我国运动生物力学发展趋势与对策

高子晗

1 研究背景及意义

姜宗来认为运动生物力学是通过物理力学原理及其实验技术来分析个体生物自然运动中力学原理的系统，主要是分析运动活动中人类行为的物理模式。从力学的角度分析，一般生物运动行为是神经系统、骨骼和肌肉群相互联系的结果。神经网络通过控制肌肉群完成对骨骼系统的条件反射，进而产生各种生理行为特征，这在生物学上至关重要。运动生物力学旨在分析研究普通生物体，通过人类骨骼肌运动产生的外力和收缩力的协调作用下整合生物行为规则。对人体行为的分析最早可追溯至15世纪，达芬奇进行力学与解剖学的早期分析为此后对人体组成器官的功能和形态进行初始分析奠定了坚实基础。自进入1960年代开始，运动生物力学一直是一门学科分支，它的发展源于行为运动，科研设备和计算机编程的高速发展。直到1970年代中期，分析研究的目标过渡到了个体内的骨骼结构，肌肉组织和神经网络，采用建立有效的数学模型来分析基本的实验现象，进行数值模拟实验。

我国的运动生物力学萌芽开始于上世纪中叶末期，早期阶段存在少量体育机构和部门进行课程辅修、体育生物力学讲座等模式，国家审核通过体育委员会研究所建立现代运动生物力学实验小组。运动生物力学在许多研究领域中扮演着重要的角色，而且在中国运动体育的进步中承担中流砥柱的作用。在当前阶段，力学原理已逐渐转化为分析有机个体，尤其是人体中的研究，生物力学已经发展成为覆盖多个学科领域的重要体系。生物力学是运动生物力学产生的重要基础，这是结合体育学科发展的新方向，其存在和发展已在理论、方法、测量和分析中得到公认。但是，在全面考虑运动生物力学和生物物理力学的现状分析时，相关基本定义不够完善，其发展存在一定局限性。

2 运动生物力学的发展趋势

2.1 运动生物力学的研究现状

2.1.1 研究方法

当前阶段，运动生物力学研究主要通过理论分析、实验探究、表面肌电等实验测试方法和手段对人体行为运动中的力学现象进行分析。甄洁认为由于人体行为运动的综合性与复杂性，人体行为运动中监测力学参数技术困难比较大。因此，为了保证实验过程中监测的可靠性与准确性，监测时需要严格按照监测操作的步骤和要求，在提高监测精准度和降低误差同时要不断进行新方法的探索和研究。

(1)理论研究方法

理论研究方法主要是探究分析人体运动行为基本规律，其分析目标、分析手段、研究宗旨和结论分析与实验处理不同。理论研究处理的分析目标是被抽象化的人体模型，宗旨为了分析行为运动基本变化规律，核心内容是高等数学与经典力学的演绎推导，其结论是分析行为运动的内在联系。人体运动中常用的理论分析方法是建立数学模型。自1980年代以来，数值模拟方式获得了较多新的发现和成果，但我国数值模型技术未在人体运动中得到大量应用。

(2)实验研究方法

与理论分析方法相比，实验方法相对比较成熟。它通过计算机技术，医学和生物学等方面的先进实验方法来研究运动中的人体。它主要具有以下特点：

①监测处理方面，伴随科学技术的改善，监测技术更加多元化，越来越简便化。随着运动生物力学研究的突破，监测技术已经由平面二维摄影技术进步到三维立体摄影，做到全方位多角度地表现物体的运动行为特性。许多前沿现代科学技术设备也开始应用到运动生物力学的分析中。例如，爱捷运动图像识别分析系统、激光瞄准监测和分析系统、通用材料测试机、六维力测量平台SAEMS-T等。

②验室监测技术与体育运动的结合现场监测技术是分析运动员好坏的前提。例如，就此方法而言，要测量最大强度和快速强度，有两种更成熟的测量方法：一种是在实验室内通过各类型的测功系统设备和高端的多功能肌肉力量测量系统。这种方法可以称为“实验室测量”。另一种方法是通过反映运动员定向力量的训练设备或训练技术来判断运动员在赛场上的定向力量训练水平。该技术可以统称为“运动测量技术”。以上两种方式的应用需根据监测方法的实际背景和监测结果，它们各有利弊。因为“实验方法”是将测量条件限制在实验室条件下，以最大程度地减少技术和特殊协调等因素的影响，所以从纯粹的力量和质量的角度出发，合理地定量监测运动员的主要肌肉组织，并进行判断，因此监测数据无法全部表现出与特定运动方法相统一的特定强度。但是，由于技术和特殊协调因素的影响，不能排除“体育测量方法”。用它测得的比强度实际上是综合能力的反映，它主要由肌肉力量，技术和特殊的协调性组成。实验室内测量技术和室外场地测量技术的结合可以合理地诊断和监视特殊运动员的最大和快速力量。这不仅可以使教练了解与实际情况相符的力量水平，还可以对运动员进行深入分析。例如判断运动员肌肉组织的实际锻炼状态、潜力和缺陷，然后合理地设计不同阶段内的训练核心，并采取针对性的训练项目。

