運動生物力學學科發(fā)展現狀及前景

王清，郝衛(wèi)亞，劉卉，王向東，劉穎

運動生物力學學科發(fā)展現狀及前景

王清1，郝衛(wèi)亞1，劉卉2，王向東1，劉穎3

文章系第十屆全國體育科學大會運動技術生物力學分析會場專題主報告發(fā)言稿，由3個部分組成。第一部分從研究方法、運動技術的生物力學、運動訓練的生物力學、運動損傷與康復的生物力學、全民健身活動的生物力學、運動裝備設計與評價的生物力學、我國運動生物力學課程教學情況等方面，簡要介紹了運動生物力學學科的發(fā)展與現狀；第二部分對國內外運動生物力學發(fā)展進行了簡要對比分析；第三部分簡要介紹了我國運動生物力學學科發(fā)展趨勢。

運動生物力學；學科發(fā)展；現狀；前景

我國的運動生物力學學科從20世紀80年代開始迅速發(fā)展，借助研究方法和技術手段的不斷進步，各個方面的研究取得了豐碩的成果。近年來，隨著國際交流的增加，我國運動生物力學研究領域逐步與國際接軌，研究水平有所提高。以下對2012—2015年期間我國運動生物力學學科發(fā)展和研究狀況進行簡要介紹。

1 我國運動生物力學學科發(fā)展現狀

1.1 研究方法

目前，運動生物力學研究中主要采用運動學、動力學、肌電等測試方法和手段對人體運動中的力學問題進行探討。

由于人體運動的復雜性，對人體運動中力學參數的測試技術難度相當大。因此，為了保證測試的精度和可靠性，測試時需要嚴格遵守測試方法的流程和要求，在提高測試精度和減少誤差方面不斷進行新的探索和研究。

1.1.1 運動學研究方法

目前，獲取人體運動過程中運動學參數的方法，主要有攝像與影像解析（二維和三維）、紅外光點運動捕捉與分析、電磁感應式運動捕捉與分析（magnetic motion capture）、慣性技術運動捕捉與分析等。人體運動三維攝像與解析的方法已廣泛應用于運動員的技術分析與研究中。

需要指出的是，攝像及影像解析（二維和三維）仍是我國運動生物力學研究的主要測試手段。但是，影像拍攝和解析過程中的系統(tǒng)誤差、隨機誤差和粗大誤差依然是影響分析結果與結論的重要因素。因此，減少和校正誤差是提高運動技術生物力學分析水平的前提。

在誤差分析的基礎上制定拍攝和解析方案，并嚴格執(zhí)行，可以有效減小二維和三維攝像與解析過程中的誤差。因此，對拍攝和解析過程中的誤差來源和影響誤差的因素進行研究具有重要意義。例如，圖像邊緣處的鏡頭畸變誤差[1]、水下三維坐標的重構精度分析[2]、三維跟蹤掃描拍攝與解析[3]等研究結果，為今后獲得更高精度的運動學數據提供了依據和參考。

除三維攝像和紅外光點動作捕捉系統(tǒng)外，價格低廉的慣性技術動作捕捉系統(tǒng)也逐漸開始應用于人體運動學參數的測量研究中。慣性傳感器中包括陀螺儀、加速度計、電磁傳感器、數字信號處理器等，將傳感器固定在肢體特定位置，可測量描述人體運動的主要參數。其優(yōu)點是成本低、沒有光點遮擋和丟失的問題，而且由于加速度和角速度是直接測量的，所以數據精度較好。其缺點是很難獲得絕對坐標系下的數據，所得數據容易受到外界磁場干擾。目前，在我國主要應用于動畫制作所需要的人體動作捕捉，近年來也開始應用于對體育動作的研究[4]。

1.1.2 動力學研究方法

采用力學傳感器測量人體在運動中與環(huán)境或器械間的相互作用力，進而計算和分析力對人體運動的影響。在運動技術分析和運動損傷機制研究中，動力學測試有助于分析動作改變的原因和損傷危險機制，越來越受到研究者的重視。將運動中的人體運動學和動力學數據結合起來分析，可以更好地了解和揭示人體運動的生物力學機制。目前，應用于動力學參數的測量手段主要有三維測力平臺、分布式足底壓力測量系統(tǒng)、等速肌力測量系統(tǒng)、測力跑臺、各種專用測力設備等。

