基于神經(jīng)肌肉功能訓(xùn)練理論與方法的新型訓(xùn)練器械的研發(fā)與應(yīng)用

劉 宇，李海鵬，劉翠鮮，田石榴，井蘭香，孫明運

基于神經(jīng)肌肉功能訓(xùn)練理論與方法的新型訓(xùn)練器械的研發(fā)與應(yīng)用

劉 宇1，李海鵬1，劉翠鮮1，田石榴1，井蘭香2，孫明運3

無論是優(yōu)異的運動成績，還是良好的鍛煉效果，都離不開科學(xué)的訓(xùn)練方法與訓(xùn)練器械。鑒于當(dāng)前傳統(tǒng)的訓(xùn)練方法無法完全滿足神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的多樣性適應(yīng)要求，針對性地開展了基于神經(jīng)肌肉功能訓(xùn)練理論與方法的新型訓(xùn)練器械的研發(fā)。首先，本著避免運動損傷的同時達(dá)到最大肌力與爆發(fā)力雙重提升的目的，將超等長訓(xùn)練與重量訓(xùn)練相結(jié)合，研發(fā)了負(fù)重超等長訓(xùn)練方法與器械。其次，為了提高核心力量與肌肉協(xié)調(diào)能力，在充分利用人體對不穩(wěn)定性的控制基礎(chǔ)上，研發(fā)了慣性啞鈴和慣性杠鈴。這些新訓(xùn)練方法與器械的引入，對于提升運動訓(xùn)練過程中神經(jīng)肌肉力量及功能的訓(xùn)練效果產(chǎn)生積極的作用。

神經(jīng)肌肉功能；負(fù)重超等長訓(xùn)練系統(tǒng)；慣性啞鈴；慣性杠鈴

通過科學(xué)訓(xùn)練提高運動員乃至運動健身者的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)功能，已成為當(dāng)前競技體育與全民健身關(guān)注的熱門課題之一。力量素質(zhì)不僅是身體素質(zhì)的重要組成部分，更是運動技能得以展現(xiàn)的基礎(chǔ)保障。根據(jù)肌肉力量的一般表現(xiàn)形式，肌肉力量可以劃分為最大力量、爆發(fā)力和肌耐力[16]。長久以來，負(fù)重訓(xùn)練(Weight Training，WT)以個人體重或者器械進(jìn)行的漸進(jìn)式動作作為肌肉力量訓(xùn)練的主要手段，被認(rèn)為是增加最大力量的有效方法。然而，Bloomfield等人[9]以優(yōu)秀水球運動員為研究對象，觀察肌肉力量與投擲速度的關(guān)系時指出，傳統(tǒng)的阻力訓(xùn)練顯著增加了最大力量，投擲速度卻沒有產(chǎn)生變化，因而對爆發(fā)力的增加有限。Rutherford等人[23]的研究結(jié)果也指出，在為期12周的下肢阻力訓(xùn)練后，增加了蹲舉重量，卻并未增加Wingate無氧功率測試中所測得的峰值功率。因此，傳統(tǒng)的阻力訓(xùn)練單純依賴向心、離心收縮的訓(xùn)練方式，產(chǎn)生神經(jīng)適應(yīng)和肌肉適應(yīng)機制，可有效增加最大力量，但卻不能十分顯著地增加肌肉的爆發(fā)力，因而，無法滿足實際比賽的需要[14,15,26]。

在多年的運動訓(xùn)練實踐中，教練員們創(chuàng)造了多種多樣發(fā)展肌肉力量的方法以作用于某塊肌肉或某些肌群，進(jìn)而通過增加肌肉生理橫截面積和改善肌肉內(nèi)協(xié)調(diào)能力來增加肌肉力量。這些傳統(tǒng)方法在常規(guī)訓(xùn)練中雖然取得了一定的成效，但也存在著局限性。鑒于神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的活化水平對于肌肉力量的提升具有重要的作用，那么，要想產(chǎn)生新的突破性運動適應(yīng)，就需要在實際訓(xùn)練中不斷增加訓(xùn)練方式、訓(xùn)練強度及訓(xùn)練量的可調(diào)節(jié)性[8]。然而，遺憾的是，傳統(tǒng)的訓(xùn)練方法無法有效的滿足上述需要。因此，本文在前人已有研究的基礎(chǔ)上提出了神經(jīng)肌肉功能訓(xùn)練方法，從體育工程的視角研發(fā)出新型訓(xùn)練器械，以期在豐富運動訓(xùn)練理論的同時提供科學(xué)的訓(xùn)練方法與器械。

