緊身服裝在冬奧競速運動項目中的研究與應用現狀

楊宸灝 ，楊 洋 ，胡 齊 ，肖松林 ，劉 莉 ，傅維杰 *，劉 宇

作為2022年第24屆冬季奧林匹克運動會（以下簡稱“冬奧會”）的東道主，中國迎來了冬季運動競技體育、大眾體育的新篇章（王誠民等，2014）。一系列國家重點研發計劃“科技冬奧”重點專項的啟動，意味著新一輪體育科技助力必將成為我國冬奧會取得優異成績的關鍵。這其中高科技運動裝備是現代奧林匹克運動中助推運動員不斷突破人類極限必不可少的“利器”，而富含科技力量的緊身服裝（緊身衣、褲、襪、連體服等）早已被用于諸多運動項目中，其對運動表現的促進功效一直是近年來體育科學的研究熱點（Fu et al.，2013；Ⅹiong et al.，2018）。

緊身壓縮服裝在體育科學領域應用研究已累積了相當的基礎并形成了一定的體系（Machado et al.，2018；Pérez et al.，2019；Snowdon et al.，2018），但針對特定的冬奧項目，如速度滑冰、高山滑雪，研究基礎仍然相對薄弱。我國相關體育科研工作尚在起步階段，這也與我國冬季運動的推廣與普及相對較晚有關。而國外針對冬奧各項目特點已陸續開展相關研究，例如：1）服裝的減阻功效（Bardala et al.，2012；Oggiano et al.，2012；S?tran et al.，2008）；2）對肌肉功能以及力學表現的促進（Decker et al.，2016；Moon et al.，2016；Sperlich et al.，2014）；3）對組織代謝與疲勞恢復的影響（Billy et al.，2013；Govus et al.，2018；Sperlich et al.，2014）。

本研究通過檢索中外文數據庫（WoS、PubMed、Sport discus、EBSCO、百鏈外文數據庫、中國知網、萬方數據庫等），文獻發表時間為2000年1月—2019年6月。英文關鍵詞：speed skating、bobsleigh、luge、skeleton、alpine skiing、cross-country skiing、compression suits（competition suits、skinsuit、garment、clothing）；中文關鍵詞：速度滑冰、短道速滑、雪車、雪橇、鋼架雪車、高山滑雪、越野滑雪、緊身服裝（緊身服、比賽服、速滑服）等，關鍵詞通過布爾操作符（AND和OR）連接進行檢索。通過文獻篩選最終獲得中、英文文獻共18篇，時間跨度從2004—2018年。其中近10年的文章約占83%，2010年以前多為關于減阻功效的空氣動力學研究，其后研究內容日漸豐富，包括能量代謝、肌肉力學表現、疲勞恢復等方面（圖1）。

圖1 緊身服裝研究在冬奧競速類項目中的分類及占比Figure 1. Classification and Proportion of Compression Garments Researches in Winter Olympics

1 冬奧競速類項目緊身服裝特點概述

相較于夏季項目，冬季項目緊身服裝除了具有貼合皮膚、吸濕排汗等功能外，還需要滿足極端環境下空氣動力學的獨特需求，且力求能針對各項目特點在技術動作、肌肉功能及疲勞恢復方面幫助運動員提升運動表現（李釗 等，2019；Born et al.，2014；Kruk et al.，2018b；Schenau et al.，1990，1985）。

競速類運動項目在冬奧會中占比較重，包括：速度滑冰、短道速滑、高山滑雪、越野滑雪、速度滑雪、雪車、雪橇、冰橇等。其中，不同項目對緊身比賽服的功效各有要求，如速度滑冰與短道速滑的平均速度約為35～40 km/h（Brownlie et al.，2012），與夏季奧運會的自行車項目速度相近；高山滑雪、雪車與雪橇等的平均速度可達100 km/h（李釗等，2019），這使得緊身服裝的空氣動力學設計成為影響成績的重要因素。除減少氣動阻力外，速滑運動有大幅度和高頻率的肢體運動，例如，擺臂、蹬冰等動作；高山滑雪與越野滑雪中上肢控制雪杖支撐、蹬冰式滑雪動作等，要求緊身服裝具備減阻功效的同時應兼具壓縮舒適、優化皮膚接觸、吸濕排汗等功能以保證技術動作的充分發揮。雪車、鋼架雪車、雪橇項目均是運動員操控雪車或雪橇在固定的滑道上完成比賽。運動員通過控制重心或操控舵來控制滑行方向，除起步階段外比賽過程中無大幅度肢體動作，所以在此項目中的首要任務即是通過身體姿勢、服裝和裝備減少賽道和空氣阻力從而提高速度。