近年來，我國運動生物力學研究者主要應用測力平臺數據對跳躍能力、落地技術、專項動作技術、人體姿態(tài)控制、平衡能力、步態(tài)等進行測量、分析和評價。

需要指出的是，逆向動力學是目前研究關節(jié)力和力矩的主要方法，但誤差較大。隨著紅外光點運動捕捉系統(tǒng)的應用，人體運動學數據的精度得以提高，逆向動力學數據的誤差也隨之降低。因此，近年來我國學者越來越多地運用測力平臺和紅外光點動作捕捉系統(tǒng)同步測量、計算和評價關節(jié)力矩和受力，進而對人體運動能力和關節(jié)損傷預防進行分析和研究[5]。

1.1.3 表面肌電測試與分析方法

目前，國際主要品牌的表面肌電測試設備均已實現信號無線傳輸，大大提高了測試的方便程度和應用范圍，越來越多地被我國研究者用于探討人體完成體育動作時的肌肉收縮特征。所以，采用肌電測試與分析方法對人體運動過程中的肌肉工作特征進行研究的文章有所增加。

近年來，應用表面肌電研究主要集中在3個方面：一是了解和評價不同專項運動員完成動作時的肌電特征[6]；二是對比不同訓練條件或專項訓練與比賽動作下的肌肉工作特征，以確定更有效和更有針對性的訓練手段[7]；三是應用表面肌電信號評價或監(jiān)測肌肉的疲勞狀態(tài)[8]。

1.1.4 人體運動模型模擬方法的應用

人體運動模型模擬方法屬于運動生物力學理論研究方法。采用模型模擬方法的研究主要分為兩大類：一是建立人體多剛體或骨骼肌肉模型，模擬人體運動形式，估算骨骼、關節(jié)和肌肉在運動過程中的負荷；二是結合流體力學、剛體力學、生物力學等理論，建立船、艇、自行車等的運動力學模型，應用數值模擬計算獲得不同環(huán)境情況下的最佳運動方案，或對船艇等設備進行設計與改進。

近幾年較流行的商業(yè)軟件主要有Lifemod、Anybody、SIMM等。另外，還有免費軟件OpenSim。這些軟件可以根據研究目的，較方便地建立不同形式的人體模型，結合動作捕捉測量得到的人體運動數據，進行人體系統(tǒng)的動力學分析和肌肉力計算，同時還可以通過建立外界環(huán)境，分析人體運動過程中人體與環(huán)境之間的作用力關系。但是，模擬所得到的結果，還需要其他實驗數值進行驗證。

國內進行人體運動力學分析時，采用一定的方法對模型模擬的結果進行了驗證。例如，紀仲秋等應用AnyBody軟件模擬太極拳動作，并應用肌電測試對模型計算得到的肌肉力進行了驗證[9]。又如，李旭鴻等應用Lifemod軟件對跳馬運動員的推手動作、落地動作、著地后與落地墊間的動力學等進行了仿真模擬和驗證[10]。

我國一些研究者根據人體結構和生物力學原理及慣性參數，針對不同研究目的建立了人體運動模型，如李翰君等建立了基于Hill肌肉力學模型的膝關節(jié)肌肉力分布模型，并應用已有動力學結果擬合最佳的優(yōu)化方法，確定了膝關節(jié)周圍肌肉力分布的最優(yōu)解，并分析了肌肉最優(yōu)長度對關節(jié)力矩影響的敏感度[11]。

1.1.5 運動生物力學測試手段的研究

我國運動生物力學研究者根據研究需要，開發(fā)和研制了一些具有特定功能的力學傳感器和測試系統(tǒng)。例如，李林等用正交配置的3個微陀螺儀、3個微加速度計和3個微電磁傳感器組成了慣性傳感系統(tǒng)，通過測量關節(jié)運動過程中的加速度和角速度計算關節(jié)運動的功率，設計開發(fā)了便攜式肌肉等張收縮關節(jié)功率曲線測試系統(tǒng)[12]。

我國運動生物力學研究者根據訓練實踐的需求，研制和開發(fā)了許多用于診斷和監(jiān)測運動員技術水平的系統(tǒng)。這些專項技術診斷和監(jiān)測系統(tǒng)不僅涉及到許多夏季運動項目，而且涉及到冬季運動項目，有效地應用于運動員的專項技術訓練中。

1.2 運動技術的生物力學

1.2.1 優(yōu)秀運動員專項運動技術的分析與監(jiān)測

對國家隊和各省市運動隊的優(yōu)秀運動員進行技術分析與監(jiān)測，一直是我國運動生物力學研究者的一個重要工作。該工作為提高運動員訓練水平和運動成績提供了有力的科技保障。隨著運動生物力學測試設備的日益先進和認識水平的不斷提高，我國對優(yōu)秀運動員進行技術分析和監(jiān)測的研究成果也越來越豐富，發(fā)表了大量研究論文。這些論文不僅涉及到許多夏季項目，而且涉及許多冬季項目。

