快速泳衣在競技游泳運動項目中發(fā)展與展望

戴承銘 趙婧 陸乙鋒

摘 要：世界游泳競技水平飛速提升也得益于高科技產品的使用與創(chuàng)新。通過對近20年文獻資料的梳理，探討了快速泳衣對游泳運動員競技表現(xiàn)的影響，發(fā)現(xiàn)我國對于快速泳衣的研發(fā)與生產仍然停留在仿制階段，缺乏研究基礎與創(chuàng)新能力。在未來可以針對不同泳姿項目的生理學以及生物力學特點，建立人體工效學評價體系，探索適用于我國運動員個體特點的快速泳衣。

關鍵詞：快速泳衣；游泳；減阻功效；鯊魚皮

中圖分類號：G818.4? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1674-2346（2023）01-0053-05

在2008年北京奧運會游泳比賽中，著名美國游泳運動員菲爾普斯共計打破8項世界紀錄，他所穿著的快速泳衣憑借在減少游進阻力、增大身體浮力、減少游泳運動員能量消耗與肌肉振動等方面的優(yōu)勢，充分提升游泳項目的運動成績。在當今游泳競賽中，快速泳衣憑借獨有的制作工藝與性能表現(xiàn)，成了游泳運動員取得成績突破的重要科技輔助手段。本研究通過檢索中外文數(shù)據(jù)庫（WoS、EBSCO、中國知網(wǎng)），綜述了快速泳衣的發(fā)展歷程、產品特點、性能特點和其他相關應用研究， 并結合該研究領域的若干熱點問題，分析了快速泳衣在助力游泳競賽方向的發(fā)展趨勢， 為我國快速泳衣裝備的創(chuàng)新研發(fā)提供有價值的經(jīng)驗借鑒與參考。

1??? 快速泳衣的發(fā)展歷程

1.1??? 前鯊魚皮泳衣時代

在古代奧林匹克運動會上的選手們幾乎是赤身裸體參加比賽，衣服有可能會成為運動員們的累贅，妨礙運動表現(xiàn)。現(xiàn)代科技已經(jīng)徹底改變了這種狀況，特別是在競技游泳運動項目中，合適尺碼的緊身泳衣不僅不會影響成績， 還會給運動員帶來一定的輔助作用^[1]。

美國國家航空航天局蘭利研究中心在20世紀80年代研發(fā)的技術，被Speedo公司的研發(fā)團隊應用到泳裝研發(fā)上^[2]。憑借這項先進材料技術，Speedo公司于1996年研發(fā)了“水刃”泳衣，并在泳衣面料上取得了重大創(chuàng)新，發(fā)明了世界上首例專為泳衣減阻所設計的面料S2000^[3]。S2000系列泳衣開啟了快速泳衣的時代，在亞特蘭大奧運會游泳比賽中有77%的獲獎運動員都身著這款泳衣。

1.2??? 鯊魚皮泳衣時代

1999年，國際泳聯(lián)開始正式允許泳衣運動員穿著快速泳衣參賽^[4]。2000年，Speedo為游泳運動員們帶來了具有劃時代意義的快速泳衣――FASTSKIN鯊魚皮泳衣，并采用了纖維仿鯊魚皮膚結構，表面材質會與水流產生小漩渦，可將游進速度提升3%～7.5%^[5]。在悉尼奧運會游泳比賽中有83%的參賽選手選擇身穿該款“鯊魚皮”參加比賽，其中澳大利亞著名游泳選手伊恩·索普憑借這款泳衣分別在100米、200米自由泳、4x200米自由泳接力項目中斬獲金牌，同時打破了兩項世界紀錄^[6]。

2004年，Speedo公司全新推出了第2代鯊魚皮（FASTSKIN FS2）泳衣，在第1代鯊魚皮泳衣的基礎上增加了面料表面顆粒狀的小點，成功減小了游泳運動員在游進過程中4%的水阻，整體功能相較于第1代快速泳衣提升7.5%^[7]，成功將47名游泳運動員送上了雅典奧運會的最高領獎臺。