1 總體理論背景及研發(fā)思路

神經(jīng)性適應(yīng)在力量訓(xùn)練過程中發(fā)揮著重要作用。神經(jīng)系統(tǒng)通過改變激活運動單位的數(shù)量或者改變激活運動單位的程度來調(diào)節(jié)肌肉力量的大小，肌力增加決定于運動單位的活化或募集的多少和被激活運動單位的發(fā)放頻率的高低，或者是兩者共同作用的結(jié)果。實際上，神經(jīng)肌肉系統(tǒng)在肌肉力量調(diào)節(jié)過程中存在著興奮與抑制這兩個神經(jīng)控制回路(圖1)。在運動訓(xùn)練過程中，高級中樞可以通過α-運動神經(jīng)元(Motor Neurcn,MN)自主支配或刺激肌肉產(chǎn)生一定的肌肉力量以克服負(fù)荷，當(dāng)肌肉負(fù)荷受到干擾的時候能夠引起肌肉長度的改變，進(jìn)而導(dǎo)致牽張反射，使得梭內(nèi)肌興奮并刺激肌梭而產(chǎn)生一個具有正向強化循環(huán)特征的興奮神經(jīng)控制回路，增大肌肉收縮力量；當(dāng)肌肉收縮的力量過大時，就會引起高爾基腱器發(fā)生腱反射，從而抑制α-運動神經(jīng)元興奮，并阻礙肌肉收縮，產(chǎn)生一個具有負(fù)向調(diào)節(jié)循環(huán)特征的抑制神經(jīng)控制回路，減弱肌肉收縮力量。如何利用神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的這種即可保證最大的力量輸出，又有自我保護(hù)的功能，成為本團(tuán)隊設(shè)計訓(xùn)練器材時思考的重點。

在實際人體運動過程中，肌肉的功能作用比解剖學(xué)定義的更為廣泛，一塊單關(guān)節(jié)肌肉可以對它沒有跨過的關(guān)節(jié)產(chǎn)生作用，例如，比目魚肌在下肢伸縮時除了具有伸踝作用之外，還具有伸膝和伸髖的作用。而一塊雙關(guān)節(jié)肌肉可以在關(guān)節(jié)處產(chǎn)生與解剖學(xué)定義相反的作用，例如，腘繩肌在起跳時在膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生屈膝力矩，但它的作用卻可以是伸膝，即在膝關(guān)節(jié)產(chǎn)生伸膝角加速度，這種現(xiàn)象又被稱作“肌肉功能依動作而定原理”[5,27]。因此，力量與體能訓(xùn)練中所選取的訓(xùn)練動作應(yīng)盡可能與比賽中使用的實際動作相一致，訓(xùn)練方法或訓(xùn)練器械必須能夠激發(fā)雙關(guān)節(jié)肌的潛能。傳統(tǒng)的訓(xùn)練方法無法良好地滿足神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的多樣性適應(yīng)要求。為了解決最大力量與爆發(fā)力訓(xùn)練方法及其實現(xiàn)，肌肉協(xié)調(diào)與核心力量的訓(xùn)練等科學(xué)問題，本團(tuán)隊開展了神經(jīng)肌肉系統(tǒng)功能訓(xùn)練方法的研究與新型訓(xùn)練器械的研發(fā)。

2 負(fù)重超等長訓(xùn)練系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用

2.1 研發(fā)背景

1968年，前蘇聯(lián)田徑教練員Yuri Verkhoshnski在沖擊式訓(xùn)練法中提出的一種增強肌肉爆發(fā)力的訓(xùn)練方法——Plyometrics Training(PT)，更能適應(yīng)動態(tài)運動表現(xiàn)[25]。自此以后，相關(guān)學(xué)科確立了Plyometrics Training的理論基礎(chǔ)與訓(xùn)練原則。

1984年，“Plyometrics Exercise”一詞被引用到國內(nèi)的運動生理學(xué)界，并被譯為“超等長練習(xí)”。國外對Plyometrics 這個術(shù)語也有爭議，有使用Plyometrics的，也有認(rèn)為應(yīng)該稱為Ballistic Exercise[11]的，Plyometrics Training 就是 Stretch Shortening Exercise Ballistic Training[20]。本研究中將Ballistics、Plyometrics訓(xùn)練都稱為“超等長訓(xùn)練”。Kritpet[18]認(rèn)為，超等長訓(xùn)練Plyometrics的工作形式是預(yù)先牽拉肌肉，使肌肉快速伸展(離心收縮)后，肌纖維被拉長，立即做強而有力的快速收縮(向心收縮)的一種訓(xùn)練形態(tài)，使最終的向心收縮階段能產(chǎn)生更強而有力的收縮的一種爆發(fā)力訓(xùn)練方式。其生物學(xué)基礎(chǔ)在于：預(yù)先牽拉肌肉，肌梭感知肌肉的長度變化，使運動神經(jīng)元產(chǎn)生興奮，使梭外肌產(chǎn)生反射性收縮動作，獲得肌肉的牽張-縮短-循環(huán)(Stretch-Shortening-Cycle，簡稱SSC)和牽張反射特性的利益，牽張反射使運動單位活化的數(shù)目增加及激活的頻率增加[13]，并充分利用了肌肉被拉長后的彈性能[24]，從而增加了肌肉的收縮力量和收縮速度，肌肉能在短時間里產(chǎn)生更大的力量[17,19]。高爾基腱器的作用是降低肌肉張力，以保護(hù)肌肉因過度快速伸展以避免運動損傷[12]。預(yù)先牽拉肌肉的同時提高了高爾基腱器的閾值，從而提高了肌肉所能承受的負(fù)荷，當(dāng)力量的耐受性提高時，將可產(chǎn)生更強的收縮和伸展[10]。