1.2.2 運動技術原理和運動成績提高規(guī)律的研究

除對優(yōu)秀運動員進行技術分析與監(jiān)測外，很多運動生物力學研究者還致力于運動技術原理和規(guī)律的研究。他們的研究已不局限于對優(yōu)秀運動員專項運動技術的描述和歸納，而是應用各種方法更加深入地分析影響運動成績的原因，探求人體運動在追求極限過程中的生物力學規(guī)律。

1.2.3 動作控制與協(xié)調性的生物力學研究

近年來，對動作控制和協(xié)調性的研究已成為體育科學領域的研究熱點之一。對動作控制特征和協(xié)調性的描述與分析，大多借助運動生物力學方法。因此，我國運動生物力學研究者開始從動作協(xié)調控制的思路對人體動作特征進行研究，一方面希望能了解人體對復雜動作的協(xié)調控制模式，另一方面期望了解運動員完成高質量動作技術的神經肌肉協(xié)調特征，為運動技術訓練提供依據。

目前，我國學者對人體動作協(xié)調性的評價和分析主要根據關節(jié)運動順序、關節(jié)間的聯(lián)動特征、肌肉激活水平和順序等，獲得人體動作過程中相關肌肉的激活特征，從而分析神經肌肉系統(tǒng)對動作的控制規(guī)律[13]。

1.3 運動訓練的生物力學

運動訓練學領域的許多基礎研究和應用研究中的科學定量分析數據，來自運動生物力學的方法和技術手段。因此，運動生物力學也是運動訓練學本身不斷發(fā)展與完善的一個重要學科支撐。

1.3.1 運動生物力學在制定訓練方案與訓練效果評價中的應用

身體訓練方法只有在動作結構和肌肉工作方式上與比賽動作相接近，才能最大限度地發(fā)揮訓練的作用。通過運動生物力學方法可以分析訓練方案對比賽中技術發(fā)揮的影響，在一定程度上預測訓練方法或訓練設備的有效性。此外，還可以通過對比訓練前后運動員技術和能力上的差異，判斷訓練手段的有效性，了解訓練提高專項能力和比賽成績的可能機制。

1.3.2 運動生物力學在訓練器械的研制與開發(fā)中的應用

設計與改進運動裝備和訓練器械，使之符合生物力學原理，既可有效地避免運動損傷，又可為提高運動成績提供條件。例如，劉宇等鑒于當前傳統(tǒng)的訓練方法無法完全滿足神經肌肉系統(tǒng)的多樣性適應要求，針對性地開展了基于神經肌肉功能訓練理論與方法的新型訓練器械的研發(fā)[14]。這些訓練器械的引入，對于提升運動訓練過程中神經肌肉力量及功能的訓練效果將產生積極的作用。

1.3.3 運動生物力學在運動訓練監(jiān)控中的應用

運動生物力學在運動訓練監(jiān)控中的應用，主要體現在專項技戰(zhàn)術診斷與監(jiān)測系統(tǒng)的研究和建立。目前，我國的許多奧運會項目已建立了相應的專項技戰(zhàn)術診斷與監(jiān)測系統(tǒng)，為這些項目的科學訓練提供了有力的科技保障。

1.4 運動損傷與康復的生物力學

運動損傷的發(fā)生、發(fā)展和康復都與損傷部位的受力有關，運動生物力學為探究運動損傷的原因和機制、評價康復效果等提供了測試手段和研究方法。

生物力學與運動損傷之間的交叉研究所形成的一個新領域“運動損傷生物力學”，特指對運動損傷發(fā)生和發(fā)展進行研究的生物力學。國際上應用生物力學方法研究運動損傷已非常普遍和成熟，國內近幾年也逐步開展了運動生物力學與運動醫(yī)學相結合的研究。

隨著實驗設備的改進、生物力學測試方法和理論研究的發(fā)展，目前的運動損傷生物力學不僅關注骨組織，而且更加關注軟骨、韌帶、肌腱、肌肉、神經、滑膜等系統(tǒng)。對軟組織的生物力學研究促進了運動損傷防治的發(fā)展。近四年，我國在運動損傷生物力學方面的研究主要包括以下幾個方面：（1）動作技術對運動損傷的影響；（2）運動裝備對運動損傷的影響；（3）肌肉工作特征與損傷的關系。