③指标的多样化，单一性已无法更好地解决实际问题。通过测量各种指标，它可以更准确地反映客观现状。例如，要研究减肥训练对骨骼肌的影响，说服一项生理特性指标非常困难。因此，在通过减肥锻炼后，需要把形态学，生理特性和功能紧密地联系起来，为全面分析运动员的状态，提供教练员参考。

(3)表面肌电测试与分析方法

现阶段,国外主要的表面肌电测试产品均已采用信号无线通信传输，大大改善了实验测试的便利性和应用性，该方法也逐渐地被我国研究人员所使用，运用到评价人体运动时的肌肉收缩变化规律。因此，通过肌电测试系统分析对人体运动行为中的肌肉收缩变化特性进行讨论的文章有所上升。近年来，通过表面肌电技术分析主要表现在以下方面：一是丁其川等人分析和探讨不同专项训练员完成动作时的肌电信号特征；二是张佑磊分析不同训练条件下或专项训练与比赛动作中的肌肉收缩特征，以进行效率更高和针对性更强的训练计划；三是马文凯等人通过表面肌电信号分析和判定肌肉的疲劳状态。

2.1.2 人体运动模型模拟方法的应用

运动模型模拟分析技术是运动生物力学理论研究的一种形式。通过模型模拟技术的应用可以分为两方面：一是通过采用人体多刚体特性与骨骼肌肉模型，模拟人体运动行为，推算肌肉、关节和骨骼在活动过程中的荷载；二是综合流体力学、生物力学、材料力学等基本原理，设立自行车、船艇等器材运动力学模型，通过数值模拟分析不同环境因素下的最优运动方案，或对自行车等设备进行升级与改进。

国内研究人员分析人体运动力学时，通过一些实验方案对模型数值模拟的结果进行了验证。例如，纪仲秋等人通过Any Body软件仿真模拟太极拳运动，并借助肌电测试技术对数值模拟得到的肌肉力进行了校验。又如，李旭鸿等人通过Lifemod软件对跳马项目的运动全程进行动力学高仿真数值模拟和分析。我国的一些研究学者通过人体构造和生物力学原理分析等，根据不同实验要求制定运动模型，如李翰君等人制定了基于Hill原理肌肉力学系统的人体膝关节肌肉荷载模型，并通过现有动力学结果模拟最佳的优化方案，得到人体膝关节肌肉受力分布的最优解，并分析研究了肌肉长度与关节力矩敏感度的影响关系。

2.1.3 运动生物力学测试手段的研究

我国运动生物力学研究学者通过实验研究，发明和制备了一些具有专用特性的力学监测器和监测系统。例如，李林等人通过正交设定的3个微型陀螺仪、3个微型加速度传感器和3个微型电磁信号器构成了惯性监测传感系统，通过监测计算关节部位的加速度变化和角速度变化进而得出关节运动的功率，研发了监测肌肉等张度伸展关节功率变化曲线系统。我国运动生物力学研究人员根据训练实际的需求，设计了大量运用诊断和记录运动员技术水平的实验系统。通过这些专项设备诊断和记录系统既能运用到许多夏季训练项目,又能大量运用到冬季训练项目，高效地服务于我国体育运动的专项技术训练中。

2.2 研究领域

自1980年代以来，我国运动生物力学的研究项目和研究领域不断扩大，覆盖国内竞技体育和社会体育，但胡立认为中国竞技体育所占比例较高，健身和康复方面的研究相对薄弱。通过分析发现，目前的运动生物力学领域具有以下特点：

(1)肌肉生物力学分析是生物力学的热门课题。最近几年，人们通过运动生物力学和运动医学原理对肌肉损伤的力学特征、病变和病理学的影响进行了更深入的分析。骨骼肌损伤后的力学特性变化已经成为运动生物力学方面分析的热点课题。研究肌肉损伤后的力学特性，分析肌肉损伤修复过程中机械变化的规律，防治肌肉损伤和反复损伤，同时制定损伤肌肉的康复训练，具有重大意义。

(2)关于竞技体育的研究仍占相当大的比例，但与过去相比，它更加注重训练实践，其研究成果可以高效地运用于竞技体育。例如，瞄准技术是射击运动的核心。瞄准动作是一个高度复杂的系统，但仍然需要遵循一些规则。激光瞄准分析系统应用量化体育运动员的瞄准技术，总结射击人员瞄准技术的行为规律，为优化技术提供定量分析依据，并制定训练计划。这种训练体系帮助我们的运动员取得了世界赛事的优异成绩。

