我國運動生物力學發展趨勢與對策

高子晗

1 研究背景及意義

姜宗來認為運動生物力學是通過物理力學原理及其實驗技術來分析個體生物自然運動中力學原理的系統，主要是分析運動活動中人類行為的物理模式。從力學的角度分析，一般生物運動行為是神經系統、骨骼和肌肉群相互聯系的結果。神經網絡通過控制肌肉群完成對骨骼系統的條件反射，進而產生各種生理行為特征，這在生物學上至關重要。運動生物力學旨在分析研究普通生物體，通過人類骨骼肌運動產生的外力和收縮力的協調作用下整合生物行為規則。對人體行為的分析最早可追溯至15世紀，達芬奇進行力學與解剖學的早期分析為此后對人體組成器官的功能和形態進行初始分析奠定了堅實基礎。自進入1960年代開始，運動生物力學一直是一門學科分支，它的發展源于行為運動，科研設備和計算機編程的高速發展。直到1970年代中期，分析研究的目標過渡到了個體內的骨骼結構，肌肉組織和神經網絡，采用建立有效的數學模型來分析基本的實驗現象，進行數值模擬實驗。

我國的運動生物力學萌芽開始于上世紀中葉末期，早期階段存在少量體育機構和部門進行課程輔修、體育生物力學講座等模式，國家審核通過體育委員會研究所建立現代運動生物力學實驗小組。運動生物力學在許多研究領域中扮演著重要的角色，而且在中國運動體育的進步中承擔中流砥柱的作用。在當前階段，力學原理已逐漸轉化為分析有機個體，尤其是人體中的研究，生物力學已經發展成為覆蓋多個學科領域的重要體系。生物力學是運動生物力學產生的重要基礎，這是結合體育學科發展的新方向，其存在和發展已在理論、方法、測量和分析中得到公認。但是，在全面考慮運動生物力學和生物物理力學的現狀分析時，相關基本定義不夠完善，其發展存在一定局限性。

2 運動生物力學的發展趨勢

2.1 運動生物力學的研究現狀

2.1.1 研究方法

當前階段，運動生物力學研究主要通過理論分析、實驗探究、表面肌電等實驗測試方法和手段對人體行為運動中的力學現象進行分析。甄潔認為由于人體行為運動的綜合性與復雜性，人體行為運動中監測力學參數技術困難比較大。因此，為了保證實驗過程中監測的可靠性與準確性，監測時需要嚴格按照監測操作的步驟和要求，在提高監測精準度和降低誤差同時要不斷進行新方法的探索和研究。

(1)理論研究方法

理論研究方法主要是探究分析人體運動行為基本規律，其分析目標、分析手段、研究宗旨和結論分析與實驗處理不同。理論研究處理的分析目標是被抽象化的人體模型，宗旨為了分析行為運動基本變化規律，核心內容是高等數學與經典力學的演繹推導，其結論是分析行為運動的內在聯系。人體運動中常用的理論分析方法是建立數學模型。自1980年代以來，數值模擬方式獲得了較多新的發現和成果，但我國數值模型技術未在人體運動中得到大量應用。

(2)實驗研究方法

與理論分析方法相比，實驗方法相對比較成熟。它通過計算機技術，醫學和生物學等方面的先進實驗方法來研究運動中的人體。它主要具有以下特點：

①監測處理方面，伴隨科學技術的改善，監測技術更加多元化，越來越簡便化。隨著運動生物力學研究的突破，監測技術已經由平面二維攝影技術進步到三維立體攝影，做到全方位多角度地表現物體的運動行為特性。許多前沿現代科學技術設備也開始應用到運動生物力學的分析中。例如，愛捷運動圖像識別分析系統、激光瞄準監測和分析系統、通用材料測試機、六維力測量平臺SAEMS-T等。