以速度滑冰緊身服裝為例，1974年，瑞士速滑運動員Krienbühl首次使用了由滑冰服改進的速滑緊身服裝（Kuper et al.，2008）。20世紀末，裝備廠商開始設計一些減阻結構應用于速滑緊身服裝，例如，1998年長野冬奧會上荷蘭速滑運動員首次穿著由Hunter公司研發的減阻緊身服，該服裝頭部和小腿上帶有鋸齒狀減阻條結構（圖2左）；1996年Nike運動研究實驗室（Nike sports research lab，NSRL）開始著手速滑緊身服裝研究，于2000年發布第一代SWIFT Skin緊身速滑服。同時Mizuno、Descente和Hunter等品牌紛紛加入競爭行列，這些速滑服有相似的設計，其面料大多采用類似于高爾夫球上的蜂窩結構的粗糙紋理結構（圖2右，a～d），減少尾流的湍流現象以達到減阻效果（Chowdhury et al.，2015）。眾多速滑緊身服裝中，Nike公司推出的SWIFT Skin系列速滑服創造了優異的成績。例如，2002年鹽湖城冬奧會上，使用SWIFT Skin速滑服的運動員奪得了30枚獎牌中的16枚，創造了8項世界紀錄。

圖2 Hunter公司Nagano speed strip減阻結構（左）；電子顯微鏡放大倍率100倍下各速滑服的纖維結構（右）（Chowdhury et al.，2015；Kuper et al.，2008）Figure 2. Nagano Speed Strip Drag Reduction Structure ofHunter Company（Left）；Fiber Structure of Skating Suits at Magnification 100 Times of Electron Microscope（Right）

針對性的探討不同項目緊身服裝的減阻效果、優化技術動作原理，針對不同冬季項目的生理學、力學特點探討緊身服對代謝、力量表現等方面的影響，是全球緊身服裝基礎研究形成一定體系后學科逐漸細化、項目針對化的結果。未來針對我國運動員體型及生理學特點、運動學特征的冬奧緊身服裝研究和應用，形成人體工效學評價體系，促進我國運動員提高運動成績，仍然有較大的空間和廣闊的前景。

2 緊身服裝的減阻功效

冬奧競速類項目緊身服裝的體育科學研究早期主要是針對其減阻功效，開展風洞試驗，模擬各項目的速度、運動員比賽姿態以及人體測量學數據，涉及項目包括速度滑冰、高山滑雪、越野滑雪和雪橇。通過探究不同材料及其拉伸度，以及對不同材料使用部位的氣動阻力特性來對緊身服裝的減阻功效進行評估。空氣動力學一般通過阻力系數（drag coefficient，CD）來評價材料的減阻性能，氣動阻力（D）與 CD的關系如下（Chowdhury et al.，2015；Oggiano，2010）：

式中ρ表示氣體密度，v表示氣流速度，A表示迎風面投影面積。

早期的空氣動力學研究多由一些公司開展，主要用于商業研發，例如，2004年Nike公司報告的一項SWIFT Skin速滑服的研發測試（Brownlie et al.，2004），使用基于15名優秀短跑運動員與16名優秀速滑運動員人體測量學特征的人臺，測量基于39種“SWIFT”織物生產的單一或組合面料制成的緊身服套裝，測試表明性能最佳的速滑服氣動減阻可達20.2%。之后的一項關于速滑服裝減阻效果的研究正是基于Nike、Hunter等商用品牌比賽服進行對比，Kuper等（2008）對2002年鹽湖城冬奧會速度滑冰項目所有運動員的成績進行了分析，統計了包括SWIFT Skin在內的5個品牌比賽服使用前后的成績，分析其對比賽成績的直接影響。但研究結果顯示，修正天氣狀況、主客場優勢、年齡、體重等因素造成的偏差后，各品牌減阻比賽服并沒有使成績顯著提升。