原地垂直縱跳(Counter Movement Jump,CMJ)和跳深(Drop Jump)等是下肢超等長訓(xùn)練的常用方法，可以增強下肢運動速度和肌肉爆發(fā)力。單純的阻力訓(xùn)練雖對增加最大肌肉力量效果顯著，但因訓(xùn)練過程中肌肉收縮速度較慢，因而提高肌肉爆發(fā)力的效果不理想。要想在最短時間內(nèi)發(fā)出最大力量，需要著重考慮兩個因素：力量和發(fā)力速度(maximum Rate of Force Development，mRFD)。傳統(tǒng)的力量訓(xùn)練注重以提高最大力量這一因素來實現(xiàn)爆發(fā)力的提高，往往忽略了發(fā)力速度的訓(xùn)練，使得力量訓(xùn)練對于爆發(fā)力的提高存在一定的局限性。力量訓(xùn)練僅適用于那些力量不足的運動員，而當(dāng)運動員力量素質(zhì)較好時，力量訓(xùn)練對于爆發(fā)力的改善作用就微乎其微了。事實上，劇烈運動時所需的動作時間往往低于300 ms，在如此短暫的時間內(nèi)，最大力量根本來不及完全發(fā)揮(圖2)。因此，與高負(fù)荷力量訓(xùn)練相比，低負(fù)荷力量訓(xùn)練經(jīng)由改善發(fā)力速度而提升爆發(fā)力的優(yōu)勢得以凸顯[15]。鑒于此，運動訓(xùn)練實踐中迫切需要發(fā)展一種既能提高肌肉最大力量，又能同時提高發(fā)力速度的訓(xùn)練方法。

負(fù)重超等長訓(xùn)練(Plyometric Weight Training,PWT)具有堅實的理論背景，它融合了傳統(tǒng)的阻力訓(xùn)練可有效增進(jìn)力量及超等長訓(xùn)練可有效增進(jìn)動作速度的雙重優(yōu)點，可作為一種綜合提高力量與爆發(fā)力的訓(xùn)練方法[1,3,7]。

圖 2 力量和發(fā)力速度在力-時間曲線上的差異示意圖

綜上所述，爆發(fā)力是現(xiàn)代競技運動的關(guān)鍵性要素。研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的重量訓(xùn)練是提高最大力量的有效方法，但不是提高肌肉收縮速度和爆發(fā)力的最佳選擇。超等長訓(xùn)練是目前提高動作速度、增加爆發(fā)力的常用訓(xùn)練方法，但對最大力量的發(fā)展不足。負(fù)重超等長訓(xùn)練作為一種新的爆發(fā)力訓(xùn)練手段，從理論基礎(chǔ)上認(rèn)為，既能增加最大力量，同時，又能增加爆發(fā)力，能產(chǎn)生良好的力量適應(yīng)，但負(fù)重超等長訓(xùn)練最佳負(fù)荷的控制和神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的適應(yīng)機制需要深入研究。

2.2 研發(fā)思路

本團(tuán)隊利用負(fù)重超等長訓(xùn)練的理論與實踐，融合了傳統(tǒng)阻力訓(xùn)練增加最大肌力和超等長訓(xùn)練增加爆發(fā)力及動作速度的優(yōu)勢，成功解決了阻力訓(xùn)練和超等長訓(xùn)練的實際應(yīng)用，將訓(xùn)練的動作主體規(guī)定為連續(xù)負(fù)重蹲跳(即CMJ)。訓(xùn)練時，肩扛適宜重量的杠鈴，儀器上方裝載的安全減速裝置將連續(xù)CMJ動作快速下落過程中杠鈴的重量產(chǎn)生的沖擊力減少70%。訓(xùn)練過程強調(diào)在適當(dāng)負(fù)重條件下，整個向心收縮期的動作過程必須快速且無減速制動期，并在向心末期蹬離地面。

該系統(tǒng)是一種帶電腦控制的具有減速裝置的負(fù)重超等長訓(xùn)練系統(tǒng)，負(fù)重超等長訓(xùn)練器的儀器具有一般阻力訓(xùn)練器的特點，能增加阻力負(fù)荷，同時，下落時也能減速制動，通過加裝電腦控制的安全減速裝置，可以減少杠鈴下落時的沖擊力。在杠鈴上安裝位移傳感器，計算杠鈴的位移、速度、加速度-時間曲線以及受試者施予杠鈴的力量以及爆發(fā)力的輸出，并監(jiān)控訓(xùn)練強度和訓(xùn)練量等指標(biāo)[4]。

負(fù)重超等長訓(xùn)練系統(tǒng)由訓(xùn)練器、制動器、位移傳感器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)5個模塊組成(圖3)。