②驗室監測技術與體育運動的結合現場監測技術是分析運動員好壞的前提。例如，就此方法而言，要測量最大強度和快速強度，有兩種更成熟的測量方法：一種是在實驗室內通過各類型的測功系統設備和高端的多功能肌肉力量測量系統。這種方法可以稱為“實驗室測量”。另一種方法是通過反映運動員定向力量的訓練設備或訓練技術來判斷運動員在賽場上的定向力量訓練水平。該技術可以統稱為“運動測量技術”。以上兩種方式的應用需根據監測方法的實際背景和監測結果，它們各有利弊。因為“實驗方法”是將測量條件限制在實驗室條件下，以最大程度地減少技術和特殊協調等因素的影響，所以從純粹的力量和質量的角度出發，合理地定量監測運動員的主要肌肉組織，并進行判斷，因此監測數據無法全部表現出與特定運動方法相統一的特定強度。但是，由于技術和特殊協調因素的影響，不能排除“體育測量方法”。用它測得的比強度實際上是綜合能力的反映，它主要由肌肉力量，技術和特殊的協調性組成。實驗室內測量技術和室外場地測量技術的結合可以合理地診斷和監視特殊運動員的最大和快速力量。這不僅可以使教練了解與實際情況相符的力量水平，還可以對運動員進行深入分析。例如判斷運動員肌肉組織的實際鍛煉狀態、潛力和缺陷，然后合理地設計不同階段內的訓練核心，并采取針對性的訓練項目。

③指標的多樣化，單一性已無法更好地解決實際問題。通過測量各種指標，它可以更準確地反映客觀現狀。例如，要研究減肥訓練對骨骼肌的影響，說服一項生理特性指標非常困難。因此，在通過減肥鍛煉后，需要把形態學，生理特性和功能緊密地聯系起來，為全面分析運動員的狀態，提供教練員參考。

(3)表面肌電測試與分析方法

現階段,國外主要的表面肌電測試產品均已采用信號無線通信傳輸，大大改善了實驗測試的便利性和應用性，該方法也逐漸地被我國研究人員所使用，運用到評價人體運動時的肌肉收縮變化規律。因此，通過肌電測試系統分析對人體運動行為中的肌肉收縮變化特性進行討論的文章有所上升。近年來，通過表面肌電技術分析主要表現在以下方面：一是丁其川等人分析和探討不同專項訓練員完成動作時的肌電信號特征；二是張佑磊分析不同訓練條件下或專項訓練與比賽動作中的肌肉收縮特征，以進行效率更高和針對性更強的訓練計劃；三是馬文凱等人通過表面肌電信號分析和判定肌肉的疲勞狀態。

2.1.2 人體運動模型模擬方法的應用

運動模型模擬分析技術是運動生物力學理論研究的一種形式。通過模型模擬技術的應用可以分為兩方面：一是通過采用人體多剛體特性與骨骼肌肉模型，模擬人體運動行為，推算肌肉、關節和骨骼在活動過程中的荷載；二是綜合流體力學、生物力學、材料力學等基本原理，設立自行車、船艇等器材運動力學模型，通過數值模擬分析不同環境因素下的最優運動方案，或對自行車等設備進行升級與改進。

國內研究人員分析人體運動力學時，通過一些實驗方案對模型數值模擬的結果進行了驗證。例如，紀仲秋等人通過Any Body軟件仿真模擬太極拳運動，并借助肌電測試技術對數值模擬得到的肌肉力進行了校驗。又如，李旭鴻等人通過Lifemod軟件對跳馬項目的運動全程進行動力學高仿真數值模擬和分析。我國的一些研究學者通過人體構造和生物力學原理分析等，根據不同實驗要求制定運動模型，如李翰君等人制定了基于Hill原理肌肉力學系統的人體膝關節肌肉荷載模型，并通過現有動力學結果模擬最佳的優化方案，得到人體膝關節肌肉受力分布的最優解，并分析研究了肌肉長度與關節力矩敏感度的影響關系。

