人体运动与肌肉骨骼系统生物力学虚拟仿真教学实验开发与应用

万 超， 王 伟， 于 洋， 霍 波

（北京理工大学宇航学院，北京 100081）

0 引 言

随着全球新一轮科技革命的加速及我国“健康中国”国家战略的实施，与人体运动健康相关的研究及产业正在飞速发展。力学学科与基础理论和工程应用均密切相关，目前出现了生物力学、仿生力学等新兴学科分支。生物力学研究主要是应用力学原理和方法对生物体中的力学规律进行定量分析，重点关注与生物学、生理学、医学相关的力学问题［1］。其中，运动生物力学一直是生物力学的研究热点和难点之一，其研究成果有助于人体运动能力提升、运动促进健康方案设计、运动受损诊断评估、仿人机器人优化、运动装备改进等［2-6］。

在生物力学相关的科学研究及产品研发中，常需用到先进的实验技术和测试设备，如用于人体运动行为定量分析的动作捕捉系统、用于测量生物组织微纳米尺度力学特性的原子力显微镜（AFM）或纳米压痕仪等。配置这些实验设备往往花费昂贵，部分精密仪器极易损坏，单次实验可容纳人数仅1或2人；此外，用于实验的人体组织样本和特殊人群动作也很难获取。高昂的经费投入、有限的覆盖人数和难以获取的实验对象等现实条件使很多学校无法开展相应的实验教学项目，制约了学生扩宽知识视野、提升专业技能、锻炼实际工程能力，不利于创新性专业人才的培养。

基于虚拟仿真技术来构建实验教学项目可以很好地解决所面临的上述难题，目前已有部分教师开始尝试在人体运动相关课程中进行虚拟仿真实验教学应用。王建鹏等［7］在Matlab软件中的Simulink环境下实现了模拟人体真实控制方式的虚拟人行走动作，运动具有良好的平稳性，但虚拟人模型过于简化。类似地，曹中旺等［8］基于运动生物力学捕捉技术构建了人体的简化体段模型，并将其用于跳高运动员训练效果的评估中。随后，虚拟仿真模拟技术开始逐渐被在篮球、羽毛球等体育教学中进行试用［9-10］。然而，上述应用多是对运动动作进行定性演示和功效评估，而非围绕人体运动行为与生物力学特性开展的力学实验研究，不适合力学、机械等理工科本科学生的专业培养。在所涉及的力学实验技术方面，孙艳娜等［11］开发了针对混凝土力学参数测量的材料试验机虚拟仿真实验平台，李英姿等［12］开发了用于基础物理课程实验教学的原子力显微镜虚拟仿真实验系统。然而，上述两类虚拟仿真实验教学项目并未包含有人体生物力学相关的实验内容。综上，目前仍然缺乏能够反映人体运动与生物力学前沿成果和先进实验技术的虚拟仿真实验教学项目。

基于此，笔者与软件公司联合设计开发了人体运动与肌肉骨骼系统（以下简称肌骨系统）生物力学虚拟仿真实验教学平台，以解决力学、机械等理工科专业复合型创新人才培养中缺乏相应教学实验的问题。该实验教学项目包含了人体运动相关的宏观系统层面实验和微观组织层面实验，再现了动作捕捉、肌肉骨骼系统动力学分析、生物组织力学特性测量等运动生物力学常用的先进实验技术和分析方法，不仅能推进人体运动生物力学方向核心内容的实验教学，更能帮助学生建立力学理论知识与实际应用场景具体对象间的有效联系、提升创新性拔尖人才培养水平。

1 实验内容与原理

1.1 实验目的

本虚拟仿真教学实验的主要目的是使学生在较短时间内掌握人体运动与肌骨系统生物力学中涉及的基本理论知识和常用实验技术，为今后研究生物力学机制、研发运动装备、开展人体运动特性评价等奠定理论和实践基础。具体的教学目标如下：