此后便有研究者對冬奧競速類項目緊身服裝的空氣動力學機制進行了更多的探討，如Oggiano等（2010，2012）進行了時間跨度5年的系統研究（表1）。實驗使用風洞測試在模擬1 500 m速度滑冰直道滑行姿勢的人臺上進行，對比了頭部、上肢、軀干、大/小腿對不同面料減阻效果的影響，通過對比各身體環節迎風面積、角度等參數，發現大腿是對面料選擇最為敏感的部位，即迎風面積較大、角度垂直且拉伸范圍大（S?tran et al.，2008）。Oggiano等（2010）對越野滑雪比賽服的研究發現，一定規律的粗糙表面使滑雪服降低阻力10%。此結果與Chowdhury等（2015）的研究結果類似，表面粗糙的面料在柱形試驗臺上50～60 km/h風速之間出現CD驟減。考慮到粗糙材料拉伸過后表面結構的改變，Oggiano等（2012）探究了越野滑雪和高山滑雪比賽服材料在不同拉伸度下的材料減阻性能，均使用柱形實驗臺進行風洞測試，其結果類似，同一面料拉伸度不同會改變材料原有的表面結構從而改變CD。

緊身服裝的裁剪拼接以及附加減阻結構也是減少阻力的關鍵（Kuper et al.，2008），如Nike SWIFT Skin速滑服接縫方向與氣流方向一致或位于遠離迎風面的位置，并且某些部位采用整體設計以減少因拼接處褶皺增加的阻力（Brownlie et al.，2004）。此外手臂下方和右大腿內側設置低摩擦板以減少擺臂和蹬地過程中的摩擦力。荷蘭Hunter公司推出的Delta?-Flash緊身速滑服（Braghin et al.，2016），采用的是連體設計理念并結合“速滑條”結構（位于頭和大腿部位的光滑橡膠材料）。日本Descente公司Vortex?C2速滑套裝，服裝通過在大腿和前臂的螺旋狀硅條來控制湍流，并對硅條的不同形狀、尺寸、位置進行了驗證。

在競速類冬奧會項目中，緊身比賽服可以作為減小氣動阻力的途徑之一。目前研究認為，產生效果的機制包括：1）材料的延展性能提供合適的壓力，保證包裹貼合皮膚防止比賽服或皮膚產生褶皺增大迎風面積（Spring et al.，1988）；2）光滑表面利于流線型結構減少摩擦阻力（Chowdhury et al.，2015），而人體肢體與柱形結構相似，針對柱形結構尾流中湍流的形成，一定粗糙的表面改變氣流流經邊界層尾部分離點，減少湍流的形成，從而減少迎風方向前后的壓差阻力（Bardala et al.，2012）；3）身體特定部位可以設置減阻結構從而進一步減少肢體間阻力。但是，從運動員自身出發，我們也不排除緊身服裝可以通過不同緊度及緊度梯度設計，或特定的裁剪設計影響運動員比賽中的身體姿勢，從而優化不利減阻的技術動作，輔助維持有利于減阻的身體姿勢等。

表1 挪威Oggiano團隊針對緊身服裝部位、面料及拉伸度系統的研究Table 1 Norwegian Oggiano Team’s Research on Compression Garments’Position，Fabric and Stretch System

3 緊身服裝對能量代謝、肌肉功能以及力學表現的影響

目前，緊身服裝幫助運動員提升運動表現的研究，涉及肌肉功能、力量表現、生理和能量代謝、損傷防護等（傅維杰 等 ，2015；Hooper et al.，2015；?ambaher et al.，2016；Smale et al.，2018）方面。但針對競速類冬季項目緊身服裝的體育科學研究起步較晚，原因可能是因為研究環境相對極端，開展科研工作難度相對較大。