2.1.3 運動生物力學測試手段的研究

我國運動生物力學研究學者通過實驗研究，發明和制備了一些具有專用特性的力學監測器和監測系統。例如，李林等人通過正交設定的3個微型陀螺儀、3個微型加速度傳感器和3個微型電磁信號器構成了慣性監測傳感系統，通過監測計算關節部位的加速度變化和角速度變化進而得出關節運動的功率，研發了監測肌肉等張度伸展關節功率變化曲線系統。我國運動生物力學研究人員根據訓練實際的需求，設計了大量運用診斷和記錄運動員技術水平的實驗系統。通過這些專項設備診斷和記錄系統既能運用到許多夏季訓練項目,又能大量運用到冬季訓練項目，高效地服務于我國體育運動的專項技術訓練中。

2.2 研究領域

自1980年代以來，我國運動生物力學的研究項目和研究領域不斷擴大，覆蓋國內競技體育和社會體育，但胡立認為中國競技體育所占比例較高，健身和康復方面的研究相對薄弱。通過分析發現，目前的運動生物力學領域具有以下特點：

(1)肌肉生物力學分析是生物力學的熱門課題。最近幾年，人們通過運動生物力學和運動醫學原理對肌肉損傷的力學特征、病變和病理學的影響進行了更深入的分析。骨骼肌損傷后的力學特性變化已經成為運動生物力學方面分析的熱點課題。研究肌肉損傷后的力學特性，分析肌肉損傷修復過程中機械變化的規律，防治肌肉損傷和反復損傷，同時制定損傷肌肉的康復訓練，具有重大意義。

(2)關于競技體育的研究仍占相當大的比例，但與過去相比，它更加注重訓練實踐，其研究成果可以高效地運用于競技體育。例如，瞄準技術是射擊運動的核心。瞄準動作是一個高度復雜的系統，但仍然需要遵循一些規則。激光瞄準分析系統應用量化體育運動員的瞄準技術，總結射擊人員瞄準技術的行為規律，為優化技術提供定量分析依據，并制定訓練計劃。這種訓練體系幫助我們的運動員取得了世界賽事的優異成績。

(3)研究內容豐富、涉及廣泛。自《全民健身計劃綱要》發布以來，公共衛生領域逐漸成為分析研究的趨勢。例如，通過運動生物力學原理分析人們運動結構和運動功能相互的影響；人體適應功能指數的研究與評價；青少年身體發育狀況的特征因素研究。運動健身器材，運動科研設備和健身測量設備的發展也成為熱門話題。中國的健身器材產品在1980年代初開始模仿并復制不適合中國人體特征的國外產品的初期階段，進入自主創新和市場需求的發展時期，部分設備達到同行先進水平。

a)運動技術的生物力學：專項運動技術的分析與監測、技術原理和訓練成績提高變化規律的分析、動作調控的生物力學分析等。

b)運動訓練的生物力學：運動生物力學在設計訓練計劃與訓練效果判定中的應用、運動生物力學在訓練設備的創新與設計中的應用、運動生物力學在運動訓練檢測中的應用。

c)運動損傷與康復的生物力學：技術動作與運動損傷的關系、運動器材與運動損傷的關系、肌肉變化與損傷的關系。

d)全民健身活動的生物力學：老年人運動行為及鍛煉技巧的生物力學研究、兒童生長發育對動作影響的生物力學研究。

(4)數學模型與仿真研究。數學建模和計算機仿真在體育技術和人類體育行為的分析中起著重要作用。

(5)設計和開發運動工具和設備。通過分析輔助工具的舉升和機械性能，我國研發了更適合運動的器材，例如羽毛球拍、網球拍和護腕等。諸如“不同材料泳衣對阻力的大小分析”和“不同材質網球拍與彈性系數的關系”等對此進行了多項技術驗證，分析表明運動器械也起著至關重要的作用。

