探究运动生物力学学科的创新发展路径分析

郭俊　吴小宇

在我国科学技术全面研发与升级过程中，运动生物力学学科逐步成为其中的一项重要内容。该学科主要针对运动生物力学的发展过程与现状给予系统化、完整性的分析，由此明确其研究内容、存在问题以及发展方向，提出当前该学科需要突破的科研与技术瓶颈，并把握未来进一步的发展与研究路径。本文即在此背景下展开研究，通过分析运动生物力学学科的发展现状，提出其创新发展的方向与路径。

运动生物力学是围绕人体运动展开的科学研究，通过力学的基本理论解析人体运动的复杂体系与结构，从而可以根据人体运动现象，做出相对客观、定量且定性的描述与解析。该学科所涉及的内容与方向较为广泛，不仅与解剖学、生理学、力学、生物学等息息相关，而且还需要多学科之间的交叉融合。因此在我国现代化建设进程中，运动生物力学是重要的科学技术之一，并且在多年的深入研究中获取了丰硕的成果。

1 运动生物力学学科的发展现状

目前，运动学、动力学以及肌点测试等方式是我国运动生物力学研究中的主要方法，可以对运动中的人体问题进行分析与解释。但是在实践过程中，运动时的人体具有极其复杂的运作内容，所产生的力学参数数据具有较高的测试难度因此需要在测试方法、流程、提高精度等方面进一步探索。

1.1 运动学

运动学参数是运动生物力学研究中的基础内容，目前获取该参数的方法主要有四种，其一需要利用摄像技术录制，而后對影像进行解析，该方法分为二维与三维两种层次，不过目前三维摄像与解析技术已经得到了普遍应用。其二利用红外光点对人体的运动过程进行捕捉并分析。其三采用电磁感应的方式捕捉运动轨迹进而展开分析。其四利用惯性技术捕捉运动过程，同样由此展开分析。就我国而言，摄像与影像解析是目前运动生物力学研究中所使用的核心测试手段，但该方法会出现系统错误与随机误差，对最终的分析结果会产生一定的影响，因此需要有效减少并校正误差，以提升我国运动生物力学的分析水平。

1.2 动力学

在运动生物力学的实践应用过程中，动力学传感器则是至关重要的辅助设备，其不仅可以测量人体运动期间与环境之间或者与器械设备之间形成的作用力，而且能够自动计算并分析人体在每一个瞬间的力学状态。因此在运动技术分析过程中，或者在研究运动损伤机制时，都必须围绕动力学测试工作展开，因而该技术的重要性不断提升。目前我国仍然主要采取应用测力平台实施运动生物力学研究，通过其收集的数据可以分析人体的跳跃能力、姿态控制能力、落地能力以及专项动作技术等，并由此进行测量与评价。与此同时，还需要注意在关节力与力矩研究的过程中，则可以采取逆向动力学理论，但该方法同样存在较大的误差，不过目前借助红外点运动捕捉系统可以有效降低误差提高精度，因此为逆向动力学的实践应用提供了新的方法与路径。

1.3 运动生物力学测试手段

在运动生物力学学科发展与建设的过程中，根据实践研究需要，研究人员还开发了诸多辅助完成实验的技术与设备，尤其在力学传感器与功能测试系统方面，设计出了具有特定功能的辅助设备与测试系统。比如在测量关节与加速度等相关数据时，就可以借助收缩关节功率曲线测试系统，根据该系统测算出所需的精确数据，可以为运动生物力学发展提供重要的技术支持。此外，针对实践研究的需求，还研发了具备诊断功能的运动员技术水平测试系统，该系统可以从科学的角度，以数据分析的方式测试运动员的技术水平，因此在运动员训练环节中，该系统可以辅助教练完成运动员技术训练，可以让教练更清晰地了解运动员的状态。

2 运动生物力学学科的创新发展方向

2.1 肌肉力学

在当前研究背景下，肌肉力学是该学科领域中发展与研究的重要内容，不仅吸引了大量研究人员，而且具有极高的挑战难度，尤其在运动生物力学学科建设时期，肌力测量是当时面临的重大难题，更是运动生物力学学科得以长久发展的核心问题。直到“希尔方程”出世，成为解决肌肉力学研究问题的核心助力，而人们对于肌肉力学的研究也在进一步深入。一方面，大量研究人员开始运用离体肌肉进行研究，并在研究过程中得到了诸多成果。另一方面，牛顿力学理论也在离体肌肉中得以运用，成为新的支持离体肌肉研究的重要理论。但在此过程中也出现了新的挑战，如何进一步研究活体运动力学的规律与方法，成为诸多研究人员面临的核心问题，尤其在人体肌肉的损伤与恢复研究中，如何通过对肌肉的定量协调与分配，成为未来运动生物力学研究的重要方向之一。