越野滑雪、速度滑冰包含長距離的分項（Winke et al.，2018），這對運動員的速度耐力提出了一定的要求，因此Sperlich等（2011）針對以上項目進行了系統研究（表2）。首先，探討了不同比賽服對精英越野滑雪運動員生理學方面的影響，受試者穿著N（79%聚酯纖維18%氨綸3%碳纖維）與O（80%聚酯纖維20%氨綸）兩種全身壓縮比賽服，結果顯示，在同樣運動成績的情況下，穿著N比賽服運動員的攝氧量、每分通氣量、呼吸交換率、心率、皮膚溫度和核心溫度均較低。該研究認為，N比賽服提高了越野滑雪的經濟性，其原因可能是其重量較輕，導汗吸熱性能更佳，研究并未探討服裝壓縮本身的生理學效果。進一步，該團隊測試了有/無壓縮作用的長袖比賽服對越野滑雪雙杖沖刺（double-poling sprint）的影響，而結果顯示，輸出功率、心肺參數、肌肉氧合、血容量等并未受到壓縮作用的影響（Sperlich et al.，2014）。此結果與該團隊同期對速度滑冰運動員壓縮褲的測試結果基本一致（Born et al.，2014），但不同的是速滑運動員左/右股外側肌氧合作用不對稱，該研究認為這可能是由于速度滑冰彎道時左右腿蹬冰動作不一致造成的。

肌肉功能與力學表現方面，已有研究證明緊身服裝可以減少運動中軟組織振動（傅維杰等，2015；Doan et al.，2003）。高山滑雪速度可達到 140 km/h（Bardala et al.，2012），同時要求運動員做出轉向、跳躍等技術動作（Gilgien et al.，2014）。對于此類具有更高速和高沖擊力特點的運動，壓縮性能優越的緊身服裝對肌肉振動的改善可能更具意義。Billy等（2013）通過實驗室模擬高山滑雪振動以及負重情況，發現腿部壓縮可以影響滑雪姿態，壓縮作用越大屈膝角度越大，同時肌肉振動隨壓力增加而減小，自我感知用力（perceived exertion）則在有壓縮條件下更低，而腓腸肌內側頭、股直肌、股內側肌的肌電活動均因壓力而升高。這一結果與Moon等（2016）研究發現相反，腿部壓縮可使速滑運動員在維持伸膝力量的情況下降低股直肌激活程度。針對此情況，有系列研究通過對下肢緊身壓縮條件下運動員進行3種肌肉收縮模式（等長、等動、等速收縮）以及落地反跳動作的力量輸出和肌肉激活參數進行測試，結果顯示，雖然緊身壓縮并未影響肌肉力量、爆發力、縱跳高度等，但在維持相似的力量輸出和運動表現的情況下可以降低肌電活動，研究認為，這對長時間運動下減緩疲勞積累、提高疲勞表現有積極作用（傅維杰 等，2015，2010；熊曉潔 等，2009；Zhang et al.，2016）。

有研究認為，緊身服裝影響本體感覺使運動員技術動作發生改變，從而優化技術動作（Britto et al.，2016；Doan et al.，2003；Zamporri et al.，2018）。 Decker 等（2016）通過足底壓力特點探討壓縮褲對高山滑雪彎道技術的影響，結果顯示，穿著壓縮褲時垂直地面反作用力（vGRF）減小9%、壓力中心（COP）移動速度降低14%且COP位置更靠前內側腳掌，認為這是動態平衡能力提升的表現。另外該團隊Simons等（2016）對穿著緊身比賽服情況下高山滑雪的運動學與肌電進行分析，該研究相比Billy等（2013）優勢在于，實驗是在滑雪賽道上進行，但結果類似，壓縮褲條件下屈膝增加3%、屈髖增加5%，同時股外側肌、股直肌、臀中肌的肌肉激活分別降低17%、17%和26%。以上研究進一步驗證了通過緊身比賽服優化技術動作的可行性。值得關注的是，Simons等首次使用了慣性測量單元（inertial measurement units，IMUs）采集冬季競速項目的運動學參數用于緊身服裝研究。技術優化、運動表現提升一般可以通過肌肉、關節力與力矩，肢體運動角度、角速度等外在表現來評定，所以生物力學方法是作為評定緊身服裝功效的手段之一（Song et al.，2017），近年來圖像處理系統（image processing systems，IMS）和IMUs已被用于戶外運動的運動捕捉中（Kruk et al.，2018a），適用于涉及空間大，運動速度較快的項目，這對于更深層次的了解各冬奧競速項目運動學特征，探討緊身壓縮條件下影響運動員運動表現的內在機制可以提供一定的幫助。