（1）理解运动捕捉分析和生物材料力学特性测试技术的基本原理。

（2）掌握人体运动捕捉和地面反力的实验技术和分析方法。

（3）掌握肌骨系统主要组织力学性能的实验测试技术。

（4）理解骨和软骨的微观力学特性、肌肉的主动/被动张力特性、韧带软组织的横观各向同性超弹性等独特力学行为。

（5）了解人体常见动作下肌骨系统动力学特性。

1.2 实验内容

为达成以上实验教学目标，本项目主要包含3个实验模块：

模块1人体运动捕捉与肌骨系统动力学分析。对人体不同运动进行动作捕捉，获得人体的运动学特性，并得出不同动作下人体肌肉张弛状态等动力学特性。

模块2骨与软骨压痕实验与力学性能分析。针对人体肌骨系统中的骨与软骨组织，使用原子力显微镜开展压痕实验，获得生物组织沿不同方向的力学特性。

模块3纤维软组织拉伸实验与力学性能分析。针对人体肌骨系统中的肌肉和韧带组织，使用力学试验机获得不同组织在不同方向和主动/被动工况下的力学行为。

实验内容、实验目的与人才培养目标的对应关系如图1所示。

1.3 实验原理

上述各模块主要涉及的实验原理如下：

（1）人体运动捕捉及肌肉骨骼系统动力学分析方面。通过捕捉人体各体段骨性结构上红外光标记点的三维运动轨迹，进而计算出人体各体段和相应关节的速度、角速度、加速度和角加速度等；获得人体足底的三维地反力情况，与运动学数据联立求解出各关节载荷；结合骨骼肌张弛力学模型及其解剖分布情况，融合运动学、动力学等数据进行各肌肉张力特性的优化求解。

（2）骨与软骨组织的力学性能测试方面。在弹性半空间和赫兹接触假设前提下，基于压痕理论对材料的微尺度力学特性进行表征。使用已知截面形状的探针压头在被测样本上进行加载和卸载，在所得的力-位移曲线中去除探针悬臂梁的弯曲变形影响，从而得到反映待测样本力学特性的压入深度-力曲线，基于Oliver-Pharr公式得出被测材料在受载方向上的弹性模量E［13］。考虑到所用的金刚石压头具有非常高的弹性模量（1 170 GPa），具体公式如下：

式中：β为修正系数；S为接触刚度；hc为接触深度；E和ν为样本的弹性模量和泊松比；A（hc）为压头的接触投影面积，是接触深度hc的函数。不同形状的压头具有不同的A（hc）函数，因而式（1）可以简化成不同的形式。对于具有不同形状特征的压头，应根据具体情况进行分析。以尖端为球型的圆锥型压头为例，样本弹性模量E可由下式得出［14］：

式中：Rc为压头与样本间的接触半径；h为压入深度；P为压痕载荷；Rt为探针压头尖端的球型半径；θ为压头的圆锥半锥角。

（3）生物纤维软组织的拉伸实验测试方面。基于数字图像相关（DIC）技术，使用中高速摄像机捕捉生物软组织表面随机散斑在拉伸过程中的运动情况，得到样本的应变分布；使用力传感器和样本截面测量数据获得样本的应力变化情况，从而得到不同样本的应力-应变曲线。进一步，使用双线性本构模型［15］对应力-应变曲线进行拟合，得出韧带组织明显的非线性力学特性，具体表达式如下：

式中：σ为轴向拉伸应力；ε为轴向拉伸应变；E0为小应变下的弹性模量；E1为大应变的弹性模量；ε0为弹性模量转变应变。

2 项目架构及设计

2.1 总体框架与功能设计

人体运动与肌肉骨骼系统生物力学虚拟仿真实验教学主要分为课前自主学习、课上主题讲解、线上虚拟实验探究、结果研讨拓展4个环节。在课前自主学习环节，学生通过实验指导书、MOOC、微课等资源自主学习人体肌骨系统运动生物力学的相关理论知识；在课上主题讲解环节，教师对实验所涉及的主要背景知识、实验原理、技术方法和操作流程进行讲解，并引导学生进行研究讨论，最终形成共识或确定争议点；在线上虚拟实验探究环节，学生选取不同实验模块开展线上虚拟实验，对实验中的关键参数、重要的过程性结果以及实验数据进行记录；在结果研讨拓展环节，完成实验报告（含关键步骤截图、实验数据、实验结论、心得体会等），并通过对实验结果和过程的讨论进行拓展学习。其中，线上虚拟实验是在所构建的虚拟仿真平台上完成。