1.5 全民健身活動的生物力學

隨著人民生活水平的提高，運動生物力學在全民健身活動這一研究領域中發(fā)揮著越來越重要的作用。運用運動生物力學的方法和理論對各種健身運動進行研究，可以揭示健身動作的生物力學特征和對人體運動器官的力學作用，從而指導健身人群科學地選擇健身方式，有效地增進健康并避免運動損傷。

1.5.1 老年人運動能力及健身方法的生物力學研究

隨著醫(yī)學的進步和人類壽命的增長，各國人口老齡化問題日趨嚴重，對老人健康的研究也吸引著越來越多研究人員的興趣。目前，很多研究者借助運動生物力學的方法和手段對老年人進行研究。例如，關于老年人跌倒的成因、機制與預防干預問題。

近年來，我國運動生物力學研究者在人體運動的增齡性變化和老年人健身方法評價上的研究，越來越多，越來越深入。例如，很多研究已經證明，太極拳練習可以維持或增加老年人平衡穩(wěn)定能力，是預防老年人跌倒的有效干預手段[15]。又如，對不同年齡組老年人下樓梯時的足底壓力特征進行分析時發(fā)現，60歲以上的老年人下樓梯時的身體穩(wěn)定性會明顯下降[16]。

1.5.2 兒童生長發(fā)育對動作影響的生物力學研究

隨著兒童身體各系統(tǒng)的生長發(fā)育，運動能力和動作形式都會隨之變化。了解兒童成長過程中動作形成規(guī)律，有助于為他們設計更有針對性的身體鍛煉計劃，而且對肥胖兒童和不良動作習慣兒童的運動特點進行研究，可以對可能的損傷進行評估和預測，同時確定有效的預防損傷方案。近年來，我國學者在這方面的研究已有所增加。

1.6 運動裝備設計與評價的生物力學

對運動裝備和運動場地的研究日益受到重視。其中，運動鞋的研究備受關注，研究目的主要是提高運動成績，減少運動損傷。

近年來，我國在運動鞋方面的研究已經從成品鞋的性能檢驗和評價，轉變?yōu)樘接懹绊懶氖孢m、安全、促進運動表現等功能因素，并針對不同運動項目的需要提供個性化設計和選擇合理材料的依據。

近年來，國內許多研究者從不同項目的運動鞋特征、鞋底氣墊設計、落地時不同運動鞋下肢軟組織振動、籃球鞋的高幫設計、鞋底材料和花紋設計對走跑時的安全與效率的影響、防滑鞋底紋路設計等進行了大量研究。

1.7 我國運動生物力學課程教學狀況

1959年，我國引進蘇聯(lián)頓斯柯依的《運動生物力學》教材，舉辦了第一期運動生物力學教師講習班。此后，我國大多數體育院系開設了《運動生物力學》課程，并規(guī)定為學生的專業(yè)基礎課。

1980年，國家教育部要求將運動生物力學確定為體育系、科學生的必修課，并且作為體育教學中必不可少的一門專業(yè)課。

1986年，國家教育部修訂了高師體育專業(yè)教學計劃改革，運動生物力學成為非必修課。

1997年，國家教育部正式公布的新課程方案中，運動生物力學依然是限定選修課之一。

2004年，國家教育部要求不再設立限定選修課，將《運動生物力學》課程排除在必修主干課程之外。至此，《運動生物力學》成為體育教育專業(yè)學生真正意義上的選修課，學生可以選修也可以不選。

目前，我國已經形成了一支教學和科研經驗都非常豐富的運動生物力學教師隊伍。課程在內容設置和教學手段上都有了更加科學合理的改進，已經培養(yǎng)了很多了解甚至掌握運動生物力學理論和方法的體育系本科畢業(yè)生。

除了運動訓練、體育教育等專業(yè)外，培養(yǎng)運動生物力學專業(yè)方向的本科生和研究生，是我國運動生物力學教學的重要內容。雖然目前運動人體科學專業(yè)的課程設置有待進一步改進，有關的專業(yè)基礎課大量削減，但隨著高?？蒲兴胶陀布O施的提高，運動生物力學本科和研究生有越來越多的機會接觸和應用高精尖的儀器設備，并完成了一定水平的研究工作。

2 國內外運動生物力學發(fā)展對比

（1）國內外運動生物力學研究方法和手段的發(fā)展基本同步。與國外運動生物力學的發(fā)展近況相比，我國運動生物力學研究在測試設備、研究方法和手段上，與國際間的差別不明顯，但理論研究和研究方法的創(chuàng)新研究相對偏少。

