手套对手部运动的影响：降低抓握动作的准确性

巫群瑶，唐日新，周仁来

(南京大学社会学院心理学系,南京 210023)

1 引言

手套是比较常见的个人防护设备，在进行徒步旅行和骑自行车等运动时，一副手套可以帮助手保持温暖，保护手不受潜在伤害；在射箭、击剑等运动中，使用合适的手套可以很好地握住器械，吸收冲击使双手免受伤害，并减少水泡和擦伤的可能性[1-2]；在工业领域中可以防止工人的手受到来自创伤(割伤、擦伤)、极端温度、化学、电能和振动[3]等的伤害。

尽管手套提高了动作过程中安全性，但手套对手部动作表现的影响也不容忽视。许多研究表明手套可能会对动手能力[4-8]、触觉敏感性[9-10]，握力[11-12]，肌肉运动和疲劳感[13-14]等产生消极影响。手套厚度是影响手部动作表现的重要因素之一。Muralidhar等人[3]发现被试戴着2层或者4层的棉质手套完成钉板任务、绳索打结任务时，使用4层手套完成任务的时间较之2层时显著增大。另外，Krausman和Nussbaum[8]在任务中使用了4种厚度的手套，发现戴着最厚手套执行文本输入任务时所花时间增加了9%，但正确率在几种手套之间没有差异。近来也有研究表明[15]手套的材质同样会影响手部动作表现，在使用裸手、丁腈手套、尼龙手套完成钉板任务，发现戴丁腈、尼龙手套较之裸手时会显著增加完成任务的时间，同时使用丁腈手套时错误率最高，研究者认为这是由于戴手套会降低手的触觉敏感性[16]，当触觉敏感性降低时，手无法获得必要的触觉反馈来成功执行任务[17]。

在航天航空领域，航天手套是航天员进行操作活动的重要终端，对航天员在压力应急状态下或航天器舱外活动中的工作能力具有重要的影响。保障安全和方便操作是对于航天手套的基本要求。抓握与指点都是指向目标的简单日常行为，动作的速度和准确性在动作过程中存在权衡[18-19]，手套对这两个动作的影响，尤其是会影响动作的准确性还是速度，目前未见相关研究。在航天任务中，航天员需要佩戴手套抓握扶手固定身体，或者拿取工具进行维修，或者按某个按钮进行操作，这些动作在太空微重力环境下将变得非常困难。因此，研究手套如何影响抓握和指点动作对于航天手套设计，航天任务设置等方面有一定的参考意义。

2 研究方法

2.1 被试

南京大学 40 名本科生和研究生(男18女21),一名被试因身体原因退出实验，均为右利手,年龄在18-25岁之间,所有的被试无神经系统及运动系统的疾病史，左右手臂都能自由伸展，视力或矫正视力正常，没有色盲或者色弱，被试均是自愿参加实验，且事先不了解实验目的，实验结束后会支付所有被试相应的报酬。

2.2 方法

2.2.1 实验设备和材料

本实验在室内日光灯照射环境下进行。被试的动作数据通过OPTOTRAK Certus 三维运动捕获系统(Northern Digital,Canada)来进行采集，采样频率为200 Hz,即每秒钟会收集被试200 个运动数据。抓握任务采用宽度不同的两种木块，其中大木块的规格是:10 cm × 5 cm × 1.5 cm。小木块的规格是:10 cm × 2 cm × 1.5 cm。指点任务采用直径不同的两种纸片，其中大纸片的直径为 5 cm，小纸片的直径为 2 cm。

实验处理使用的手套有两种，如图1所示，其中薄手套平铺时长22 cm，掌宽10 cm，纯棉材质，手掌部有防滑硅胶，厚度约为0.5 mm，适用于日常生活;厚手套平铺时长 27 cm，掌宽12 cm，材质为芳纶+nomex混纺，双面点硅胶，厚度约为3 mm，用于模拟航天手套(实际舱外航天手套更厚)。