2007年，第3代鯊魚皮泳衣“FASTSKIN FS_PRO”面世，面料成分主要由特細尼龍紗和防氧彈性紗組成，泳衣的彈性比同時期同類產品高出約15%，有研究顯示這款泳衣可以通過增加肌肉的穩(wěn)定性來節(jié)省運動員能耗約15%，在不到1年時間里先后助力世界各國的游泳運動員 21 次打破世界紀錄^[8]。

2008年，在美國宇航局、澳洲流體力學實驗室和Speedo公司的合作下研發(fā)了第4代鯊魚皮泳衣 “FASTSKIN LZR RACER”，面料材質是由極輕、低阻、防水和快干性能的尼龍彈力面料組成，是全球首套以高科技熔接生產的無皺褶比賽泳裝。與前一代相比，這一代“鯊魚皮”泳衣融入了仿生學原理，在降低水中動態(tài)阻力方面提高了24%，穿著該款泳衣的運動員比穿著普通泳衣的運動員耗氧量減少3%。憑借這件新型鯊魚皮泳衣，在2008年共計108項世界紀錄被刷新^[9]。鯊魚皮泳衣的出現(xiàn)改變了泳壇格局，使得全世界對這款裝備的使用方式“倫理之爭”達到了白熱化程度。鯊魚皮泳衣在2009羅馬世錦賽中展現(xiàn)出的對競技成績的瘋狂提升，導致國際泳聯(lián)無法再承受社會輿論所帶來的壓力，最終對參賽泳衣的形態(tài)和尺寸展開了規(guī)則性的約束^[10]。鯊魚皮泳衣時代雖然結束，但是隨著體育產業(yè)科技的飛速發(fā)展，新型符合參賽規(guī)則的紡織材料快速泳衣出現(xiàn)了新一輪的科技裝備競賽。

1.3??? 后鯊魚皮泳衣時代

2012年倫敦奧運會前夕，Speedo公司研發(fā)出符合新規(guī)則的“快皮 3”（FASTSKIN3）泳裝系統(tǒng)。它使用了英國利茲大學索爾比環(huán)境流體力學研究室研發(fā)的一種具有最低流動阻力的紡織材料，由泳衣、泳帽和泳鏡3個部分組成，對比上一代產品在肢體覆蓋面積上發(fā)生了很大的變化。通過相關實驗證明，游泳運動員使用該款泳裝系統(tǒng)能減少16.6% 的水流阻力和11% 的氧氣消耗，在泳衣表面的浮凸線條顯著地增加了游泳運動員在入水與轉身過程中的身體穩(wěn)定性。這款產品是國際泳聯(lián)實行泳衣新規(guī)之后在泳衣設計上的最大進步。

2019年后，Speedo公司推出了“FASTSKIN LZR Pure Intent”和“FASTSKIN LZR Pure Valor”這兩款新型快速泳衣。前者是為短程比賽游泳運動員所設計，表面材質由尼龍彈性織物制成，并在制作過程中根據(jù)人體工程學的特點將模仿鯊魚皮膚的齒狀紋理織入面料。對腿部與髖部展開靈活的壓縮支撐分區(qū)設計，可以減少游泳運動員游進過程中的皮膚振動和疲勞。后者是針對多項目的長距離游泳運動員，它也是Speedo公司有史以來最輕量級的快速泳衣，優(yōu)點在于腿部與腰帶的全新壓縮內縫處理，可以使運動員獲得更大的肌肉支持，并對不同穿著喜好的運動員提供高腰和低腰兩個版本的設計。

2??? 各階段快速泳衣的產品特點

美國著名游泳教練員鮑曼曾指出，現(xiàn)今泳池內的技術動作普遍較為穩(wěn)定，頂尖游泳運動員在技術上的差別很小，在此種情況下，快速泳衣的使用就會對運動員名次起到?jīng)Q定性作用。自1999年快速泳衣問世以來，該產品共經(jīng)歷了6個階段的發(fā)展與改進，在6個不同的周期內，快速泳衣的特點如表1所示。通過對比分析可以看出，這6代泳衣在產品材質、特點和款式上逐漸改善和提高，科技含量也越來越高，逐漸貼合人體肌肉，并能夠有效提高運動員的本體感覺。