近年來隨著體育事業的發展，我國在運動鞋領域的發展已經從成品鞋的性能檢測與分析，轉變為研究分析鞋的舒適、安全、輕質等功能需求，并根據不同專項運動的需求提供定制設計和選擇先進工藝的依據。李建設等人研究分析不同運動項目的運動鞋材料、鞋底氣墊工藝、觸地時各類運動鞋變形受力特征、球鞋的高幫工藝、氣墊材料和鞋掌造型設計對運動時的肢體動作的影響、防滑鞋底紋路工藝等進行了大量實驗分析。

(6)研究運動引起的危險。通過對運動引起的危險原理的解剖學探索和相應的防護工具，可以降低潛在的受傷風險。該研究依據行為過程中生物學和物理學的實驗技術和監測方法來分析產生危險的運動模式，并進一步結合人體構成以獲得預測潛在危險的策略。

(7)探究人體測量科學。我國已與國內高等院校和國家體科所合作，制定了我國成年人的慣性參考量。

2.3 研究儀器

采取高速攝像機監測處理系統，該設備具有高分辨率攝像系統和視頻采集處理系統。在這項研究中，還將使用圖像識別系統和高精度紅外光斑分析工具。根據磁感應和人體運動模仿，開發特定的行為測試工具和物理模型。在人類體育技術的探索中，逐漸應用了用于體育技術分析，神經系統模型和EMG數據分析的“專家系統”。

2.4 發展趨勢

2.4.1 研究內容的增加

研究已經開始多樣化，從過去僅限于為運動員提供服務，到向公眾提供更多關于競技體育的開放技術和規范指導。目前，醫學水平和疼痛預后水平發展迅速，因此與之相關的免疫力學、臨床力學以及生物工程聯系的力學得到較快發展。國際運動生物力學的發展領域逐漸擴大，研究層次進一步深入。楊慧馨等人認為在對生物的討論中，它已從整體討論逐漸演變為對不同組織和結構的討論，從對行為和運動記錄的討論，到神經肌肉相互作用以及運動和力學原理的擴展。

2.4.2 運動損傷的生物力學探討

在運動生物力學發展的歷史中，變化趨勢是從早期對低等生物運動的研究發展到對體內相應機制的分析。李光軍等人認為盡管關于運動損傷的研究很少，但探索運動的潛在危險將成為力學思想中的一種新的生物學。國內高校教授探討了運動誘發的急性關節炎，并通過前沿生物力學監測技術對腕軟骨生物盤采用“壓縮扭曲”分析，并評估了個體的組織結構，不斷變化的規則和機械原理進一步把握了創傷原理，因此可以采取標準化有效的預防措施。

計算機技術的進步是推動運動生物力學快速發展的主要動力。王今越等人研究表明運動生物力學的理論分析會傾向于編程技術的精簡度和方便度，同時要求理論分析的全面性和綜合性。高效、精確地監測和實時分析人體行為的各項機械參數，應用自動控制系統進行實驗自動監控是未來技術發展的必然趨勢。因為不可以在個體上直接進行許多實驗，同時為了預測運動的變化，所以在運動生物力學的分析中出現了各種模型。隨著電子設備的發展，數值模擬的計算程序多、耗時大、復雜等弊端已逐步解決。因此，設計多種數值實驗模型是運動生物力學分析的又一發展趨勢。

2.4.3 技術檢驗的討論方法

帥廣震認為技術檢查的方向應符合所有項目的要求，可以及時提供實驗性勘探結果，并包括相應的總體研究報告。逐步推廣立體跟蹤攝像機的檢測方法，使其更加普及，使攝影和錄像的效率、測量方法、控制方法和肌肉動力學模擬方法得到進一步提高，使它是朝遙測部分數據反饋和對應數據的方向發展。收集設備的小型化和結論查詢的有效發展，以及監督，檢查和收集方法的不斷完善。

