中国运动生物力学在难美性项群研究中的发展现状

李双俊，但爱兰

运动生物力学是体育科学的重要分支，主要用于确定各专项体育运动的技术原理，作为运动员的技术诊断和改进训练方法的理论依据［1］。难美性项群是指在一定时间和空间内，以一定规格的身体姿势为表现形式，以追求人体美、造型美、服饰美、音乐美为目的的运动项群。例如跳水、体操、健美操、体育舞蹈、艺术体操、花样游泳、冰上舞蹈、武术套路等。本文以中国运动生物力学在难美性项群中的应用为研究对象，旨在准确把握运动生物力学在该领域研究的发展动态。

1 发展历程

19世纪末和20世纪早期，关于难美性项群的理论研究还局限在运动员生理和身体姿势分析方面。生物力学在难美性项群的研究一直到早期电影技术出现才得以开展。20世纪20-30年代，该技术正式被应用于体育运动的分析研究。适时，美国的Cureton组织了一批学者，在田径和游泳运动中开展了一系列生物力学的研究。

20世纪30年代，McCloy在运动技术的生物力学分析方面表现出极大热情。20年后，Wettstone和他的研究生开始研究人体生物力学在身体姿势分析中的一般性问题，即“什么类型的人具有良好的体操运动潜力”。

20世纪60年代，生物力学才作为分学科被建立起来，并在体操研究中应用开来。随着生物力学在体操运动的研究兴起之后，德国、日本、苏联和美国都展开了一系列相关研究，这也促成了运动生物力学在难美性项群研究中的广泛应用。

20世纪70年代，生物力学在难美性项群中的研究领域集中在两个方面：运动学描述（Kinematic Descriptions）和动力学描述（Kinetic Descriptions）。其中，运动学描述主要是利用电影数据分析技术动作特点。动力学描述主要是运用动力学数据设计出一个优化的技术动作方法。

20世纪80年代伊始，数学建模逐步引入体操项群训练。研究者运用数学模型针对性的开展个体研究以及个体比较研究。具体应用于对体操优秀运动员的技术动作特点和力学特点进行建模分析，或较理想模型和发展模型之间的差异，帮助运动员改进和提高运动技术规格。

1980年中国在成立体育科学学会同时,成立了运动生物力学学会,在其后几十年里，对于难美性项群而言：多数研究集中在技术动作的生物力学分析，并取得较好成绩，其次，运动生物力学与解剖学、生理学、医学、康复学结合逐渐密切，研究成果的水平有了很大提高。

总体而言，随着世界运动生物力学的发展与科学技术的推动，中国运动生物力学在运动训练和竞赛领域的应用逐步走向独立化、个体化、专项化、数字化。对于运动员技术能力和力量素质占主导地位的难美性项群而言，运动生物力学在运动技术诊断与分析和肌力测量等方面发挥着至关重要的作用。当前，中国已基本形成相对完善并互相支持的运动学、动力学和肌电测量三大系统。

2 总体思路

2.1 以认清项群特点为研究前提

中国竞技体育的核心是竞技运动，运动训练和竞赛是竞技运动的“双核”构件。随着竞技运动水平的不断提高，科学化训练对基础学科的依赖愈来愈明显。运动生物力学以其对人体运动独特的分析视角和功能，是解决难美性项群科技攻关的主要理论基础，为中国竞技体育事业的发展将长期不断的提供科技服务。

在体育科学的大家庭里，无论哪一个基础学科，都是围绕运动的人体或人体的运动而展开研究的。因此，运动生物力学在研究人体运动规律过程中，也需要紧密结合人体运动的实际，认清运动项群本质特点，才可能从根本上解决训练实践中存在的问题。

项群训练理论是运动训练学经典理论层次之一，是揭示具有相同性质项群群体所共有的原理和规律的理论。依据项群理论，可以更好地对难美性项群的基本特点进行分析，在把握项群特点的基础上，进而确定运动生物力学研究的切入点。