3??? 快速泳衣對運動員競技表現(xiàn)的影響作用

3.1??? 快速泳衣的減阻功效

在流體力學中，阻力一般分為3個部分：形態(tài)阻力、摩擦阻力和波浪阻力。

形態(tài)阻力與摩擦阻力的測定取決于雷諾數(shù)（Re）^[11]：

式中v為流體的流速、l為流體的長度、ρ為液體密度、μ為黏性系數(shù)。

波浪阻力的測定取決于弗勞德數(shù)（Fr）：

式中v為平均流速、g為重力加速度、H為平均水深度。

對快速泳衣的早期研究主要是針對減阻功效，開展流體力學試驗，模擬水中的速度、運動員比賽姿態(tài)以及人體測量學數(shù)據(jù)，開發(fā)特殊的泳衣面料和表面處理工藝來減少阻力。

研究者在早期的產品研發(fā)中對快速泳衣的身體覆蓋面積進行了相關的探討。Benjanuvatra^[12]對9名穿著連體快速泳衣的運動員進行了被動阻力和主動阻力測試，實驗結果顯示連體快速泳衣在1.6、2.2和2.8 m/s速度下被動阻力和主動阻力均低于普通泳衣，并存在顯著差異。Mollendorf等人^[13]對穿著肩到踝，肩到膝，腰到踝，腰到膝和三角褲的5組實驗者展開被動阻力拖拽的對比實驗，并對形態(tài)阻力、摩擦阻力和波浪阻力展開評價，研究顯示使用不同覆蓋面積的快速泳衣可以減少3%～10%的阻力，且身體覆蓋面積與阻力的減少成正比。

紡織材料的特殊處理工藝是近年來快速泳衣主要的減阻研發(fā)方向。在2010年國際泳聯(lián)下發(fā)泳衣設計禁令后，制造商開始通過探究不同紡織材料的粗糙度，以及對不同紡織材料使用部位的流體阻力特性來對快速泳衣的減阻功效進行評估。泳衣紡織組件中各層的表面粗糙度對運動員游進過程中的阻力有很大的影響。Debraux等人^[14]從流體力學對快速泳衣表面粗糙度展開了相關研究，結果表明使用表面粗糙度增加的紡織物可以減少運動員游進過程中的阻力，能有效提高競賽成績。增加表面粗糙度的主要方法為超疏水表面處理技術。超疏水表面是指具有低濕潤性和接觸角大于150°的材質。在目前的研究中發(fā)現(xiàn)， 通過在泳衣織物表面注入納米級SiO₂顆粒，填充于織物纖維縫隙之間，形成有序排列的分子凹凸結構來增加泳衣的表面粗糙程度^[15]。在100m自由泳測試實驗中，穿著疏水處理快速泳衣的相較于未穿著的運動員能夠提高1.25s的成績，且此差異具有顯著性意義，證明該設計工藝能夠達到疏水和減阻的目的^[16]。

3.2??? 快速泳衣對運動員機體能量代謝、肌肉功能以及力學表現(xiàn)的影響

目前，關于緊身運動服裝幫助運動員提升運動表現(xiàn)的研究，主要涉及生理和能量代謝、肌肉功能等領域^[17]，針對快速泳衣的體育科學研究起步較晚。

在運動員機體能量代謝方面，Chatard等^[18]對14名游泳運動員開展最大速度下的1500米自由泳的水槽實驗，對運動員的最大攝氧量、血乳酸濃度等指標進行采集，結果表明穿著快速泳衣的運動員相較于普通泳衣，平均能量消耗下降4.5%～5%，血乳酸濃度下降17%。該研究認為，能量消耗的下降可能會受到相同劃頻情況下劃幅增加的影響。在對泳衣加壓閾值與機體的能量代謝關系探索中發(fā)現(xiàn)，對于軀干部位，施加低于7.5 mmHg壓力值的泳衣更有助于提高人體靜脈血流的工作效率^[19]。目前以快速泳衣為對象促進機體代謝與疲勞延緩為主題的研究較少，但在對于其他體育項目的研究中發(fā)現(xiàn)，緊身服裝具有增加血氧飽和度、改善運動后乳酸清除的作用^[20]。游泳項目具有長短距離分項和復雜的技戰(zhàn)術影響因素，各個項目的生理學、運動學特征存在一定的差異。因此，探索快速泳衣對運動員機體能量代謝的影響機制仍有很大空間。