2.4.4 傳統力學探究和力學建模分析

在研究過程中，機械建?；诮浀淞W的基本理論，然后介紹了有機體內已經存在的機械變量，計算機模擬了人體在設定環境中的簡單運動，并使用了拉格朗日方程和價理論定律解決了力學問題，并進一步解釋了生物運動的原因和機制，以及由參與行為過程的神經網絡和身體部位調節的運動規則。這些技術可以為解釋生物的運動行為提供更多的理論基礎。在1980年代，人們創建了第一個基于生物力學的人體運動模型，并針對不同的人體運動建立了非常不同的人體運動行為模型。然后，他們使用計算機語言來描述運動目的，行為和行為的調節。最后，根據實驗數據，模擬人體運動規律及相關因素，然后通過計算機再次優化數字規律，從而量化運動行為規律，以獲得結果，這是一種非常有創意的查詢方法。

3 結論

1．發展的局限

通過分析運動生物力學系統的發展，可以得出運動生物力學的發展現狀還存在一定弊端。對這項科學的分析是多元化的，其理論依據也有很大差異，但是促進該技術應用于生物力學和體育運動的全面發展，那么科技的進步就必須是系統的。雖然應用的領域逐漸擴大，但還是具有一些局限性，同時需要滿足在依據人體力學的種類上繼續發展。雖然分析技術層出不窮，但個別措施存在不成熟現象，因此需要結合當前先進的大數據分析技術使用，滿足更加精確的數據分析。局限性有以下三個方面：

(1)國內外運動生物力學分析技術的發展速度大致同步。與國外運動生物力學的現狀進展對比，我國運動生物力學分析在監測設備、分析方法和技術上，與國際間的差距不大，但理論分析與分析方法的創新相對較少。

(2)國內外運動生物力學在分析領域中的動機不盡相同。國內分析傾向于以取得賽事項目成績為目的的競技運動項目的技術分析；國外分析傾向于以防治運動損傷和康復訓練為目的的行為動作的生物力學研究，包括基本行為功能的力學特性分析。

(3)國內外學校對運動生物力學培養學習的側重不同。我國的教學院系中，除個別的運動人體科學類別外，體育訓練、運動康復等專業學習人數較多將運動生物力學設置為輔修科目，導致較多學生不具備相關的基礎理論和專業技能。對比國外發達國家的大學體育院校將運動生物力學設置為必修課，國外研究人員認為體育專業不會運動生物力學是不可思議的。

2．發展前景

運動生物力學是一項覆蓋領域豐富的綜合學科。它的發展進步依賴于物理學、生物學、醫學以及計算編程等多種交叉學科的輔助。為了將來更好地發展，我們需要進一步開放研究大門促進更多的學者進入。雖然運動生物力學的前進道路上存在許多荊棘，但其發展應用前景才顯露冰山一角。

(1)利用交叉學科的技術、方式和手段進行運動生物力學分析。未來研究的必然是多領域的交叉與融合，通過多領域的技術和方法，分析和處理人體運動的問題。例如，通過流行病學的分析技術，運動生物力學可以為運動潛在問題提供技術分析；利用數學的優化處理和計算機系統，實現對人體行為進行數值分析和判斷。

(2)增大運動診斷和優化技術的理論分析，其研究應注重實驗的積累和分析技術的改善,減少對運動技術特征單一進行敘述。我國運動生物力學實驗人員應提升科研設計的水平、綜合分析統計技術和處理統計數據的能力，同時增強分析驗證科學假設的能力。

(3)增大在運動損傷和康復訓練領域的生物力學應用和普及。國際方面，通過生物力學對個體肌肉組織、關節、韌帶組織等方面分析，長期是學者研究的熱點，其分析結果對運動醫學、康復訓練、臨床骨科等產生了非常重要的影響。

運動生物力學的進步必須有堅實的科技儲備，這要求基礎理論研究的進步和擴大開放的應用領域。