该虚拟仿真教学实验平台以3D仿真、HTML5和WebGL等技术为依托，使用Unity3D、3D Studio Max和Maya等开发工具，构建了人体运动捕捉及分析、骨与软骨压痕测试、人体肌骨系统软组织拉伸实验3个实验模块，每个模块内包含实验简介、具体操作、数据分析、知识测验等环节。知识测验环节可以对学生的课前自主学习和课上主题讲解效果进行测试，具体操作及数据分析环节真实再现了实际实验中的关键过程和核心参数。各环节间前后呼应、相互依存、层层递进，系统性地提升了学生对相关理论知识和实验技能的理解和掌握。

2.2 核心要素仿真设计

（1）运动捕捉场景及核心测试系统设置。再现了真实的实验环境和操作环节，如可自由设置动作捕捉相机和测力台的数量和位置（见图2）、自由选择标记点方案、测试前后进行系统标定和补点操作、不同相机下显示实际的标记点运动影像等。

（2）基于数据驱动的虚拟人模型。具有人体的完整体段和关节自由度，可按内置步行、跑步动作或由用户提供的专业运动数据来运动，可拓展性强（见图3）。

（3）人体肌骨系统动力学特性。包含了主要骨骼、肌肉种类和肌肉束等特征，定量展示了动作单周期内的肌肉各束张弛情况（见图4）。

（4）原子力显微镜压痕测试操作及关键参数设置。包含了压痕测试的关键参数和步骤，如视野下调节待测位置、选择探针悬臂梁刚度和确定压头形状参数（见图5）、标定探针灵敏性、自由设定关键实验参数、基于力学模型定量分析实验曲线等。

（5）肌骨系统主要组织的真实特性。可显示密/松质骨、软骨、韧带等的真实宏微观影像（见图6），输出结果反映出不同交互操作下的力学行为变化，如骨/软骨的微观力学特性分布、韧带的横观各向同性超弹性、电刺激下的肌肉主动收缩行为等。

2.3 交互步骤设计

人体运动与肌肉骨骼系统生物力学虚拟仿真实验教学项目的实验流程（见图7）为：登录系统——进入模块1开展人体运动捕捉与分析实验——进入模块2开展骨与软骨压痕测试实验——进入模块3开展软组织拉伸力学实验——综合分析实验结果、形成实验结论——完成实验报告并在系统内提交。下面对人体运动捕捉与分析实验（模块1）和密质骨压痕测试实验（模块2）进行主要交互步骤的说明。

2.3.1 人体运动捕捉实验及分析（模块1）

人体运动捕捉实验及分析的主要步骤如下：

（1）选择不同类型动作（见图8），可选择“步行”“跑步”2种预设动作或本地/平台上的“自选动作”数据（根据设定格式对数据进行转换）。

（2）在场地中央和周围任意位置分别布置任意数量的三维测力台和动作捕捉相机，并对其进行标定操作（见图9）。

（3）在任一测力台上放置所构建的数据驱动虚拟人，设置实验系统参数，在人体骨性结构处粘贴红外光标记点（见图10）。

（4）开始实验，界面下方实时显示出地反力曲线及各相机中标记点的运动捕捉影像（见图11），结束后对因人体遮挡而造成的采集数据缺失进行补点操作。

（5）在人体三维解剖图上选择具体肌肉，展示出该肌肉在动作过程中的张弛变化曲线（见图12）。

2.3.2 密质骨力学性能压痕实验与分析（模块2）

密质骨力学性能压痕实验与分析主要步骤为：

（1）选择密质骨样本及其待测方向（矢状面、冠状面、横截面）（见图13），按适用于该样本模量的悬臂梁刚度推荐方案来选择适用的探针悬臂梁刚度。

（2）选择探针针尖类型，并基于压头的扫描电镜图像完成对其形状参数的测量（见图14）。

（3）在原子力显微镜上完成装针后，开始对探针的偏转灵敏度进行拟合标定（见图15）。

（4）将样本固定在AFM平台上，在镜头下确定样本上的压痕测试区域（见图16），进而完成进针操作，设置加载载荷、加载速率、卸载速率、保载时间等4种参数。

（5）开始压痕测试实验，在线对所得压入深度-力曲线进行定量分析，得出样本的弹性模量及硬度参数（见图17）。

3 实施成效与展望

3.1 教学对象

（1）专业与年级要求。本实验教学项目主要面向力学、机械、生物医学工程、航天工程及相关专业的本科生和研究生，针对生物力学导论（32学时）、生物力学与工程（32学时）等课程的实验环节。其他年级的学生也可通过自学实验指导书和教学课件来扩展知识和掌握实验技能。