對于快速泳衣的肌肉壓縮功能和力學表現(xiàn)研究表明，快速泳衣與穿著者、活動方式以及運動環(huán)境需保持動態(tài)關系，最終目的是憑借泳衣的織物特性和服裝結構使運動員在水中保持良好身體姿勢與力量使用效益，從而提高游泳運動員的速度和技術動作效率，而不是產生額外的負面壓力和不適感^[21]。因此，在對泳衣的肌肉壓縮功能設計的過程中需要保持運動員在水中的流暢性，并減少一系列由壓縮肌肉而產生的動作限制問題。對于快速泳衣壓縮肌肉的功能設計新理念是提升回能效果（回能效果是指游泳運動員通過織物收縮再利用自己的力量），主要特征為上下半身采用不同的彈力系數(shù)材質。相關研究表明在泳衣上半部分采用彈力小的纖維材料，在身體下部分用彈力大的纖維材料，可以有效回收運動員打腿時下打的反作用力，輔助下階段打腿動作的復位，從而達到提高游進效益的目的^[22]。

4??? 快速泳衣的未來研發(fā)展望

4.1??? 搭建定制化剪裁設計平臺

由于成本和產量等問題，現(xiàn)階段的快速泳衣均按各個品牌自行規(guī)定的標準尺碼展開銷售。目前可選擇的剪裁設計只提供了高腰和低腰兩個版本設計，對于有許多特殊體型或不同穿著喜好的游泳運動員來說，存在剪裁不合理、體感不適、尺碼不合身、妨礙技術動作等問題。因此，在未來需要研發(fā)一套定制化分區(qū)剪裁設計平臺，可以對不同需求的游泳運動員展開個性化設計，以帶給運動員更好的穿著體驗。

4.2??? 研發(fā)一體化減阻系統(tǒng)

研究人員應考慮將泳帽、泳鏡以及泳衣這三者的研發(fā)結合起來，根據(jù)人體結構學，最大程度地建立一套相互協(xié)調的一體化減阻系統(tǒng)。通過這套系統(tǒng)盡最大可能改善頭部和軀干部位的流體力學特征，有效降低游泳運動員的游進阻力。

4.3??? 提高材料縫合技術

快速泳衣的裁剪拼接以及附加減阻結構是減少游進阻力的關鍵因素之一。雖然現(xiàn)階段快速泳衣所采用的超聲縫合技術是當今最先進的服裝縫合技術，在泳衣接合面實現(xiàn)了完全密封，但在實際穿著的過程中仍出現(xiàn)泳衣撕裂的問題。因此，可以探索將納米纖維技術融入縫合技術中，在接縫處模仿人類皮膚和肌肉組織，在確保密封性的同時提高材料的抗撕裂性。

4.4??? 提高對游泳項目針對性設計

現(xiàn)階段的快速泳衣雖然對短距離和長距離的游泳項目做了區(qū)分性的款式設計，但尚未對不同泳姿項目做出劃分設計。因此，可以通過采集運動員實際游泳比賽中不同項目的技術動作、身體姿勢等運動學特征，設計出具有項目針對性的泳衣款式，以提高運動員的在不同項目中參賽表現(xiàn)^[23]。

4.5??? 開展生理生化指標影響研究

由于受到水中復雜環(huán)境的影響，游泳項目生理生化實驗的展開具有一定難度。現(xiàn)階段要加強對于水下生理生化實驗器材的開發(fā)設計，提高水中肌電變化、最大攝氧量變化與血乳酸變化等數(shù)據(jù)的準確性。

參考文獻

[1]方陵生.高科技泳衣挺進北京奧運[J].世界科學，2008（09）：27.

[2]Takagi Hideki，Sanders Ross.Hydrodynamics makes to splash[J].Physics Word.2000，9：39-43.

[3]楊繼爽，王平，王洋，等.高科技泳衣推動游泳運動發(fā)展[J].中國發(fā)明與專利，2012（09）：26-27.

[4]Jennifer Craik.The fastskin revolution：from human fish to swimming androids[J].Culture Unbound Journal of Current Culture Research，2011，3：71-82.

