆擾動后，平衡恢復時重心的變化，結果顯示腳跟撞擊處的質量中心的速度與隨后的腳趾脫離處的壓力中心位置呈線性關系，因此，動作的時機可能在擾動恢復過程中起重要作用。Menz 等認為，當在不規則表面行走時，受試者能夠保持他們的速度，但采用了更慢和更可變的節奏和顯得更長的步幅。因此，人體必須改變行走的步態以保持平衡，適應載荷的施加。

因此，在負重下行走時負重行走過程中，人體質量的中心大多數時間都是出于身體支撐之外，因此人們不得不調整姿勢以維持身體平衡。

3 有關負重行走的動力學研究

由于負重作用下，日常行走運動時，根據力的傳導作用，可將載荷從椎骨傳遞至下肢、足部，進而最終傳遞給地面。而力在運動過程中至關重要。針對負重行走時地面反作用力和足底壓力的變化情況，相關學者近年來已經做了大量研究。

3.1 關于地面反作用力的影響

步行時的蹬離期是向地面給予了作用力，推動人體向前運動。但當人體承受的地面反作用力過強時，會造成下肢肌肉骨骼系統的損傷。因此國內外許多學者開始研究負重行走時的地面反作用力變化情況。

王俊清等利用Kistler三維測力臺收集了9名受試者在12周訓練后穿不同鞋對地面反作用力的影響，其研究表明不同鞋條件之間的沖擊力峰值沒有顯著差異，穿著仿裸足鞋可以顯著增大最大負載率。Lam以6名佩戴足弓支架的男性為受試者并以不同的斜度（0°、3°、6°）進行跑步，其研究表明隨著坡度的增加，垂直沖擊峰值顯著降低。Castro等研究了步態節奏對年輕人負重時地面反作用力和足底壓力的影響，探討了當慢節奏（70步/min）和（120步/min）下無負重行走和負重行走的關系，其研究結果表明當受試者在快節奏下行走時，足跟、足前部以及足趾處的前后和垂直方向上的地面反作用力更大，并且足底壓力峰值更大。而Dames研究了12名受試者在四種條件下（裸足不負重、穿鞋負重、裸足負重和穿鞋負重）以1.5m/s的速度行走時地面反作用力的變化情況，其研究表明，裸足行走減少了前后向地面反作用力的峰值，但對于垂直地面反作用力峰值影響不大。Kellis等研究了四種狀態（無背包、低部位背包、高部位背包以及手提包）對18名兒童地面反作用力的影響，其結果表明手提包對于地面反作用力影響最大，并且建議通過調整肩帶的位置可減少書包對身體平衡的影響。

3.2 關于足底壓力的影響

當人體自然站立時，雙腳各部位的地面反作用力占體質量的百分比情況相差不大。由于受自身生理條件影響和個人生活習慣影響，使得不同人產生的足底壓力也有不同。

Keijsers研究表明對于前掌疼痛的受試者，第二跖骨和第三跖骨下的壓力-時間積分和平均壓力明顯較大。并且對腳前掌疼痛分類的表現說明，前掌疼痛與足底壓力分布的關系大于與固定位置壓力絕對值的關系。而Bus以23名患有糖尿病足患者為受試者進行足底壓力的測試，其結果表明：足底壓力分析是一個有效的工具，通過其進行評估和指導鞋的修改，可以顯著降低壓力的神經性糖尿病足。Yung研究了鞋跟高度分別為1.0cm（平）、5.1cm（低）和7.6cm（高）對足底壓力的影響，結果表明，隨著腳跟高度的增加，步行時的沖擊力、前掌內側壓力和感覺不適感均增加。高跟鞋鞋跟杯墊有效地降低了鞋跟壓力和沖擊力，足弓支撐墊降低了前掌內側壓力，提高了鞋的舒適性。特別是，TCI減少了25%的足跟壓力和24%的前掌內側壓力，減少了33.2%的沖擊力，并提供了更高的舒適感。

在臨床上步態壓力特征可以反映多種肌骨系統疾病，如膝關節炎、骨折術后等疾病，在運動康復中可以設計合理舒適的鞋/鞋墊、假肢等來提高人體舒適程度，促進病人康復或提高運動員成績。因此針對于足底壓力的研究顯得尤為重要。

4 有關負重行走的肌肉活動研究

當人體進行周期性的運動時，相關肌肉會產生周期性的收縮-放松運動，因此就會產生周期性的電信號（動作電位）。表面肌電信號可以記錄運動時肌肉活動的電脈沖，現在已經作為一種可視、無創、安全、簡單的測量肌肉活動的依據。因此，肌電信號作為臨床醫學診斷，康復醫學，運動生物力學領域常常采用的方法，現在國內外有許多學者對此進行了大量研究。