(3)研究内容丰富、涉及广泛。自《全民健身计划纲要》发布以来，公共卫生领域逐渐成为分析研究的趋势。例如，通过运动生物力学原理分析人们运动结构和运动功能相互的影响；人体适应功能指数的研究与评价；青少年身体发育状况的特征因素研究。运动健身器材，运动科研设备和健身测量设备的发展也成为热门话题。中国的健身器材产品在1980年代初开始模仿并复制不适合中国人体特征的国外产品的初期阶段，进入自主创新和市场需求的发展时期，部分设备达到同行先进水平。

a)运动技术的生物力学：专项运动技术的分析与监测、技术原理和训练成绩提高变化规律的分析、动作调控的生物力学分析等。

b)运动训练的生物力学：运动生物力学在设计训练计划与训练效果判定中的应用、运动生物力学在训练设备的创新与设计中的应用、运动生物力学在运动训练检测中的应用。

c)运动损伤与康复的生物力学：技术动作与运动损伤的关系、运动器材与运动损伤的关系、肌肉变化与损伤的关系。

d)全民健身活动的生物力学：老年人运动行为及锻炼技巧的生物力学研究、儿童生长发育对动作影响的生物力学研究。

(4)数学模型与仿真研究。数学建模和计算机仿真在体育技术和人类体育行为的分析中起着重要作用。

(5)设计和开发运动工具和设备。通过分析辅助工具的举升和机械性能，我国研发了更适合运动的器材，例如羽毛球拍、网球拍和护腕等。诸如“不同材料泳衣对阻力的大小分析”和“不同材质网球拍与弹性系数的关系”等对此进行了多项技术验证，分析表明运动器械也起着至关重要的作用。

近年来随着体育事业的发展，我国在运动鞋领域的发展已经从成品鞋的性能检测与分析，转变为研究分析鞋的舒适、安全、轻质等功能需求，并根据不同专项运动的需求提供定制设计和选择先进工艺的依据。李建设等人研究分析不同运动项目的运动鞋材料、鞋底气垫工艺、触地时各类运动鞋变形受力特征、球鞋的高帮工艺、气垫材料和鞋掌造型设计对运动时的肢体动作的影响、防滑鞋底纹路工艺等进行了大量实验分析。

(6)研究运动引起的危险。通过对运动引起的危险原理的解剖学探索和相应的防护工具，可以降低潜在的受伤风险。该研究依据行为过程中生物学和物理学的实验技术和监测方法来分析产生危险的运动模式，并进一步结合人体构成以获得预测潜在危险的策略。

(7)探究人体测量科学。我国已与国内高等院校和国家体科所合作，制定了我国成年人的惯性参考量。

2.3 研究仪器

采取高速摄像机监测处理系统，该设备具有高分辨率摄像系统和视频采集处理系统。在这项研究中，还将使用图像识别系统和高精度红外光斑分析工具。根据磁感应和人体运动模仿，开发特定的行为测试工具和物理模型。在人类体育技术的探索中，逐渐应用了用于体育技术分析，神经系统模型和EMG数据分析的“专家系统”。

2.4 发展趋势

2.4.1 研究内容的增加

研究已经开始多样化，从过去仅限于为运动员提供服务，到向公众提供更多关于竞技体育的开放技术和规范指导。目前，医学水平和疼痛预后水平发展迅速，因此与之相关的免疫力学、临床力学以及生物工程联系的力学得到较快发展。国际运动生物力学的发展领域逐渐扩大，研究层次进一步深入。杨慧馨等人认为在对生物的讨论中，它已从整体讨论逐渐演变为对不同组织和结构的讨论，从对行为和运动记录的讨论，到神经肌肉相互作用以及运动和力学原理的扩展。

2.4.2 运动损伤的生物力学探讨

在运动生物力学发展的历史中，变化趋势是从早期对低等生物运动的研究发展到对体内相应机制的分析。李光军等人认为尽管关于运动损伤的研究很少，但探索运动的潜在危险将成为力学思想中的一种新的生物学。国内高校教授探讨了运动诱发的急性关节炎，并通过前沿生物力学监测技术对腕软骨生物盘采用“压缩扭曲”分析，并评估了个体的组织结构，不断变化的规则和机械原理进一步把握了创伤原理，因此可以采取标准化有效的预防措施。