（2）基本知识和能力要求。学生应具备理论力学、材料力学、现代测试技术等相关课程的基础知识和理论分析能力，并了解人体肌骨系统解剖学等基本知识。

3.2 特色创新

（1）实验内容创新。围绕人体肌骨系统运动生物力学，构建了从人体整体运动到具体关键组织力学特性的综合系统的实验内容，培养学生从人体运动现象“提出问题”、应用力学理论“分析问题”、使用实验技术“解答问题”的完整创新思维。

（2）教学方法创新。将传统教学中借助书本介绍理论、实验仪器简单演示的方式转变为可视化的高阶人机交互式虚拟实验教学，使学生不再只是观摩先进实验仪器，而是能够进行动手操作、切实提升工程实践能力，为今后从事专业设备研发和学术研究奠定基础。

（3）评价体系创新。在评价体系中体现学生“认识-学习-应用-提升”的全过程效果，全方位地评价学生实验学习情况和效果，最终成绩中包括预习答题分（7分）、操作步骤分（68分）、数据分析分（15分）和实验报告分（10分），形成完整的综合实验训练环节。

3.3 实施效果

人体运动与肌骨系统生物力学虚拟仿真实验教学项目建设完成后，已获国家版权局计算机软件著作权（登记号：2020SR1120028），并在我校虚拟仿真实验教学平台（vredu.bit.edu.cn）上进行布置，面向全校学生进行使用。2020年9月开始，该实验项目在我校工程力学专业大三学生的专业选修课生物力学导论和理工类专业大一学生的公共选修课生物力学导论中进行应用，使用人数达到300余人次，出色完成了相关课程的实验教学任务，教学效果良好。通过该虚拟仿真实验教学项目，有效地激发了学生对生物力学交叉学科知识的学习兴趣，提升了学生对相关理论知识和实验技术的学习效率，学生普遍反映实验内容丰富、实验步骤交互操作性强、呈现形式新颖、具有非常好的体验感。

3.4 未来展望

在现有虚拟仿真实验教学项目建设基础上，未来还需要在以下几方面进行改进和拓展：

（1）完善实验内容和功能。如在人体运动分析中添加关节力/力矩计算分析功能；实现与肌骨系统动力学分析开源软件Opensim的数据交互和在线分析；引入可能出现的操作错误或实验误差，进一步提升实验结果的真实性等。

（2）丰富实验对象和数据类型。如结合科技冬奥国家重点研发计划研究成果，在虚拟人动作中添加冬季项目动作数据；增加骨/软骨组织的粘性行为和在疾病状态下的力学性能数据，建立更为丰富的生物软组织力学性能数据库等。

（3）进一步提升虚拟仿真技术水平和交互方式。如添加实验报告在线填写功能；增加平台的最大同时在线人数及最大并发数；实现与可穿戴设备的连接和动作实时在线；开发适于VR、移动端等多种方式的系统版本等。

（4）在高校及相关行业中进行推广。将本实验教学项目逐步推广应用于理论力学、材料力学、弹性力学、生理解剖学、体育训练学、康复工程等相关课程的课程实践和扩展学习中，如人体运动分析可用于理论力学教学、生物材料的纳米压痕检测可用于材料力学和弹性力学的教学等。此外，探索与体育、医疗、康复等相关行业机构的交流合作，拓展该项目在服务于创新人才培养、“健康中国”等国家战略和产学合作协同育人等方面的积极作用。

4 结 语

虚拟仿真实验教学手段可以有效地解决实际教学过程中高成本、高消耗、高风险、不可逆操作类教学实验难以开展的问题，推进对学生综合创新实践能力的培养。本文采用3D仿真、虚拟动画、人机交互、数据驱动等技术，设计并搭建了人体运动与肌骨系统生物力学虚拟仿真实验教学平台，包含了人体运动捕捉及肌骨系统分析、骨与软骨力学性能压痕实验与分析、纤维软组织力学性能拉伸实验与分析3个实验模块，切实提升了学生对生物力学相关理论知识和先进实验技能的理解与掌握，有助于解决力学、机械等理工类专业复合型创新人才培养中缺乏先进实验技术训练和操作的难题。