Hong研究了兒童長時間負重下對于肌肉活動和疲勞的影響，結果表明，身體重量15%的負重下當步行達到15min時，下斜方肌的肌肉活動顯著性增高。因此為了避免疲勞，建議兒童背包負重不超過15%，且步行時間不超過20min。Liu等探討背包負荷對斜坡行走時腿部肌肉活動的影響，10名男性以1.11 m/s的速度在不同等級的斜坡上（等級：0、3、5和10°）背負不同的負荷（負重：0、10、20和30 kg）進行行走時，隨著荷載質量和坡度的增加，尤其是在10°坡度下行走時，髖關節、膝關節和踝關節伸肌的平均肌電信號普遍上升。

Simpso 等在背包負荷對女性徒步者長時間負重時下肢肌肉活動模式的影響研究中表明：15名女性負載四種不同載荷行走超過8千米時，脛骨前肌疲勞明顯，表明在長時間的遠足過程中，該肌肉的功能作用可能受到損害。并且隨著負荷質量的增加，股外側肌、半腱肌和腓腸肌的肌電信號也隨之增加來維持下肢穩定性和幫助減震。然而，僅在參與者攜帶40%體重負荷時股外側肌和股二頭肌共同激活的顯著變化才明顯，這表明攜帶40%體重負荷可能改變膝關節負荷并造成損傷風險。因此作者建議負重載荷為30%的自身重量時，才能更好的降低女性休閑遠足者進行約8公里長時間遠足時的受傷風險并且最大限度地減少下肢肌肉激活模式的變化。

5 有關負重行走的能量消耗研究

負重行走作為比較常見的運動行為，是構成日常生活能量消耗的重要部分。不同環境，不同運動模式，不同的身體機能狀態所需的能量具有差異。現目前常用的測量能量消耗的方法是氣體代謝測試，因此在當前背景下，許多學者利用氣體代謝法測定人體運動時的能量消耗來探討運動中的能耗。

Berryman等研究了老年人步行和跑步機代謝能量消耗的比較，年齡為65-83歲的老年人以不同速度（0.67，0.89，1.11，1.33和1.67m/s）行走，結果表示老年人在跑步機上行走要比在地面上行走需要更多的代謝能量。Marcus等研究了分級步行和非分級慢跑對于心率、氣體代謝、自覺疲勞的影響，實驗結果表明慢跑試驗產生的心率明顯高于步行試驗。證明了在分級步行和非分級慢跑時，自覺疲勞量表的數據不會產生類似的心血管和代謝反應。結果表明，對于一個給定的自覺疲勞等級，慢跑提供了一個更大的刺激健身效益和熱量消耗。Greiwe等研究步行和慢跑時的能量消耗，認為當跑步機大于等于8.8km/h的慢跑相比，步行時的耗氧率、每英里的能量消耗以及心率明顯增高。岳書芳比較超重成年女性走和跑的攝氧量和能量消耗，其結果顯示，速度為7.0km/h時，超重人員和體重正常人員健步和跑步相比，單位體重凈能量消耗、凈能量消耗、心率和RPE均明顯較高，即與跑相比健步走消耗的能量更多。速度為6.0km/h時，超重人員和體重正常人員跑步的凈能量消耗均明顯高于健步走，即與健步走相比跑消耗的能量更多。

因此對于不同負重狀態下探究負重行走的能量消耗對了解運動與健康的關系、制定個性化運動處方而言都十分重要，對提供科學的運動建議和改善健康有著重要的意義。

6 有關懸浮系統負載背包的研究

為了減輕負荷，人們嘗試了許多方法。一些研究人員設計了外骨骼，將載荷傳遞到地面。然而外骨骼系統作為機械承擔負重比較麻煩，受試者在登山越野等復雜環境中運動時較為困難。因此一些學者開發了一種帶有主動和被動模塊的可穿戴的上肢裝置，它可以將部分背包載荷從肩部傳遞到骨盆，降低代謝成本，并且可以潛在地降低肌肉骨骼損傷和肌肉疲勞的風險。

關于在運動時負重在背部的移動，懸掛式背包可以減少負重相對于地面的垂直移動，從而降低作用在佩戴者身上的動態峰值力，降低佩戴者在運動過程中的代謝成本。因此一些研究人員已經建立了彈簧-質量-阻尼器模型來評估懸架系統的性能。與普通剛性負載相比，降低負重減震系統的固有頻率和阻尼可以有效增加人體在負重時的穩定性。

Hoover和Meguid的研究發現，與典型的徒步旅行包相比，懸浮負載背包可以顯著減少背包的峰值負載，同時以較快的步行速度承載較大的負載。但是由于背包和步行者之間的同相振蕩，懸浮負載背包在低負載情況下的性能較差。因此Keren研究了定時離合器在懸浮背包上的能量消耗和運動周期的穩定性，結果發現，彈性的懸浮背包與剛性系統下的普通背包相比，可以顯著降低能耗。Li等認為在懸浮背包的共振頻率附近，能量消耗增加，并且隨著速度和負重載荷的增加，能量消耗變化更為顯著。

因此隨著國內外學者對懸浮系統背包的研究不斷深入，攜帶懸浮背包在不同負重下進行不同形式運動也變得更加流行。

基金項目：本論文系江蘇省省級大學生創新創業項目基金，項目編號：202010330015Z。

（作者單位：南京體育學院）