2.2 测量方式

测量方式是解决运动生物力学研究问题的根本技术问题，在学科建设的过程中，测量方式也在跟随技术不断发展，从最初的平面影响解析，到如今的三维影响解析，实现了普通高速摄影机到高级高速摄影的跨越，为运动生物力学研究奠定了基础。与此同时，在慢速手工数字化发展进程中，也逐步实现了光点实时采样系统的建设，具备快速、精确反馈的功能。在该过程中，三维测力台也有重要的应用价值，一方面其具有高度的精确性，另一方面则实现了单项工程测力器向液压驱动的转变，这是技术发展的必然趋势，也是该学科持续发展的真实见证。此外，对于该学科而言，高速摄影、动态测力、摄影测量、肌电测试四种测试方式是其科研发展的核心力量，在未来的短期发展进程中，这些方法还具有较高的应用性，但从长久来看，我国也必然会开发与研制出新的、更加精确且完善的测量方式，这也是本学科建设路径中的创新发展方向之一。

2.3 力学模型以及运动仿真

自20世纪80年代开始，生物力学学科在我国得以兴起，通过对人体运动的模拟研究，分析人体的力学问题。在实际研究过程中，研究人员可以根据不同类型的人体运动创建人体模型，并利用数学语言将运动过程进行描述与表达，然后再进行科学分析，得出相应的科学结论。此外，研究与探索人体的运动方式、运动行为控制也是该学科研究中的关键问题，因此在该研究工作中，探索如何结合实验测量结果建立人体运动方程，并设立相应的便捷条件就成为研究的重要目标，而后便可以利用计算机将实验过程中搜集的复杂数据进行运算与求解，用人体运动方程解释人体运动力学的具体行为与方式。因此人体力学模型与运动仿真就成为未来研究与开创的重要内容。

2.4 教材体系

目前，我国在运动生物力学学科的教材体系建设方面存在较大的缺陷，一方面在于课程内容的把控缺乏系統化、完整化的梳理，另一方面还缺少一些当前的前沿技术与国外研究成果，因此在该学科建设进程中，还需要进一步深入研发教材内容与课程资源，既要充分挖掘本学科中的优势与特点，通过更合适的方式与资源形式进行呈现，以满足不同类型人们学习的需求。同时也要保证其中知识点的集中性、连贯性与适用性，并通过精确的表达方式与数据内容，将最新研究成果展示给每一个学习者。此外，还应进一步学习国外的学科建设经验，根据其教材研究体系，结合我国高校或其他研究或教育机构的基本学情，保证教材建设的适用性与先进性，从而为本学科的建设提供持续发展的空间与前景。

3 运动生物力学学科的创新发展路径

3.1 以应用基础研究为学科方向

应用基础是运动生物力学学科创新发展的根本需求，因此实践就成为该学科建设的根本方向。首先，要全面倡导科研人员深入基层，通过对一线体育运动的观察与追踪研究，结合研究成果与数据对优秀运动员的技术动作进行诊断与评价，并进一步探索提升和改善运动员技术水平的方法，为该学科科研成果的应用做好全面准备。其次，要做到理论与实际的研究结合，科研人员不仅要全面了解和掌握运动生物力学的理论基础，而且要从实践中了解人体运动的基本特征与规律，比如可以与教练员、运动员深入探讨与总结记录，找到科学的解决方法与技术。其三，还应建立学科数据库，以实践数据为基础，通过数据库建设不断获取运动相关的各类参数，并通过数据共享的方式，构建全体运动生物力学研究人员的合作平台，以求实现信息同步与成果共享。

3.2 以科研人员培训为发展基石

运动生物力学学科建设需要高素质的科研人员与教育专家，因此在学科建设过程中，还需要更为优秀的科研团队，所以建立培训机制是该学科发展的基石。第一，要建立完善的培训制度，定期开展培训活动。第二，要积极邀请相关专家与行业代表，通过开展讲座、专题课等方式促进科研人员的专业水平。第三，要扩展科研人员的综合能力，通过多学科课程融合，构建实践项目，提升科研人员的实践水平与学科融合素养。

3.3 以课程体系建设为核心结构

运动生物力学学科建设需要完善的课程体系，该学科主要包括运动学、生物学、力学等专业方向，因此在课程体系建设时，需要将多个方向的学科进行巧妙融合，一方面要避免割裂与脱节，要将多学科方向的内容融于完整的实践项目之中，从而保证课程的系统性与深度。另一方面则要整改教学结构，通过设立专题的方式，将不同学科的知识按照专题研究需要纳入其中，由此建成不同层次、规格与方向的课程。

3.4 以实验室建设为关键路径

运动生物力学学科具有很强的实践性质，因此需要通过实验室建设为学习者以及科研人员提供实践空间与平台。一方面，实验室建设需要完善的高科技仪器设备与系统平台，保证实验过程的科学性与精确性，能够由此得出正确的结论，提高科研人员的分析、诊断与解释能力，获得开发新技术的途径。另一方面，要建立专项实验室，每一个实验室要保持环境的封闭性与独立性，针对某个方向而设立实验室主题，以此保证运动生物力学学科发展的有序性与战略性。

4 结语

综上所述，在我国运动生物力学学科的研究发展进程中，目前还存在一些不足与缺陷，在一定程度上阻碍并影响了该学科的建设与创新。对此，需要针对肌肉力学、测量方式、力学模型与运动仿真以及教材体系等方向提出创新研究的发展思路，并通过应用基础研究、科研人员培训、课程体系建设以及实验室建设等路径，实现运动生物力学学科的可持续发展。

（作者单位：广州华立科技职业学院）