石裕川

行軍背包設計與負荷之研究

服務機關：國防大學管理學院運籌管理學系

姓名職稱：石裕川教授

派赴國家：德國

出國期間：2012/02/17~08/16

報告日期：2012/9/20

摘要

2012/02/17搭乘新加坡航空前往慕尼黑，2012/08/16返抵國門。期間在慕尼黑工業大學進行背包研究與實驗。同時與博生互動，談論歐盟在駕駛模擬的研究主題與人因在汽車節能的角色扮演，其中BMW更是大力支持，實足我等效法之。

一、目的

二、過程

三、心得與建議

附件:研究成果(題目：行軍背包設計與負荷之研究)

一、目的

前往德國慕尼黑工業大學進行短期研究。

二、過程

過程1
過程2

三、心得與建議

國防大學相關於教師進修或人員交流法規不足，應加強法規修訂。除修法讓研究人員多與國外交流之外，亦應儘速促進軍方內部人才交流，以回饋軍方。如國立大學教授都可借調至民間公司，以及國防役也可至民間公司服役，為何軍方內部人才不能交流？

附件:研究成果(題目:行軍背包設計與負荷之研究)

1.緒論

1.1 研究背景與動機

背包對一般人來說是生活中常見的攜行裝備，尤其背包依功能又可分為登山用、自行車用、休閒旅遊用等。對於背包的選擇係依個人喜好、用途等為最主要考量，Mackie et al. (2003) 比較了四種學生用背包：背包A有二個主要隔間、背部塞墊系統 (padding system) 和壓縮帶子 (compression straps) ；背包B包含一個可擴充的邊袋和防水袋；背包C的特色是有堅固的設計，圍繞在腰臀間的區域；背包D沒有特別為了學校使用加工，但是包含一個安全帶系統 (harness system) 和腰帶。在第一印象部分，以背包D最受喜愛；經過一番外觀審視後，仍以背包D較受喜愛，惟人數比第一印象時少；再經過實際背上背包行走20分鐘後(速度、重量自行調整)，以背包A最受喜愛。由此可知，背包的選擇已經從一開始的風格和形象轉變為以功能和適用性為優先考量。

對軍隊來說，行軍為迅速可得之運送方式之一，雖然在某些戰術考量下，可用輪車來運輸裝備及人員，惟基於戰術模擬訓練，行軍目前仍存在於國軍訓練任務。美國為了減少作戰人員傷亡率，設法為他們提供高科技武器裝備，卻也增加了作戰人員的負荷。過重的負荷對作戰人員的表現有直接的影響，使得機動力不易發揮 (鄭國城、張錦賢，2007)。現行國軍行軍背包負重為20公斤，依據Hong and Cheung (2003) 的研究，建議最大可接受之負重量為15%體重；Grimmer et al. (2002) 建議10~15%體重之負重量為最適宜之行走負重，相對於體重小於133公斤的國軍人員來說，行軍背包負荷已大於建議的15%體重。國軍對於行軍的背包、負重及速度已訂有相關準則（行軍規範如表1），在無法改變攜行量的情況下，如能以最經濟有效的方式負載，減少肌肉疲勞，不失為一個暫時解決生理負荷的方法。

有研究發現，身體在背負重量時，姿勢會改變，如過度或長期使用一側的肌肉，容易造成兩側肌肉不平衡，以致於影響正確姿勢的養成及骨骼變形 (吳子宏、李勝雄，1998；汪作良，2006) 。究竟何為最經濟有效的負載呢？除了背包本身材質、型式、支撐力量、特殊設計之外，還有背負方式的不同也會造成生理消耗的差異。多數研究指出，背包背負的位置位置愈高，愈節省生理消耗，惟仍有學者的研究與經驗法則相反，研究結果為上面位置產生最大的向前移位，所有部位的位移隨著負載增加呈現線性增加 (Grimmer et al., 2002) 。對於背包內部則以愈重的品項放置愈高的位置，較節省生理消耗 (Liu, 2007; Kristin et al., 2004)。

加拿大研究指出50%的陸軍士兵無法完成全程20公里行軍，報告顯示與背包有關(Knapik et al., 1992; Knapik et al., 1996)。國軍目前制式行軍背包（如圖1），雖然在規格（如圖2）、功能等方面已愈趨完善，然若能將人因工程的需求納入考量，而非僅顧及到堅固耐用，應能改善行軍績效及減輕人員負荷，持續作戰力。

1.2 研究目的

本研究之主要目的係以生理成本及主觀認知探討背包吸震設計對心搏率、行進時背包位移、肩部壓力，以及主觀評估的影響，期能在無法改變負載重量的前提下，降低生理成本，增進持久力，並減少行軍造成的傷害。