表2 德國Sperlich團隊針對緊身服裝促進運動表現的研究Table 2 German Sperlich Team’s Research on Sports Performance for Compression Garments

4 緊身服裝對疲勞恢復的影響

體育比賽中運動疲勞得到充分恢復是運動員在訓練和比賽周期中保持成績的關鍵，尤其是對于短距離爆發力項目（短道速滑500 m分項等）和長距離耐力項目（越野滑雪男子50 km與女子20 km分項等）。有研究證明，緊身服裝可以促進運動后的疲勞恢復（Kim et al.，2017；Machado et al.，2018；Nguyen et al.，2019；Pérez et al.，2019）。

Govus等（2018）對32名高水平越野滑雪運動員比賽前后的血乳酸、肌酸激酶、血尿素、垂直縱跳高度以及自我感知疼痛等指標進行了測試，隨機分為緊身服組（n=11）、神經肌肉電刺激組（n=11）與對照組（n=10），分別于比賽前、賽后即刻、賽后8 h、20 h、44 h和68 h采集相關參數，結果表明，緊身服與神經肌肉電刺激與對照組相比均無明顯作用。該研究認為，受試者數量、恢復期飲食等生活因素以及實驗運動強度與實際訓練和比賽的差異造成了該研究存在一定的局限性。該研究是目前較少以緊身服裝促進疲勞恢復為主題，以冬奧會競速類項目為對象的研究。

在針對其他體育項目的研究中，緊身服裝對疲勞恢復依然具有一定的影響。有研究已證明，通過穿著緊身衣褲可以促進肌肉力量以及做功能力的恢復、減少延遲性肌肉酸痛（DOMS）（Bottaro et al.，2011；Glanville et al.，2012；Goto et al.，2014；Molly et al.，2018）、促進運動性肌損傷（EIMD）恢復（Arbabi，2015；Kraemer et al.，2001）。在代謝方面，緊身服裝也可以改善運動后的乳酸清除（Duffield et al.，2010；Saulo et al.，2015）、增加血氧飽和度（Dermont et al.，2015）等。冬奧會競速項目各具特點且技戰術特點鮮明，例如，越野滑雪涉及直道、上坡及下坡賽道；滑冰比賽可采取跟滑或領滑戰術，多變的賽道因素與技戰術因素使各項目生理學、運動學特征存在差異。因此，探索其疲勞機制及緊身服裝可能帶來的影響仍有很大空間。

5 總結與展望

近10年來，緊身服裝成為體育科學領域的研究熱點，涵蓋的學科包括運動科學、服裝學、人體工效學、生物力學、生理學等，且涉及體育項目眾多并更具針對性。隨著備戰2022年北京冬奧會工作的全面開展，緊身服裝是冬奧競速類項目中不可或缺的“利器”。其特點在于，可針對不同項目特點，集成壓縮功效、保暖、防護、減阻等多個功能為一體，必將成為冬季項目體育科研的重點。但需要指出的是，目前我國鮮有獨立系統開展對于該類緊身服裝的研究，一定程度上限制了針對冬奧會緊身服裝的本土開發及對其內在機制的理解。

現階段國內外研究主要聚焦緊身服裝減阻功效以及其對能量代謝、肌肉功能、力學表現以及疲勞恢復的作用，并已取得了一定的基礎。未來研究可更多地致力于探究：1）有效模擬項目特征，如比賽速度、運動員人體測量學、比賽溫度等；2）服裝表面微結構設計（如凹坑減阻）以及減阻彈性材料在人體表面拉伸度以及動態動作對材料本身的影響；3）運動員實際比賽時的生理學、生物力學特征，如能量代謝特點、身體姿勢等運動學特征、技術動作動力學表現等，從而針對性的對特定項目的緊身比賽服研發提供理論依據。

未來緊身服裝在冬奧會競速類項目的應用研究，可以在借鑒夏季運動的運動科學方法的基礎上，更加聚焦于探索此類項目各自的特點，使研究更具有項目針對性，進一步指導特定項目緊身服裝的開發應用，使緊身服裝真正成為集各項功能為一體，對運動員突破極限提供一定幫助的高科技產品。