计算机技术的进步是推动运动生物力学快速发展的主要动力。王今越等人研究表明运动生物力学的理论分析会倾向于编程技术的精简度和方便度，同时要求理论分析的全面性和综合性。高效、精确地监测和实时分析人体行为的各项机械参数，应用自动控制系统进行实验自动监控是未来技术发展的必然趋势。因为不可以在个体上直接进行许多实验，同时为了预测运动的变化，所以在运动生物力学的分析中出现了各种模型。随着电子设备的发展，数值模拟的计算程序多、耗时大、复杂等弊端已逐步解决。因此，设计多种数值实验模型是运动生物力学分析的又一发展趋势。

2.4.3 技术检验的讨论方法

帅广震认为技术检查的方向应符合所有项目的要求，可以及时提供实验性勘探结果，并包括相应的总体研究报告。逐步推广立体跟踪摄像机的检测方法，使其更加普及，使摄影和录像的效率、测量方法、控制方法和肌肉动力学模拟方法得到进一步提高，使它是朝遥测部分数据反馈和对应数据的方向发展。收集设备的小型化和结论查询的有效发展，以及监督，检查和收集方法的不断完善。

2.4.4 传统力学探究和力学建模分析

在研究过程中，机械建模基于经典力学的基本理论，然后介绍了有机体内已经存在的机械变量，计算机模拟了人体在设定环境中的简单运动，并使用了拉格朗日方程和价理论定律解决了力学问题，并进一步解释了生物运动的原因和机制，以及由参与行为过程的神经网络和身体部位调节的运动规则。这些技术可以为解释生物的运动行为提供更多的理论基础。在1980年代，人们创建了第一个基于生物力学的人体运动模型，并针对不同的人体运动建立了非常不同的人体运动行为模型。然后，他们使用计算机语言来描述运动目的，行为和行为的调节。最后，根据实验数据，模拟人体运动规律及相关因素，然后通过计算机再次优化数字规律，从而量化运动行为规律，以获得结果，这是一种非常有创意的查询方法。

3 结论

1．发展的局限

通过分析运动生物力学系统的发展，可以得出运动生物力学的发展现状还存在一定弊端。对这项科学的分析是多元化的，其理论依据也有很大差异，但是促进该技术应用于生物力学和体育运动的全面发展，那么科技的进步就必须是系统的。虽然应用的领域逐渐扩大，但还是具有一些局限性，同时需要满足在依据人体力学的种类上继续发展。虽然分析技术层出不穷，但个别措施存在不成熟现象，因此需要结合当前先进的大数据分析技术使用，满足更加精确的数据分析。局限性有以下三个方面：

(1)国内外运动生物力学分析技术的发展速度大致同步。与国外运动生物力学的现状进展对比，我国运动生物力学分析在监测设备、分析方法和技术上，与国际间的差距不大，但理论分析与分析方法的创新相对较少。

(2)国内外运动生物力学在分析领域中的动机不尽相同。国内分析倾向于以取得赛事项目成绩为目的的竞技运动项目的技术分析；国外分析倾向于以防治运动损伤和康复训练为目的的行为动作的生物力学研究，包括基本行为功能的力学特性分析。

(3)国内外学校对运动生物力学培养学习的侧重不同。我国的教学院系中，除个别的运动人体科学类别外，体育训练、运动康复等专业学习人数较多将运动生物力学设置为辅修科目，导致较多学生不具备相关的基础理论和专业技能。对比国外发达国家的大学体育院校将运动生物力学设置为必修课，国外研究人员认为体育专业不会运动生物力学是不可思议的。

2．发展前景

运动生物力学是一项覆盖领域丰富的综合学科。它的发展进步依赖于物理学、生物学、医学以及计算编程等多种交叉学科的辅助。为了将来更好地发展，我们需要进一步开放研究大门促进更多的学者进入。虽然运动生物力学的前进道路上存在许多荆棘，但其发展应用前景才显露冰山一角。

(1)利用交叉学科的技术、方式和手段进行运动生物力学分析。未来研究的必然是多领域的交叉与融合，通过多领域的技术和方法，分析和处理人体运动的问题。例如，通过流行病学的分析技术，运动生物力学可以为运动潜在问题提供技术分析；利用数学的优化处理和计算机系统，实现对人体行为进行数值分析和判断。

(2)增大运动诊断和优化技术的理论分析，其研究应注重实验的积累和分析技术的改善,减少对运动技术特征单一进行叙述。我国运动生物力学实验人员应提升科研设计的水平、综合分析统计技术和处理统计数据的能力，同时增强分析验证科学假设的能力。

(3)增大在运动损伤和康复训练领域的生物力学应用和普及。国际方面，通过生物力学对个体肌肉组织、关节、韧带组织等方面分析，长期是学者研究的热点，其分析结果对运动医学、康复训练、临床骨科等产生了非常重要的影响。

运动生物力学的进步必须有坚实的科技储备，这要求基础理论研究的进步和扩大开放的应用领域。