2.文獻探討

大多數人將物品以肩背方式攜帶，背包肩帶加諸於肩部的壓迫所構成的運動傷害是很常見的。研究指出，雙肩帶背包較不會導致脊椎橫向偏移和旋轉 (Pascoe et al., 1997) 。Martin and Hooper (2000) 的研究指出，背包的肩帶較窄會導致較大的壓力，且臀部帶子比腰部帶子可降低較多的肩部壓力。背包肩帶在長期負重登山健行中所給予肩部的壓迫力是造成體力負荷減退的主要原因，以及肩帶造成腕神經叢的麻痺，甚至引起肩部上端的紅腫現象都應受到重視（田文政，1987）。

行走時因為腳步的移動，帶動臀部的垂直移動，間接影響背包的垂直振動。當背包內部物品的配置未固定時，物品的垂直位移就容易造成背部或肩部斷斷續續的拉扯，尤其當物品很重或移動速度快時，地心引力及加速度就更大。有學者利用彈性的繩子在背包架構中懸掛負載來降低垂直的活動，研究顯示以時速5.6公里行走時，27公斤的垂直振動位移從原來的68.5公厘降低至26.5公厘，垂直振動降低主要是因為負載移動的量與架構的強度類似，且相對於地面接近180°的位移。這個降低導致最大加速垂直力量減少82%，所有最大垂直力量跌落至33%，且負載行走的新陳代謝消耗從固定背包的640W下降到600W (Lawrence et al., 2006) 。

心搏率是指每分鐘心臟搏動的次數，健康成人安靜時心搏率變動範圍在60～100次之間，平均為75次，當人體對外做工時需要額外的能量輸出，為因應能量輸出的需求增加，體內器官之運作及體液成分產生對應的變化，例如耗氧量增加、心搏率提升、血壓增高、呼吸頻率增加及體溫上升等。心搏率在固定的運動一開始即迅速提升，並在3～4分鐘後達到該運動強度應有的水準（林正常，2006）。一般用來評量運動強度的生理指標，即包括心搏率、換氣量、耗氧量、血乳酸甚至消耗的熱量等。因此，這些生理指標的變化成為衡量動態工作生理負荷之依據。表2即為相關學者以心搏率對工作負荷之定義，而運動強度和心搏率的量化關係因人而異，表3為參考之最大心搏率百分比與運動強度之對照表。

心理物理學法屬於實驗心理學 (experimental psychology) 的範疇之一，簡稱為心物法。主要是假設人們在做主觀知覺壓力評估時，可以整合生物力學和生理學上的壓力。此種方法是利用特定的工作情況當變數，在所設計的工作參數下，蒐集和量化受測者的工作結果，配合受測者的實際心理感受，訂定出工作人員的能力等級。換句話說，心物法主要是探討個體接受刺激與其所產生反應之間的關係。

本研究欲以主觀施力知覺量表 (Rating of Perceived Exertion, RPE) 實施運動強度之監測，此表已廣泛地運用在運動訓練及測驗上。此量表是由瑞典生理學家Borg (1972、1985) 所發展出來的，他認為知覺努力程度是身體盡力等級的最好指標，因為所有的知覺等級整合了由周邊的工作肌、關節、中央心血管及呼吸功能和中樞神經系統所引發的許多訊息來源。量表數值從6到20（如表4），代表非常輕鬆 (very, very light, 7) 到非常累 (very, very hard, 19) 。此量表可提供一個良好的運動強度估計，運動自覺量表值12和13所代表的運動強度約60﹪的保留心搏率 (heart rate reserve) 和最大耗氧量 (VO₂max) ，運動自覺量表值16和17所代表的運動強度約90﹪的保留心搏率和85﹪的最大耗氧量，不管是用在腿部和手臂的運動，這些範圍都是有效的。

3.研究方法

人在行走時產生的垂直振動，會帶動背包隨著臀部垂直振動，致使背包內的物品產生位移。根據Lawrence et al. (2006) 的研究，框架背包連結彈性繩，可減低物品的位移。故本實驗設計了一個應用吸震原理的背包架構，期能在行走時減低物品的位移，達到節省生理負荷的目的。實驗以模擬現行國軍行軍規範之負重標準，探討改良之背包架構對行軍績效的影響。

3.1實驗儀器及設備

1.跑步機：

2. 無線藍芽生理回饋儀

3.吸震設計背包架構：比照國軍迷彩背包規格。

4.加速規：量測行走時背包內部物品所產生之加速度。具備小而輕巧的設計，量測時震動幾乎不會影響到量測物，可使用特定膠水簡單安裝，可達一百萬次反覆量測。

3.2 實驗流程及步驟

（一）受試者基本資料之建立：

（二）實驗流程講解與示範：實驗前利用10分鐘，向受試者示範實驗動作，並說明實驗目的、方法、實驗終止的條件及實驗所需的時間。

（三）受試者穿著輕便運動服及運動鞋，並於實驗前自行完成暖身準備。

（四）實驗條件控制：

1. 坡度：依據許多學者的研究結果顯示，坡度愈大，能量消耗愈大 (Alberto et al., 2002)，因本實驗主要並非探討坡度的影響，故跑步機以固定坡度（0度）的方式實施。