按照项群理论竞技能力主导因素分类，难美性项群归属为技能主导类，权重最大的运动技术成为研究该类项群特点的切入点。在技术动作诸要素中，身体姿势、动作轨迹、动作节奏等要素可描述难美性项群的定性特点；动作时间、动作速度、动作速率、动作力量可描述难美性项群的定量特点。

按照项群理论动作结构分类，难美性项群归属为多元动作结构固定组合类项群。该分类从技术动作的结构性质方面反映出难美性项群运动的表现形式。固定组合既让技术发挥能做到主观可控，也使得运动竞赛竞争激烈。如何做到定中有变，变中求稳，是比赛取胜的关键。

按照项群理论运动成绩评定方式分类，难美性项群归属为评分类项群。运动成绩的评定方式反映运动项群的比赛特点。具体来讲，该类项群运动员的比赛成绩由艺术分、技术分和完成分三部分组成。技术分是由难度数量及质量来决定的，可见在熟练完成套路性技术动作基础上，动作的难度与稳定性是比赛取胜的关键。这也体现了该类项群“难、新、美、稳”的比赛制胜特点。

2.2 定性分析和定量分析相结合

当前，中国运动生物力学在难美性项群技术研究成果主要体现在动作技术综合检测与诊断方面。运动技术诊断是指以现有的训练条件和身体素质为基础，将运动目的或战术思想抽象化为理想运动效果，试图改进运动形式以提高运动效果为目的的研究过程。

图1 运动技术诊断基本模式

在以体操为代表的难美性项群科技服务和科技攻关中，运动生物力学研究已经形成一套较为完备的科研模式。依据运动技术诊断基本模式（见图1），能够获取大量人体动作及其相关的数据信息，并且对这些信息采用定性和定量相结合的分析方式。以便于既考虑教练员和运动员的理解程度，又兼顾技术诊断的客观性和科学性。

定性研究主要是按照主教练的要求，结合项群训练计划，在日常科技服务工作中通过对运动图像快速反馈系统来完成，该系统由计算机、摄像机和专用运动图像反馈软件组成。该系统可实时采集运动图像，并可以快速对运动图像进行有效的编辑，例如：可实现不同运动员技术动作的同屏比较和叠加比较。在运动队训练期间，在训练现场进行运动技术图像快速反馈，并将当日采集的运动技术图像刻录成光盘反馈给每个队员，以便让他们利用业余时间反复观看自己该日训练过程中的技术动作，从而发现问题，及时纠正。

定量研究主要是阶段性地对运动员的动作技术进行运动学分析。运动图像解析主要采用平面单机定点分析和三维同步摄像测试分析。平面定点拍摄的技术资料和三维摄像获取的技术资料通过PEAK运动解析软件来分析。可完成对运动员的肌肉力量的监测分析；对难新技术动作的建模和仿真研究等。定量分析测试指标丰富，可比较深入、细致地揭示体操技术动作的内在特征。但由于反馈速度较慢，测试结果不能在现场反馈给教练员，反馈材料较抽象，数据图表较多。如果没有科研人员的讲解，教练员和运动员较难理解测试结果，故运用起来也有一定的难度。

3 具体方法

2008年北京奥运会中国体操队获得9金1银4铜的历史性辉煌战绩，这其中运动生物力学的科技支撑功不可没。

3.1 运动现场反馈系统

运动现场反馈系统主要由摄像机、计算机以及采集软件等组成，用以完成运动学测量。运动学测量的主要方法是高速摄影和录像，这是一种非接触性的定量测量方法，在不影响训练和比赛，不给运动员增加任何负担的情况下，即可通过对运动技术影片的测量，获得人体运动学参数。通过对这些参数的分析，可以发现运动员运动过程中的优缺点，探索运动技术原理及运动规律，为改善运动训练，提高运动成绩提供依据［2］。