（2）國內外運動生物力學在研究領域上的側重有所不同。國內研究側重于以提高運動成績?yōu)槟康牡母偧俭w育項目的運動技術分析；國外研究側重于以運動損傷預防和康復為目的的體育動作的生物力學特征研究，以及人體基本運動功能的力學規(guī)律研究。

（3）國內外高校對運動生物力學課程的重視程度不同。我國的體育院系中，除少數的運動人體科學專業(yè)外，運動訓練、體育教育、社會體育、運動康復等人數眾多的專業(yè)將運動生物力學設為選修課，造成很多學生缺乏相關的知識和技能。國外發(fā)達國家的高等學校體育專業(yè)將運動生物力學作為重要和基本的必修課之一，認為體育專業(yè)學生不懂運動生物力學是不可想象的。在許多發(fā)達國家，體育院系已經將運動生物力學、運動醫(yī)學、運動生理學等為代表的自然科學作為核心課程。其主要目的是讓學生掌握人體運動的科學規(guī)律和研究方法，在訓練和競賽中能夠自覺地應用這些知識，提高運動水平。

3 我國運動生物力學發(fā)展趨勢

（1）借助多學科的方法、手段和力量進行運動生物力學研究。未來研究的發(fā)展趨勢必然是多學科的交叉與融合，借助多學科的方法和思路，研究和解決人體運動的問題。例如，借助流行病學的研究思路，運動生物力學可以為運動損傷的危險因素提供定量指標；借助數學的優(yōu)化方法和計算機技術，可以對復雜的人體運動進行模擬和預測。

（2）加強運動技術診斷與優(yōu)化的理論研究，其研究應注意數據的積累和研究方法的改進，避免對運動技術特點只進行簡單描述。我國運動生物力學研究者應進一步提高科研設計的能力、運用統(tǒng)計方法和解釋統(tǒng)計結果的能力，以及運用合理的方法驗證科學假設的能力。

（3）加強運動損傷與康復的生物力學原理與應用研究。國際上，運用生物力學對骨骼、關節(jié)、肌肉、韌帶等進行探討，一直是研究的熱點，其研究結果對臨床骨科、運動醫(yī)學、康復醫(yī)學、體育運動等產生了直接和重要的影響。

（4）促進體育相關專業(yè)運動生物力學課程改革。目前，我國高等體育院系在《運動生物力學》授課過程中還存在課堂教學模式比較單一、教學方法比較陳舊、力學理論與運動實踐結合不緊密、實驗課內容和形式缺乏創(chuàng)新等問題。一些運動生物力學教師缺乏專業(yè)的學科教育背景或參加培訓和科研活動較少導致知識陳舊，這些都嚴重影響了課程的教學質量。因此，必須進行教學方法、教學模式、甚至教學內容的改革，加強教師隊伍的培訓，提高教學質量。

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[20]中國體育科學學會運動生物力學分會.運動生物力學學科發(fā)展報告(2012-2015).未發(fā)表.

（責任編輯：何聰）

Status Quo and Prospects of the Development of Sports Biomechanics

Wangqing1,HAOWeiya1,LIU Hui2,WANG Xiangdong1,LIU Ying3
（1.China Institute of Sport Science,Beijng 100061,China；2.Beijing Sport University,Beijng 100084,China；3.Beijing Institute of Sport Science,Beijng 100751,China）

The paper,comprising 3 parts,is a special report at a seminar of sports technological biomechanics during the 10thNational Sports Science Conference.The first part briefly introduces the development and status quo of sports biomechanics from the aspects of research method,biomechanics of sports technology,biomechanics of sports training,biomechanics of sports injury&rehabilitation,biomechanics of mass fitness activities,biomechanics of sports equipment design&evaluation,teaching of sports biomechanics in China,etc.The second part makes a comparative analysis of the sports biomechanics development at home and abroad.The third part focuses on the development trend of sports biomechanics in China.

sports biomechanics;development of the subject;status quo;prospect

G804.6

A

1006-1207（2016）03-0091-05

2015-11-30

王清，男，研究員，中國體育科學學會運動生物力學分會主任委員。主要研究方向：優(yōu)秀運動員競技能力的診斷與監(jiān)測。E-mail:wangquing@126.com。

論文說明：第十屆全國體育科學大會專題報告，中國科協(xié)2012-2015生物力學學科發(fā)展專題報告。

1.國家體育總局體育科學研究所，北京100061；2.北京體育大學，北京100084；3.北京市體育科學研究所，北京1000751。