生物力學(xué)在運(yùn)動(dòng)控制與協(xié)調(diào)研究中的應(yīng)用

雷兵兵

中圖分類號(hào)：G80-05 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)：A 文章編號(hào)：1009-9328（2016）12-021-01

摘 要 肌肉的主動(dòng)收縮和舒張控制之下動(dòng)物會(huì)產(chǎn)生各種不同的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，這屬于肌肉力矩的主動(dòng)改變而肢體運(yùn)動(dòng)又會(huì)反作用于肌肉力矩。在不斷的進(jìn)化中人類逐漸形成自身完善的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)負(fù)責(zé)自身運(yùn)動(dòng)的控制與協(xié)調(diào)。除了主動(dòng)的肌肉力矩之外，接觸力矩、重力力矩以慣性力矩也會(huì)對(duì)肢體運(yùn)動(dòng)的具體方式和表現(xiàn)產(chǎn)生影響，生物力學(xué)是研究人類運(yùn)動(dòng)控制機(jī)制的基礎(chǔ)，因而本文就生物力學(xué)在運(yùn)動(dòng)控制與協(xié)調(diào)研究中的作用進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞 生物力學(xué) 運(yùn)動(dòng) 控制協(xié)調(diào) 應(yīng)用

人體運(yùn)動(dòng)需要在多個(gè)部分的共同協(xié)調(diào)配合下完成，而單純運(yùn)動(dòng)學(xué)角度只針對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)效果以及其他外作用力的影響進(jìn)行研究，無(wú)法對(duì)人體肢體運(yùn)動(dòng)控制和協(xié)調(diào)的具體機(jī)制作出判斷。生物力學(xué)從關(guān)節(jié)力矩的角度并結(jié)合運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方法可以對(duì)肢體運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)生方式和作用機(jī)制進(jìn)行科學(xué)合理的分析，推動(dòng)人體運(yùn)動(dòng)控制機(jī)制理論研究的發(fā)展。

一、生物力學(xué)與運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)系分析

肌肉的收縮是人類肢體運(yùn)動(dòng)最直接的動(dòng)力，人體神經(jīng)系統(tǒng)可以對(duì)不同部位的新陳代謝速率和能量釋放方式進(jìn)行調(diào)整，從而起到控制骨骼肌腱可控張力的效果，肌腱又將動(dòng)力傳給關(guān)節(jié)、韌帶以及骨骼等，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)運(yùn)動(dòng)單位的控制。神經(jīng)肌肉骨骼系統(tǒng)包括肌肉運(yùn)動(dòng)單位與神經(jīng)元之間的突觸連接、運(yùn)動(dòng)單位疊加與肌腱上的合力、肌肉骨骼系統(tǒng)的整合以及關(guān)節(jié)力矩整合協(xié)作四個(gè)層次。人體的骨骼、肌肉結(jié)構(gòu)都十分復(fù)雜，因而神經(jīng)中樞系統(tǒng)很難直接對(duì)每個(gè)運(yùn)動(dòng)單位進(jìn)行控制，目前猜測(cè)中樞神經(jīng)系統(tǒng)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)協(xié)作實(shí)現(xiàn)方式或者是關(guān)節(jié)水平運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行控制，再由該環(huán)節(jié)傳達(dá)至各個(gè)運(yùn)動(dòng)單元。

二、運(yùn)動(dòng)控制的生物力學(xué)研究技術(shù)

（一）生物傳感器技術(shù)

目前生物傳感器技術(shù)在科學(xué)研究中的應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛，包括力量、肌電圖、加速度以及位移傳感器等等，這些技術(shù)相關(guān)專業(yè)的教科書(shū)以及很多文獻(xiàn)中都有涉及到。隨著研究的深入和技術(shù)的發(fā)展三維陀螺儀運(yùn)動(dòng)測(cè)量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，在生物力學(xué)測(cè)量中可以對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)速度、不同時(shí)間點(diǎn)的方位、角度等數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量和記錄，因而可以應(yīng)用于疾病診斷和治療康復(fù)中，該技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也日益廣泛。

（二）生物力學(xué)建模與仿真

當(dāng)人體運(yùn)動(dòng)時(shí)除了肢體的外部狀態(tài)，肌肉狀態(tài)、關(guān)節(jié)連接處軟組織的形狀等也會(huì)發(fā)生一定的變化，而對(duì)這種形變進(jìn)行觀察和研究的難度較大，因而可以將整個(gè)人體作為一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)并以此為基礎(chǔ)建立相應(yīng)的人類肢體運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)研究方程，也可以將其稱為生物力學(xué)模型。研究方向以及研究切入點(diǎn)的不同都會(huì)對(duì)最終的模型構(gòu)建產(chǎn)生影響，一般來(lái)說(shuō)任意運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)模擬或者仿真需要應(yīng)用正向動(dòng)力學(xué)知識(shí)和技術(shù)，而對(duì)肢體運(yùn)動(dòng)的外力因素進(jìn)行測(cè)量時(shí)則需要應(yīng)用逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)。