圖 3 本研究智能化負(fù)重超等長訓(xùn)練系統(tǒng)示意圖

訓(xùn)練器：訓(xùn)練器是在現(xiàn)有的訓(xùn)練器上加高、加寬，以保證訓(xùn)練器的安全性。

制動器：本儀器的重量裝置是杠鈴,在訓(xùn)練系統(tǒng)上加裝電腦控制的安全減速裝置磁粉制動器，可以減少杠鈴下落時的沖擊力；根據(jù)運動訓(xùn)練的需要，即運動員的體重和負(fù)荷重量自動調(diào)節(jié)磁粉制動器的輸入電流，從而改變磁粉制動器的輸出扭矩；齒輪傳動裝置一端固定在齒輪傳動裝置上，另一端固定于杠鈴上，繼而達(dá)到調(diào)節(jié)杠鈴拉繩張力的目的。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括：位移傳感器、信號調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計算機等。應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境包括支撐平臺(操作系統(tǒng))和軟件開發(fā)系統(tǒng)兩部分[4]。

從功能上主要分為：1)數(shù)據(jù)的實時采集與顯示；2)歷史訓(xùn)練數(shù)據(jù)的診斷分析。本系統(tǒng)提供開放的同步信號傳輸平臺，可以配合肌電圖(EMG)、肌動圖(MMG)、心電圖(ECG)、電子關(guān)節(jié)角度計(Goniometer)等進(jìn)行多種運動生物信號的同步采集與測量。完成訓(xùn)練過程中的動態(tài)力量、位移等信號采集、轉(zhuǎn)換與分析，由位移-時間曲線求微分得出速度-時間曲線，再次微分得到加速度-時間曲線。已知質(zhì)量和加速度即可求出運動員作用于杠鈴的力量-時間曲線。由于功率=力×速度[Power=F(t)·V(t)]，因此，該系統(tǒng)既可測量與計算出杠鈴的位移、速度、加速度以及運動員作用于杠鈴的力與爆發(fā)力。歷史訓(xùn)練數(shù)據(jù)的診斷分析結(jié)果將以曲線形式顯示在屏幕上。數(shù)據(jù)分析軟件從模塊上分為系統(tǒng)校零、信息錄入、測試和數(shù)據(jù)瀏覽4部分。

2.3 實證研究

2.3.1 負(fù)重超等長訓(xùn)練系統(tǒng)對下肢生物力學(xué)特征的影響

為了測試負(fù)重超等長訓(xùn)練方法的科學(xué)性、實踐性以及探討針對所訓(xùn)練的目標(biāo)肌肉選取的最佳負(fù)重標(biāo)準(zhǔn)，田石榴和井蘭香等人[1,2,7,8]分別對16名某大學(xué)男性籃球運動員進(jìn)行8周下肢負(fù)重超等長訓(xùn)練，采用VICON和三維測力臺同步測量采集每個動作的運動學(xué)和動力學(xué)數(shù)據(jù)，計算關(guān)節(jié)角速度及角加速度值，經(jīng)逆向動力學(xué)方法計算下肢凈關(guān)節(jié)力矩(net joint moment,NJM)，并由此推導(dǎo)下肢各關(guān)節(jié)角沖量及做功。根據(jù)彈簧-質(zhì)量模型計算下肢剛度及下肢各關(guān)節(jié)剛度。以最大等長肌力MVC作為標(biāo)準(zhǔn)力量，對運動員進(jìn)行不同重量的負(fù)荷加載到杠鈴桿，運動員杠負(fù)不同的杠鈴重量進(jìn)行垂直跳，完成負(fù)重超等長訓(xùn)練過程。記錄測力臺及肌電數(shù)據(jù)，分析不同負(fù)荷的力學(xué)特征和神經(jīng)生理學(xué)特征。然后，進(jìn)行8周的負(fù)重超等長訓(xùn)練，要求籃球運動員在進(jìn)行每周3次的負(fù)重超等長訓(xùn)練，與負(fù)重深蹲起進(jìn)行對比，注意訓(xùn)練前、運動過程中、訓(xùn)練后的監(jiān)控，比較負(fù)重訓(xùn)練和負(fù)重超等長訓(xùn)練后垂直跳的高度，爆發(fā)力、最大等長力量等肌肉力量表現(xiàn)和肌電圖、H-反射及T反射的神經(jīng)適應(yīng)特征，探討負(fù)重超等長訓(xùn)練的力量訓(xùn)練效果和神經(jīng)適應(yīng)的特征，從而研究訓(xùn)練效果獲得的可能機制。

2.3.1.1 不同負(fù)重超等長訓(xùn)練動作下肢各關(guān)節(jié)貢獻(xiàn)度

為了比較不同負(fù)重超等長訓(xùn)練對下肢肌肉產(chǎn)生的不同效應(yīng)，首先計算了該訓(xùn)練動作的下肢各關(guān)節(jié)做功/下肢做功的比值和各關(guān)節(jié)NJM/下肢支撐力矩的比值，獲得了各關(guān)節(jié)的貢獻(xiàn)度，探討不同目標(biāo)肌肉負(fù)重超等長訓(xùn)練時負(fù)重與關(guān)節(jié)力矩的關(guān)系。無負(fù)重時膝關(guān)節(jié)貢獻(xiàn)度最大，隨著負(fù)重增加，膝關(guān)節(jié)貢獻(xiàn)度逐漸減小，髖關(guān)節(jié)貢獻(xiàn)度逐漸增加(圖4左)。而各關(guān)節(jié)力矩對下肢支撐力矩的貢獻(xiàn)度與做功貢獻(xiàn)度具有一定的一致性，關(guān)節(jié)肌力矩研究發(fā)現(xiàn)，無負(fù)重蹲跳時膝關(guān)節(jié)貢獻(xiàn)最大，負(fù)重跳時變成髖關(guān)節(jié)貢獻(xiàn)最大，踝關(guān)節(jié)次之，膝關(guān)節(jié)最小(圖4右)，這一結(jié)果說明負(fù)重后髖關(guān)節(jié)作用最明顯[1,2]。