(a)薄手套 (b)厚手套

2.2.2 实验设计

实验采取 的被试内设计，被试分别用左手、右手在3种不同实验条件下(裸手，戴薄手套，戴厚手套)完成实验任务。在抓握任务中有4个因变量指标，为反应时、峰值速度、运动时、最大抓握孔径，但是在指点任务中只有反应时、峰值速度、运动时3个因变量指标。研究的因变量由软件计算，反应时为被试手部动作速度达到20 mm/s的时间；运动时间是手部动作的速度大于20 mm/s到速度小于50 mm/s的时间；峰值速度(mm/s)是被试从离开开始按钮到拿起物品的过程中手腕的最大运动速度；最大抓握孔径(peak grip aperture,PGA)是被试运动过程中的食指和拇指之间最大的距离。我们把PGA归为动作准确性的指标，而峰值速度和运动时则归为动作敏捷性指标。

2.2.3 实验程序

被试坐在桌前，身体与桌子的距离约为10厘米，在实验过程中被试需要佩戴闭环设置(有视觉反馈)的液晶眼镜，在被试右手的食指上贴上运动传感器marker 点。以被试身体中心线为基线在正前方设置起始点，离起始点20厘米或40厘米处会呈现刺激物。被试的右手(左手)在每次运动前，放置于起始点处。主试会告知被试接下来的任务动作类型(指点/抓握)，要求被试在眼镜打开获得视觉反馈后尽可能快而准确地做出反应和完成动作。在抓握任务中，被试需要完成用食指和拇指抓握木块的中间部位的动作;在指点任务中，被试需要完成用食指指点纸片中心红点的动作。正式实验之前，先进行练习实验，练习实验数据不用于分析。

实验有2 × 3共6种实验条件，在每种实验条件下，刺激材料随机呈现，两种不同尺寸(大/小)的长方体木块，放在两个不同位置(远/近)，每种情况重复四次，被试需完成2(抓握指点任务) × 4 (材料情况) × 4(重复次数)共32个试次。在实验的每种条件结束后，被试会获得 5分钟的休息时间。整个实验被试需完成32×6=192个试次。

3 结果

数据 (剔除平均数上下三个标准差以外的数据) 采用SPSS 22.0 统计学软件分析，抓握任务的重复测量方差分析结果见表1，指点任务的结果见表2。

表1 抓握任务的重复测量方差分析结果

表2 指点任务的重复测量方差分析结果

3.1 抓握任务中的各因变量分析

(1)PGA

对PGA进行2 (左右手) × 3(手套厚度) 两因素重复测量方差分析，结果表明手套厚度的主效应显著，F(2,29) = 27.941,P<0.001,η2= 0.658，事后检验发现裸手下的PGA显著小于薄手套和厚手套情况下的，薄手套下的PGA也显著小于厚手套下的(P<0.05)，如图2所示；左右手的主效应不显著；左右手与手套厚度的交互作用也不显著。

图2 抓握任务下最大抓握孔径上的均值比较

(2)反应时

对反应时进行2 (左右手) × 3 (手套厚度) 两因素重复测量方差分析，结果表明左右手、手套厚度的主效应均不显著，左右手与手套厚度的交互作用也不显著。

(3)峰值速度

对峰值速度进行2 (左右手) × 3(手套厚度) 两因素重复测量方差分析，结果表明左右手、手套厚度的主效应均不显著，左右手与手套厚度的交互作用显著，F(2,29) = 6.846,P<0.05,η2= 0.321，简单效应分析表明：在薄手套的情况下，右手运动的峰值速度显著大于左手的(P<0.05)。

(4)运动时间

对峰值速度进行2 (左右手) × 3(手套厚度) 两因素重复测量方差分析表明，左右手、手套厚度的主效应均不显著，左右手与手套厚度的交互作用也不显著。

3.2 指点任务中的因变量分析

(1)反应时

对反应时进行2(左右手) ×3(手套厚度) 两因素重复测量方差分析表明，左右手、手套厚度的主效应均不显著，左右手与手套厚度的交互作用也不显著。

(2)峰值速度

对峰值速度进行2(左右手) ×3(手套厚度) 两因素重复测量方差分析表明，左右手、手套厚度的主效应均不显著，左右手与手套厚度的交互作用也不显著。

(3)运动时间

对运动时间进行2 (左右手) ×3 (手套厚度) 两因素重复测量方差分析表明，手套厚度的主效应显著，F(2,26) = 3.842,P<0.05,η2= 0.228，事后检验发现裸手和薄手套下的运动时间显著小于厚手套情况下的(P<0.05)，而裸手和薄手套之间无显著差异，如图3所示；左右手的主效应不显著，左右手与手套厚度的交互作用也不显著。