[5]吳明康.仿鯊魚皮泳衣技術的發(fā)展與應用前景[J].織科技進展，2009（2）：90-91，98．

[6]黃彩虹.論競技體育中高科技應用的負效應：由高科技泳衣“禁賽”引發(fā)的思考[J].體育成人教育學刊，2011，27（01）：39-40.

[7]艾磊，劉凌，羅維，等.高科技泳衣的興衰及其對競技游泳運動的影響[J].吉林體育學院學報，2016，32（06）：42-46.

[8]唐桂萍.泳裝的演變對競技游泳的影響[J].游泳季刊，2011（3）：35-37．

[9]袁金龍，毛迪.高科技泳衣應用于競技體育的倫理之爭[J].赤峰學院學報（自然科學版），2013，29（11）：89-91.

[10]梁園.新材料高科技泳衣性能分析及其對競技游泳運動的影響與展望[J].粘接，2020，43（08）：64-67，84.

[11]Kotb N A.Changes in knitted cotton/polyester fabric characteristics due to domestic laundering[J]. Journal of American Science，2012，8（5）：677-682.

[12]Ben januvatra N，Dawson G，Blanksby B A，et al.Comparison of buoyancy，passive and net active drag forces between Fastskinand standard swimsuits[J].Journal of Science and Medicine in Sport，2002，5（2）：115-123.

[13]Mollendorf J C，Termin A C，Oppenheim E，et al.Effect of swim suit design on passive drag[J].Medicine and science in sports and exercise，2004，36（6）：1029-1035.

[14]Debraux P，Bertucci W，Manolova A V，et al.New method to estimate the cycling frontal area[J]. International journal of sports medicine，2009，30（04）：266-272.

[15]Nazemi S， Khajavi R，F(xiàn)ar H R，et al.Effect of hydrophobic finishing on drag force of swimwear[J]. International Journal of Clothing Science and Technology，2017，30（1）：2-15.

[16]趙德峰，王開利，葉晶龍，等.拒水泳衣的制備及其減阻性能[J].染整技術，2020，42（01）：46-49.

[17]傅維杰，黃靈燕，夏銳，等.緊身裝備對下肢關節(jié)力學、軟組織振動和肌肉活動的影響[J].中國運動醫(yī)學雜志，2015，34（09）：854-861.

[18]Chatard J C，Wilson B.Effect of fastskin suits on performance， drag， and energy cost of swimming[J]. Medicine and science in sports and exercise，2008，40（6）：1149-1154.

[19]徐加豪，張保國，王小迪.緊身運動裝備在運動領域的作用研究進展[J].中國運動醫(yī)學雜志，2021，40（05）：402-416.

[20]楊宸灝，楊洋，胡齊，等.緊身服裝在冬奧競速運動項目中的研究與應用現(xiàn)狀[J].中國體育科技，2020，56（01）：24-30.

[21]Cicek A，K vak T，SamtaG.Application of Taguchi method for surface roughness and roundness error in drilling of AISI 316 stainless steel[J].Strojni ki vestnik-Journal of Mechanical Engineering，2012，58（3）： 165-174.

[22]劉輔庭.競賽泳衣的開發(fā)[J].現(xiàn)代絲綢科學與技術，2013，28（05）：198-199.

[23]馮鵬飛.高功能新型復合材料泳衣壓力舒適性能研究[J].粘接，2022，49（05）：76-79.

The Development and Prospect of Fast Swimsuits in Competitive Swimming Sports

DAI Cheng-Ming??? ZHAO Jing??? LU Yi-feng

（Chengdu Sport University，Chengdu，Sichuan 610041，China）

Abstract： The rapid improvement of the world swimming competition level also benefits from the use and innovation of high-tech products.Based on the literature review of the past 20 years，this paper discusses the influence of fast swimsuit on the competitive performance of swimmers.It is found that the research and development and production of fast swimsuit are still in the imitation stage，and lack of research foundation and innovation ability.In the future，the ergonomic evaluation system can be established according to the physiological and biomechanical characteristics of different swimming styles，and the fast swimsuit suitable for the individual characteristics of Chinese athletes can be explored.

Key words： fast swimsuit;swimming;resistance reducing effect;sharkskin