圖 4 不同負(fù)重超等長訓(xùn)練動作下肢各關(guān)節(jié)貢獻(xiàn)度示意圖

2.3.1.2 負(fù)重超等長訓(xùn)練對下肢各關(guān)節(jié)肌肉力量、爆發(fā)力以及剛度的影響

井蘭香等[2,3]圍繞負(fù)重超等長訓(xùn)練前后下肢髖、膝、踝關(guān)節(jié)肌肉力量、爆發(fā)力以及剛度的變化進(jìn)行了研究，通過給予16名不間斷常規(guī)力量訓(xùn)練的男子籃球運動員為期8周、每周3次30%1 RM負(fù)荷的負(fù)重超等長訓(xùn)練后發(fā)現(xiàn)，與訓(xùn)練前相比，8 周負(fù)重超等長訓(xùn)練后運動員縱跳高度和最大地面反作用力顯著增加(分別由0.45±0.02 m 升至0.53±0.14 m，由2.24±0.63 BW 升至2.73±0.79 BW)；髖、踝關(guān)節(jié)峰值力矩、峰值功率、做功均顯著提高，下肢剛度和髖、踝關(guān)節(jié)剛度顯著提高；訓(xùn)練前、后膝關(guān)節(jié)峰值力矩、峰值功率和剛度無顯著改變(表1)。隨即推斷8 周負(fù)重超等長訓(xùn)練能提高縱跳成績及下肢肌肉力量。然而，當(dāng)從各關(guān)節(jié)動力學(xué)角度來看，髖、踝關(guān)節(jié)動力學(xué)和關(guān)節(jié)剛度訓(xùn)練后明顯提高，膝關(guān)節(jié)無顯著變化，說明負(fù)重超等長訓(xùn)練主要通過提高髖、踝關(guān)節(jié)動力學(xué)指標(biāo)和剛度提高整個下肢肌肉力量和爆發(fā)力。關(guān)節(jié)動力學(xué)分析結(jié)果也提示，負(fù)重超等長訓(xùn)練的主要目標(biāo)肌肉是髖、踝關(guān)節(jié)肌，而對膝關(guān)節(jié)肌肉力量的需求程度較小，由此再次印證了髖、踝、膝關(guān)節(jié)貢獻(xiàn)度的差異的客觀性。

2.3.2 負(fù)重超等長訓(xùn)練系統(tǒng)對神經(jīng)肌肉適應(yīng)的影響

田石榴等[8]研究顯示，8周的負(fù)重超等長訓(xùn)練后，Hmax/Mmax降低，顯示負(fù)重超等長使α-運動神經(jīng)元終池興奮性降低，使反射興奮性降低(圖5)。造成Hmax/Mmax 降低的原因可能與突觸前抑制有關(guān)。突觸前抑制的發(fā)生與軸突-軸突型突觸的功能有關(guān)。抑制性中間神經(jīng)元對 Ia 傳入運動神經(jīng)末梢的作用，導(dǎo)致Ia/α-運動單位突觸內(nèi)釋放的神經(jīng)傳導(dǎo)物質(zhì)減少，使運動神經(jīng)元去極化作用下降。來自肌梭、高爾基腱器、關(guān)節(jié)或皮膚感受器的Ⅲ和Ⅳ感覺神經(jīng)的神經(jīng)沖動激活抑制性中間神經(jīng)元，導(dǎo)致Ia傳出神經(jīng)末梢的突觸前抑制或多突觸路徑的神經(jīng)元抑制，降低運動神經(jīng)元終池興奮性。8周負(fù)重超等長訓(xùn)練的T-反射的振幅值顯著增加，顯示高爾基腱器敏感性的降低，用以補償運動神經(jīng)元終池興奮性的降低，促進(jìn)周圍神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)適應(yīng)。

表 1 以30%MVC負(fù)荷進(jìn)行負(fù)重超等長訓(xùn)練前后關(guān)節(jié)力矩、爆發(fā)力及剛度的變化情況一覽表Table 1 Comparison of Pre-and Post-PWT on Net Joint Moment,Joint Power and Joint Stiffness during the Load of 30%MVC