（三）運(yùn)動(dòng)學(xué)影像技術(shù)

影像技術(shù)在生物力學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用由來(lái)已久，隨著科技的進(jìn)步和科研領(lǐng)域投入的提高，更多新型的運(yùn)動(dòng)學(xué)影像技術(shù)開(kāi)始出現(xiàn)。高速熒光透視技術(shù)可以對(duì)人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的骨骼、關(guān)節(jié)的情況進(jìn)行精確的分析，拍攝速度更快且由于無(wú)侵入性對(duì)人體的傷害也更小。將該技術(shù)應(yīng)用于人體醫(yī)療中將大大提高骨科檢驗(yàn)的準(zhǔn)確性。即時(shí)超聲波成像技術(shù)可以將人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的肌肉、肌腱等的形態(tài)包括肌纖維排列、肌肉羽狀角的情況進(jìn)行成像。

三、運(yùn)動(dòng)控制的生物力學(xué)原理

運(yùn)動(dòng)控制涉及的生物力學(xué)原理較多，本文就其中幾個(gè)較為重要的原理進(jìn)行分析闡述。人們?cè)谧龀瞿硞€(gè)動(dòng)作之前，為了提高動(dòng)作的完成效果，往往會(huì)先做一個(gè)跟目標(biāo)動(dòng)作方向相反的動(dòng)作，例如扣籃時(shí)先將手臂抬高，一方面下扣動(dòng)作的幅度更大，另一方面肌肉的彈力也會(huì)有所增大，下扣的力量隨之提高，這就是反向動(dòng)作最佳起始力原理的典型表現(xiàn)。人體神經(jīng)肌肉系統(tǒng)功能的完善性，以及個(gè)體肌肉力量和爆發(fā)力量對(duì)于體育競(jìng)賽成績(jī)有著重要的影響，在某些體育活動(dòng)中，人們?yōu)榱双@取運(yùn)動(dòng)速度的最大沖量會(huì)采取一些助力措施，例如對(duì)于跳遠(yuǎn)運(yùn)動(dòng)員來(lái)說(shuō)，他們?cè)谶M(jìn)行跳遠(yuǎn)前都會(huì)有助跑，鐵餅投擲運(yùn)動(dòng)員在投擲鐵餅時(shí)，也會(huì)有身體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等等，以上各項(xiàng)體育運(yùn)動(dòng)都是通過(guò)延長(zhǎng)加速度時(shí)間和距離來(lái)增加力的作用效果，這體現(xiàn)的是運(yùn)動(dòng)速度的最大沖量原理。物體之間的碰撞效果一般會(huì)受到以下兩方面因素的影響，即物體質(zhì)量和速度這兩方面的影響，質(zhì)量與速度的乘積稱之為動(dòng)量，生物力學(xué)中有打擊碰撞動(dòng)量保持原理，該原理在運(yùn)動(dòng)控制中的體現(xiàn)有：網(wǎng)球的擊球、拳擊等等，運(yùn)動(dòng)員為了提高碰撞效果在確保撞擊速度時(shí)還會(huì)提高撞擊的力度。因此，對(duì)于運(yùn)動(dòng)員來(lái)說(shuō)，一定要掌握運(yùn)動(dòng)控制的生物力學(xué)原理，進(jìn)而將其在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中得到充分運(yùn)用，這對(duì)提高運(yùn)動(dòng)員成績(jī)來(lái)說(shuō)起著非常重要的作用。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，生物力學(xué)的應(yīng)用可以在對(duì)關(guān)節(jié)力矩和分量進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上研究神經(jīng)肌肉系統(tǒng)對(duì)肌肉收縮力矩的調(diào)節(jié)模式，主動(dòng)的肌肉力矩在神經(jīng)系統(tǒng)的控制之下對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的被動(dòng)力矩進(jìn)行對(duì)抗，在平衡的狀態(tài)之下完成肢體運(yùn)動(dòng)動(dòng)作要求，生物力學(xué)的應(yīng)用大大降低了運(yùn)動(dòng)控制協(xié)調(diào)相關(guān)問(wèn)題的理解難度。

參考文獻(xiàn)：

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