2. 時間：由Quesada et al. (2000) 的負重行軍實驗得知，在耗氧量部分，當實驗進行至5分鐘時，不管負重與否，耗氧量皆達平穩狀態。Angelo et al. (2000) 的研究指出，15分鐘的時間範圍對從跑步機移動的運動學變數而言是可靠的量測方法。另外有研究指出身體正常的受試者其腰椎和骨盆角度的移動，在跑步機上以自主的速度或低速度行走，經過4分鐘之後，其量測的參數是可靠的 (Taylor et al., 1996) 。故設定行走時間為15分鐘。

3. 速度與負重: Christie (2005)評估南非軍人16種不同速度和負重組合的反應，以30位軍人為受試者，選擇四種速度（時速3.5、4.5、5.5和6.5公里）和四種負載（重量20、35、50和65公斤）進行實驗。結果顯示速度和負載增加會導致能量消耗增加，且明顯看出速度比負載對於能量消耗的影響更大，結論是最有績效的行軍時速應小於4.5公里，負載應小於20公斤。且研究指出負重對行軍績效有顯著負面影響(Matthew et al., 2007)，因此，本研究根據國軍標準，以常行軍為時速5公里及負重20公斤為實驗標準。

4. 休息時間：依據王俊豐（2008）的研究顯示，無負重行軍50分鐘，在休息5分鐘後心搏率便可恢復，故第一實驗與第二實驗相隔7分鐘，第二實驗與第三實驗相隔10分鐘，合計行走45分鐘，總計實驗時間67分鐘（含實驗開始前5分鐘）。

5. 重心位置：負載位置對行進效率是一個重要的因素，並且應該在設計及載重時考慮進去，將重的品項放在背包較高的位置也許可以改善個體執行長時間負載的能力 (Kristin et al., 2004)。因此，我們將重心位置設置在較高位置(離底部24.5公分)。

（五）實驗前量測資料：

1.休息時期心搏率 (HR0) ：

（1）將無線藍芽生理回饋儀之呼吸感應器與傳輸帶穿戴於胸部（乳線下緣），並將心跳感應器夾至受試者左手食指處，穿戴完畢後開啟相關儀器，量測時遠離電子產品避免干擾。

（2）受試者以最舒服之姿勢坐於椅子上，待心跳趨於平緩時實施量測，期間不得大聲說話或大動作改變姿勢。

（3）量測時間合計5分鐘，計算最後3分鐘之心搏率平均值為受試者個人休息時期之心搏率及呼吸頻率。

（六）實驗進行步驟：

1. 將無線藍芽生理回饋儀之呼吸感應器與傳輸帶穿戴於胸部（乳線下緣），並將心跳感應器夾至受試者左手食指處，穿戴完畢後開啟相關儀器，量測時遠離電子產品避免干擾。

2. 將壓力計感應端固定於與肩部接觸之背包肩帶部位，以量測行走時肩部斜方肌所承受的壓力(Pressure, P)。

3. 將加速規固定於背包架構承載物品之底盤，以量測物品振動時的加速度(Acceleration, ACC)。

4. 隨機選取吸震裝置之有無並開啟跑步機，將受試者之年齡、體重輸入，設定跑步機速度為5公里/時、時間為15分鐘，並不間斷進行資料量測。

5. 開啟、檢查所有量測儀器，確定訊號正常，待受試者心搏率及呼吸頻率與休息時期數據相同（上下不超過5次/分鐘)及受試者準備就緒時，開始實驗並記錄所有數據。

6. 受試者於跑步機實施15分鐘行走。開始行走後每5分鐘由受試者依Borg RPE 進行自我評估（6～20等尺度)。

7. 實驗中持續觀察及監測心跳(HRi)、肩部斜方肌所承受的壓力(Pi)，與加速度(ACCi)，並取每分鐘之平均值，以為受試者之相關實驗數據，便於進行後續評估作業。

8.實驗全程觀察受試者身體及心理反應，遇有不適狀況發生時即刻停止實驗。

9.結束15分鐘負重行走後，受試者休息7分鐘。

10.選擇另一吸震條件，並重複上述步驟。

3.3 實驗設計與資料擷取

（一）自變數：背包有無吸震

（二）因變數：心率變異 (HRi-HR0), 肩部斜方肌所承受的壓力(Pi)、加速度(ACCi)，以及肩部與小腿主觀知覺評量等級 (RPE)

4.結果

變異數分析結果如表5與6所示。吸震之有無會對心率差異與震動造成顯著影響，但不影響肩部壓力與RPE。從圖3發現背包的吸震裝置會降低心率，然卻伴隨較大的上下震動。此外，雖然心率與肩部壓力不隨行進時間之增長而增加，但背包的震動與RPE卻隨行進時間之增長而增加。

參考文獻

一、中文部分

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二、英文部分

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