圖 5 負(fù)重組與負(fù)重超等長組實驗前、后Hmax/Mmax變化情況示意圖

在后續(xù)的實驗研究中，神經(jīng)適應(yīng)結(jié)果顯示，增加不同負(fù)荷下的股二頭肌的離心力量和股外側(cè)肌的向心力量，增加機體的全身爆發(fā)力。經(jīng)過8周的負(fù)重超等長訓(xùn)練后，降低Hmax/Mmax幅度，顯示負(fù)重超等長訓(xùn)練對肌梭敏感性具有適應(yīng)性，降低α 運動神經(jīng)元終池興奮性，增加突觸前抑制的作用。負(fù)重超等長訓(xùn)練會使 T-reflex 振幅顯著升高，顯示負(fù)重超等長訓(xùn)練使高爾基腱器的敏感性顯著降低，也彌補肌梭敏感性降低的適應(yīng)性，產(chǎn)生良好的神經(jīng)適應(yīng)。

3 慣性杠鈴與慣性啞鈴的研發(fā)與應(yīng)用

3.1 研發(fā)背景

研究認(rèn)為，核心力量是一種以穩(wěn)定人體核心部位、控制重心運動、傳遞上下肢力量為主要目的的力量能力。核心力量的水平直接影響身體遠(yuǎn)端肢體的運動，它同上下肢力量一樣，是人們?nèi)粘Ｉ睢⒐ぷ饕约斑\動健身時不可缺少的力量能力[22]。傳統(tǒng)負(fù)重抗阻訓(xùn)練由于過分注重提高大肌群力量，往往忽視了小肌群的協(xié)調(diào)發(fā)展，容易導(dǎo)致運動損傷。因此，加強核心力量訓(xùn)練及評估對于提高運動訓(xùn)練、大眾健身的效果、預(yù)防運動損傷等具有重要意義。

近年來，運動訓(xùn)練理論不斷推陳出新，很多新的方法逐漸應(yīng)用到力量訓(xùn)練領(lǐng)域，以滿足力量發(fā)展的全面、均衡和精細(xì)化需求，其中，針對核心力量訓(xùn)練的新方法更是層出不窮。例如，應(yīng)用各種動作徒手肌力訓(xùn)練法，借助器具如平衡軟踏、泡沫軸、抗力球、平衡墊、健身球、平衡半球、懸吊訓(xùn)練器械、核心板、普拉提、Bodyblade振動棒、飛力仕、彈力帶等加強核心力量的訓(xùn)練法[21]等。這些訓(xùn)練主要強調(diào)在不穩(wěn)定環(huán)境下的訓(xùn)練，其理論依據(jù)為動態(tài)不穩(wěn)定的支撐環(huán)境增加了對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的刺激，提高了中樞神經(jīng)系統(tǒng)動員肌纖維參與收縮的能力(即中樞激活)，進(jìn)而增加了力量訓(xùn)練動作的數(shù)量和范圍，提高了力量訓(xùn)練的難度和復(fù)雜性，彌補了傳統(tǒng)負(fù)重抗阻訓(xùn)練法的力量與平衡、力量與協(xié)調(diào)、力量與靈敏不足。然而，以上這些訓(xùn)練方法由于在不穩(wěn)定條件下進(jìn)行訓(xùn)練外部負(fù)荷很難加大，絕對力量提高幅度也并不理想，因此，總是或多或少存在一定的局限性。從理論上講，如果能夠在訓(xùn)練時既可以對人體核心訓(xùn)練創(chuàng)造較大的不穩(wěn)定環(huán)境，又能加大外部負(fù)荷，將成為核心力量訓(xùn)練的理想狀態(tài)。

3.2 研發(fā)思路

為了解決上述諸多核心力量訓(xùn)練方法中存在的瓶頸制約，實現(xiàn)肌肉協(xié)調(diào)與核心力量訓(xùn)練的“雙提高”，本研究團(tuán)隊在吸取和借鑒普通啞鈴和普通杠鈴動作特點的基礎(chǔ)之上，充分利用人體對不穩(wěn)定性的控制，將上肢、下肢以及全身腰背部肌肉整合動員，開發(fā)研制了新型訓(xùn)練器材慣性啞鈴和慣性杠鈴。

慣性啞鈴，又稱具有可調(diào)式慣性阻力負(fù)荷特征的啞鈴，它與普通啞鈴力學(xué)機理上的區(qū)別是其在舉動過程中內(nèi)有擺輪旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生慣性力。慣性啞鈴內(nèi)部有可旋轉(zhuǎn)的偏心擺，偏心擺旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生周期性的慣性力，使使用者手臂和全身產(chǎn)生附加的周期性振動，全身肌肉產(chǎn)生周期性肌緊張，不僅訓(xùn)練了上下肢肌肉的協(xié)同，對全身的肌肉力量及協(xié)調(diào)亦有訓(xùn)練效果(圖6左)。其優(yōu)點在于體積較小，可以開發(fā)出不同動作形式，且極具有趣味性和自我競技性，適宜辦公室、居家以及工作間隙使用，隨時隨地運動。與此類似，慣性杠鈴是一種具有可調(diào)式慣性阻力負(fù)荷的杠鈴，內(nèi)部同樣配有可旋轉(zhuǎn)的偏心擺，調(diào)節(jié)擺錘重量、擺錘到主軸的距離及兩個擺錘桿的夾角來調(diào)節(jié)慣性力的大小(圖6右)，當(dāng)其晃動時可以造成軀干及全身的不穩(wěn)定，利用人體對這種不穩(wěn)定性的控制使核心部位力量得到訓(xùn)練。