图3 指点任务下运动时间的均值比较

4 讨论

航天服手套是航天服的重要组成部分，提供了航天员手部的操作活动能力和必要的防护性能[20]，研究手套厚度对手部动作的影响在航天领域也有一定的现实意义；在目标导向运动中，提高动作的准确性需要以降低速度为代价[18]。那么戴手套是否会对这种相互关系产生影响呢？因此本研究通过评估在裸手、戴薄手套、厚手套3种情况下完成抓握、指点动作的表现，发现在抓握过程中，手套厚度会影响抓握动作的准确性，但几乎不影响动作的敏捷性/速度，而在指点动作任务中，手套厚度会影响完成任务的运动时间。

(1)手套厚度影响抓握动作的准确性。当指向或者抓握物体时，动作速度快则准确性降低，而动作更准确则速度会变慢[18]。最大抓握孔径是受抓握物对象大小影响的，但当面对大小相同的抓握对象，最大抓握孔径(PGA)越大，说明被试抓握动作越不准确。实验结果表明戴厚手套的情况下的最大抓握孔径(M=70.290 mm)显著大于裸手情况下(M=58.452 mm)和戴薄手套(M=61.522 mm)情况下的最大抓握孔径，戴薄手套情况下的PGA也显著大于裸手下的，即被试在戴厚手套或者薄手套进行抓握时准确度下降，说明手套厚度会影响手部动作的准确性。同时观察PGA的变化趋势可以发现，PGA随着手套厚度的增加而增大，手套厚度越大，动作的准确性下降越大。但在反应时、运动时间等指标上，手套厚度之间无显著差异，表明戴手套不影响手部动作速度，也就是说手套厚度没有影响手部动作的敏捷性。

(2)手套厚度影响指点动作的运动时间。裸手和薄手套下的运动时间显著小于厚手套情况下的，而裸手和薄手套之间无显著差异。这表明在戴厚手套的情况下，被试在完成指点动作时会花费更多的时间，被试动作的平均速度下降，也就是说手套厚度会影响指点动作的速度。

(3)另外，在对指点任务中的材料变量进行3(手套厚度)× 2(距离远近)× 2(材料大小)的重复测量方差分析后，我们发现在指点动作中，即使是戴上手套，刺激材料的大小和远近对运动时间也有显著影响，这与菲茨定律(Fitts’Law)是一致的，任意一点移动到目标中心位置所需的时间，与该点到目标的距离和目标的大小有关[21]。本次指点实验数据结果显示，纸片距离对左手和右手的运动时间都存在显著影响(P<0.05)，菲茨定律在被试戴上手套完成任务时也依旧成立。

本研究表明，戴手套会降低抓握动作中的准确性，以及降低指点动作的平均速度；按照速度-准确性权衡的关系，准确性降低时，速度应该有所提升，这可能是由于手套厚度的影响，使得这一相互关系在横向比较上不成立。宇航员在完成太空作业，如修复航天器、组建或维修空间站等需要抓握工具或者按按钮，从本实验可以看出手在完成抓握或指点动作时对手套厚度敏感。因此，在航天环境中，建议增大航天作业所使用的装备部件的体积，这样方便宇航员完成更稳定更准确的抓握，或者在航天手套制作中，尽可能的减少手套厚度，以此增加舱外戴手套的作业效率。

5 结论

(1)手套厚度影响抓握动作的准确性，动作的准确性随着手套厚度的增加而下降。

(2)手套厚度影响指点动作的运动时间(速度)。

(3)在戴手套进行指点动作时，其动作规律也符合菲茨定律。