3.2 视频处理与快速反馈

将中国优秀运动员和国外优秀运动员训练和比赛的视频资料进行编辑处理，然后刻录光盘，反馈给教练员和运动员，以便他们进行反复观摩及分析，发现自身训练与比赛中存在的问题，及时改正以促进技术动作的改进，同时分析国外运动员技术动作的优缺点，便于借鉴。

3.3 技术动作视频图像数据库

建立技术动作视频图像数据库，包括国际体操大赛的视频录像资料，如奥运会、世界锦标赛、世界杯、洲际赛事、重要国家的重要比赛、国内主要比赛、乃至运动队内训练和小测验的视频录像资料。以方便检索，调阅不同技术动作。

3.4 运动员关节力量测试

肌肉力学的研究属于基础研究，它是目前运动生物力学中最具有吸引力、最有挑战性的研究领域。人体的运动是以骨为杠杆、关节为枢纽、肌肉为动力产生的。通过对运动员肌肉力量指标的测定，才能了解运动员身体各环节的活动能力和力量素质的发展水平，为运动训练提供理论依据。主要方法是对运动员的关节力量进行测试和分析，主要测试髋关节、膝关节、肩关节、腰背等不同屈、伸速度下的关节肌肉力量。

3.5 难新技术动作的生物力学研究

难新技术动作分析有二维运动学分析和三维运动学分析。二维运动学分析的特点是：快捷、直观、信息量少、易于理解，较适合教练员和运动员。主要用于不同技术动作对比研究，比较分析技术动作的关键运动学指标：关键瞬时的位移、角度、高度、速度等（见表1）。

表1 技术动作的监控指标

三维动力学分析的特点是：周期长、灵活、信息全面、工作量大。例如“陈菲跳”的运动学分析，采用两台高速摄像机拍摄，两台摄像机同在跑道一侧，拍摄频率为125帧/s。两次拍摄均采用PEAK三维框架标定，利用外同步对动作进行同步处理。利用SIMIMOTIION软件解析，对解析获得的数据采用低通滤波进行平滑，截断频率为8HZ。

运用仿真技术，根据多体系统动力学原理，用MSC.ADAMS/LIFEMOD软件，建立一个与研究对象相似的19环节人体模型，52自由度，创建模型的链接，为运动添加运动副。然后，将运动学方法中解析得到的人体各关节的三维坐标，赋予三维人体模型来重构人体姿势态，对所建立的三维模型进行逆向动力学和正向动力学仿真分析，进而可以生成人体动画和进行人体运动的各种分析［3］。

4 小结

1）中国运动生物力学在难美性项群中的应用已取得一定成绩，主要体现在高水平运动队科技服务与科技攻关方面。以项群特点为研究基础，以定性与定量分析相结合为研究思路，以生物力学方法为研究手段，不断为我国难美性项群发展倾注内在动力。2）运动生物力学在难美性项群中的研究主要服务于国家队，大量先进器材和人力资源集中在优势运动项群，基础训练中运动生物力学的支撑相对较为薄弱，广大教练员和运动员对于相关信息的理解与应用还存在困难。3）加强先进的测量器械与测试方法引进与研发，突破难新技术动作建模与仿真研究，是继续保持科技攻关力度的重点；注重运动生物力学普及推广，加大既懂生物力学又擅长运动训练的复合型人才培养是促进运动生物力学在难美性项群应用中可持续发展的关键。

［1］路慧娟，贾志强.我国近十年运动生物力学的研究进展及发展趋势——以2000年到2009年近十年体育类核心期刊发表的运动生物力学论文来研究［J］.科技创新导报，2010（2）.

［2］张艳华,王志刚.运动生物力学在田径运动技术研究中的应用［J］.北京体育大学学报.2005，28（9）.

［3］郝卫亚，庞 乐,任满迎.中国体操队备战北京奥运会生物力学综合服务于研究［C］.第29届奥运会科研攻关与科技服务成果集，2009.