圖 6 本研究團(tuán)隊研發(fā)的慣性啞鈴(左)和慣性杠鈴(右)示意圖

3.3 實證研究

孫明運[6]通過利用本團(tuán)隊自主研發(fā)的慣性杠鈴對上海某高校26名大學(xué)男生進(jìn)行了腰腹部核心力量訓(xùn)練，采用3T西門子磁共振儀對腰腹部肌肉的橫斷面積(CSA，圖7)、體積進(jìn)行了測試，結(jié)合壓力生物反饋儀(The STABILIZERTM Pressure Bio Feedback)測試腹橫肌收縮壓力變化特征，以驗證慣性杠鈴對于核心肌肉的訓(xùn)練效果。將受試者隨機分為慣性杠鈴訓(xùn)練組和普通杠鈴訓(xùn)練組，分別安排1 h/次、3次/周，共計8周的訓(xùn)練后發(fā)現(xiàn)，慣性杠鈴組與普通杠鈴組相比腰腹部肌肉右側(cè)的腹直肌、腹外斜肌、腹內(nèi)斜肌、腹橫肌、多裂肌CSA、體積增量百分比具有非常顯著性差異(P<0.01，圖8)。

腰腹部肌肉分為腹直肌、腹外斜肌、腹內(nèi)斜肌、腹橫肌和腰部脊柱的肌肉。同樣的訓(xùn)練負(fù)荷配比、密度或者量，如果是靜態(tài)情況下，二者作用相同或相近；但當(dāng)運動起來后，由于器械的結(jié)構(gòu)不同，慣性杠鈴擺錘具有一定的旋轉(zhuǎn)半徑，慣性力的力臂較大，對腰腹部的干擾力矩較大，隨著人體作用力的增加，該慣性力力矩作用更大，致使訓(xùn)練強度更大，對腰腹部肌肉的激活作用更明顯。同樣的靜態(tài)負(fù)荷能產(chǎn)生較大的動態(tài)負(fù)荷，同時又具有普通杠鈴的簡便、易于裝卸、體積小的特性，慣性杠鈴作為一種新型的訓(xùn)練器械，顯然具有自身的優(yōu)勢。

圖 7 第四腰椎(L4)MRI肌肉橫斷面圖

不僅如此，雖然慣性杠鈴組和普通杠鈴組腹橫肌收縮壓力均較訓(xùn)練前有顯著提高，但慣性杠鈴組較普通杠鈴組提高的幅度更為顯著(P=0.04，圖9)。由此可見，慣性杠鈴與普通杠鈴訓(xùn)練相比，慣性杠鈴對于腹橫肌的橫斷面積、體積及肌肉活性具有更大的增強作用，驗證了慣性杠鈴對于核心力量訓(xùn)練具有較好的效果。

圖 8 實驗組、對照組CSA(左)、體積(右)增量百分比比較圖

圖 9 慣性杠鈴組(實驗組)和普通杠鈴組(對照組)腹橫肌收縮壓增量比較示意圖

4 新型訓(xùn)練器械的應(yīng)用與推廣價值

現(xiàn)階段，我國教練員已將超等長訓(xùn)練廣泛應(yīng)用于各個運動項目中，如籃球、足球、柔道等，取得了一定的成績，但也存在著許多問題，主要表現(xiàn)在：一是，離心收縮和向心收縮的脫節(jié)，導(dǎo)致儲存的彈性能不能被充分有效地利用；二是，練習(xí)手段和要求不符合專項技術(shù)的需要；三是，超等長力量的耐力訓(xùn)練被忽視。在發(fā)展下肢的爆發(fā)力訓(xùn)練方法中，多數(shù)教練員采用大負(fù)荷的杠鈴負(fù)重下蹲伴隨不同深度的蹲起的練習(xí)方法，訓(xùn)練效果主要體現(xiàn)在最大力量的增加上，同時，由于訓(xùn)練手段的不合理和訓(xùn)練輔助器材的缺乏，有相當(dāng)一部分運動員出現(xiàn)不同程度的膝關(guān)節(jié)勞損。運動員在負(fù)重的情況下進(jìn)行超等長訓(xùn)練，或者在超等長訓(xùn)練過程中加以負(fù)重，如利用負(fù)重杠鈴進(jìn)行半蹲跳或者跳深，落地時運動員會受到較大的地面沖擊力，加大了訓(xùn)練的難度和危險度，運動員的安全性和訓(xùn)練心理都將受到影響。因此，在訓(xùn)練過程中，負(fù)重超等長訓(xùn)練系統(tǒng)既具有一般阻力訓(xùn)練器的特點——增加阻力負(fù)荷；又能使運動員負(fù)重超等長訓(xùn)練過程中下落過程的地面反作用力的沖擊減小，因此，具有減速制動的特點——減輕下落的慣性沖擊力。從而幫助運動員起跳時完成動作，增加動作的速度，達(dá)到既有效增加了爆發(fā)力，又有效增加了最大力量的訓(xùn)練效果。慣性啞鈴與傳統(tǒng)啞鈴相比主要是上肢肌肉參與、腰背部等其他部位活動不明顯的特征，在周期性振動運動中有效地訓(xùn)練了肌肉的協(xié)調(diào)能力，應(yīng)用潛力巨大。

5 結(jié)語

重量訓(xùn)練可以有效地提高最大力量，但對提高動作速度與爆發(fā)力效果有限；超等長訓(xùn)練可以有效地提高動作速度、增加爆發(fā)力，但對最大力量的發(fā)展不足。本研究所研發(fā)的負(fù)重超等長訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)合兩者的優(yōu)勢，對提高最大等長肌肉力量和爆發(fā)力具有顯著的效果，特別是髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)的力量和爆發(fā)力，對膝關(guān)節(jié)的力量和爆發(fā)力提高不明顯。此外，負(fù)重超等長訓(xùn)練引起肌梭敏感性產(chǎn)生適應(yīng)，提高了α-神經(jīng)終池興奮性與抗疲勞能力，改善了神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的功能。

慣性啞鈴與慣性杠鈴是一種具有可調(diào)式慣性阻力負(fù)荷的啞鈴或杠鈴，內(nèi)部配有可旋轉(zhuǎn)的偏心擺，調(diào)節(jié)擺錘重量、擺錘到主軸的距離及兩個擺錘桿的夾角可調(diào)節(jié)慣性力的大小。當(dāng)舉起與轉(zhuǎn)動慣性啞鈴或慣性杠鈴時，其晃動可以造成軀干及全身的不穩(wěn)定，利用人體對這種不穩(wěn)定性的控制使上肢以及軀干核心部位力量得到訓(xùn)練。研究顯示，慣性杠鈴對于腰腹肌的訓(xùn)練有較好效果，使腰腹肌肌肉形態(tài)和力量明顯改變，一定程度上提高了核心力量。

誠然，負(fù)重超等長訓(xùn)練系統(tǒng)和慣性杠鈴也不可避免地存在一些局限性，如負(fù)重超等長訓(xùn)練系統(tǒng)的使用需要輔助人員在旁輔助，對最大等長肌肉力量的訓(xùn)練效果沒有傳統(tǒng)力量訓(xùn)練大；而慣性杠鈴在訓(xùn)練方法及訓(xùn)練量方面不易于掌握等。盡管如此，上述提到的新型訓(xùn)練方法及器械對于神經(jīng)肌肉功能及適應(yīng)水平的改善還是具有極大的挖掘潛力與應(yīng)用前景。

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InnovativeInstrumentsDevelopmentBasedontheTheoriesandMethodsofNeuromuscularFunctionalTraining

LIU Yu1,LI Hai-peng1,LIU Cui-xian1,TIAN Shi-liu1,JING Lan-xiang2,SUN Ming-yun3

Abstract：Both scientific training methods and instruments play the key roles in either sports or exercise.Nowadays,traditional training methods cannot completely meet the requirements for diverse development of neuromuscular function.In this study,two innovative training methods and instruments were developed:1) Plyometric Weight Training has been proposed based on plyometric training and weight training to gain the maximum muscle strength and power; 2) dumbbell and barbell having adjustable inertial resistance load characteristic have been developed by means of the disturbance control of human body to improve core strength and coordination of muscles.Experimental results indicated that these training-modes significantly enhanced the training effects of neuromuscular strength and function from scientific point of view.

neuromuscularfunction;plyometricweighttraining;dumbbellhavingadjustableinertialresistanceload;barbellhavingadjustableinertialresistanceload

1000-677X(2014)02-0000-00

2013-12-18；

：2014-01-15

國家自然科學(xué)基金資助項目(11372194);國家體育總局體育科技創(chuàng)新與成果轉(zhuǎn)化項目(2013B008)。

劉宇(1959-),男,河北張家口人,教授,博士,博士研究生導(dǎo)師，主要研究方向為運動生物力學(xué)、體育工程,E-mail:yuliu@sus.edu.cn;李海鵬(1982-),男,山西臨汾人,講師,博士,主要研究方向為老年人運動健康促進(jìn), E-mail:ecnudoctor@126.com;劉翠鮮(1968-),女,江蘇淮安人,副教授,在讀博士研究生,主要研究方向為動作技術(shù)分析與體育工程,E-mail:liucuixian@126.com;田石榴 (1972-),女,湖北鄂州人,副教授,博士,研究方向為神經(jīng)控制的理論與方法,E-mail:tianshiliu@126.com;井蘭香(1972-),女,河北滄州人,副教授,博士,研究方向為運動生物力學(xué),E-mail:jinglanxiang123@163.com;孫明運(1972-),男,陜西藍(lán)田人,講師,博士,研究方向為運動生物力學(xué),E-mail:smy0072008@21cn.com。

1.上海體育學(xué)院 運動健身科技省部共建教育部重點實驗室，上海 200438;2.河北滄州醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校，河北 滄州 061001;3.安慶師范學(xué)院，安徽 安慶 246133 1.Key Laboratory of Exercise and Health Sciences of Ministry of Education,Shanghai University of Sport,Shanghai,200438,China;2.Cangzhou Medical College,Cangzhou 061001,China;3 Anqing Normal University,Anqing 246133,China.

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