不同距離負(fù)重行軍生物力學(xué)和生理上的變化特點(diǎn)及訓(xùn)法研究

馬繼政　張?chǎng)矽i　王增剛　王哲　賈衛(wèi)　馮煊　黃強(qiáng)年

摘 要：負(fù)重行軍是現(xiàn)役人員的一項(xiàng)基本能力，距離從跨越20m的障礙物到穿過(guò)120km以上指定區(qū)域，地形通常較為復(fù)雜。負(fù)重量通常為7.5～50kg。這一巨大的距離上和負(fù)重量上的跨度，會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生極大的影響。負(fù)重可增加人體的能耗、改變步態(tài)。就最佳負(fù)重能力而言，不同距離上人體姿勢(shì)力學(xué)和能量代謝上是不同的：短距離負(fù)重跑，需要較高的地面垂直作用力，主要依賴無(wú)氧代謝；中距離負(fù)重跑是生物力學(xué)和生理方面的中介因素，其挑戰(zhàn)是在維持高速的同時(shí)需要維持經(jīng)濟(jì)性的運(yùn)動(dòng)，需要無(wú)氧、有氧代謝；長(zhǎng)距離負(fù)重行軍和有氧能力、底物可利用性、抗疲勞有關(guān)，因此，其訓(xùn)練方法也發(fā)展相應(yīng)的變化。當(dāng)前，基于任務(wù)的不同和多樣，選擇特定距離范圍進(jìn)行訓(xùn)練是一般采用的訓(xùn)練策略。此外，日常進(jìn)行非對(duì)稱負(fù)重訓(xùn)練或負(fù)重靜力性練習(xí)也是必要的。

關(guān)鍵詞：負(fù)重 生物力學(xué) 生理

中圖分類號(hào)：G808 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2813（2018）10（a）-0046-06

Abstract： The occupational load carriage is the basic ability for military personnel. The distance ranges from navigating 20m obstacles to arriving at given region about 100 miles or more， which has a complex terrain. The carrying load is from 7.5～50kg. The comparatively large spectrum of distances and load carriages can cause stress for military personnel. These loads have been found to increase the physiological cost to the military personnel and alter their gait mechanics. With regard to the optimum performance of load carriage， the physiological and biomechanical mechanisms of different distances are diverse： the sprint occupational load carriage need high vertical ground reaction forces， which rely heavily on anaerobic metabolism； the middle distance is characterized by intermediates of biomechanical and physiological parameters， with the challenge being to run at high velocities while still maintaining economical movement， which rely on anaerobic and aerobic metabolism； the distance is related to aerobic capacity， fuel utilization， and fatigue resistance. Accordingly， the training needs adjustment. At present， base on the task physical demands， the basic training strategy is to select special distance to meet their need. In addition， it is necessary for carrying load on asymmetrical or static exercises.

Key Words： Occupational load carriage； Biomechanical； Physiological

負(fù)重行軍是現(xiàn)役人員的一項(xiàng)基本能力，距離從跨越20m的障礙物到穿過(guò)120km以上指定區(qū)域，地形通常較為復(fù)雜[1]。負(fù)重通常為7.5～50kg[2]。這一巨大的距離上的跨度，會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生極大的影響。就運(yùn)動(dòng)能力而言，從田徑運(yùn)動(dòng)跑步的項(xiàng)目看，很少有運(yùn)動(dòng)員在兩個(gè)不同距離上，同時(shí)獲得成功。從生理和生物力學(xué)角度看，就能力而言，不同的距離表現(xiàn)出多樣性[3]。

對(duì)于跑步運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目，能力取決于通過(guò)一定距離所需的時(shí)間。跑速（V）取決于代謝率（Pmet）和跑動(dòng)時(shí)能量的消耗（c）：V=。Pmet指的是整個(gè)持續(xù)范圍內(nèi)有氧和無(wú)氧消耗的總和[4]。從短距離到超長(zhǎng)距離負(fù)重行軍生理和生物力學(xué)上的變化和需求是不同的。c值取決于多種因素，例如加速、地形、負(fù)重量、風(fēng)速、疲勞。一些生物力學(xué)上的因素，同樣影響c值。因此，這一公式代表著生理、生物力學(xué)因素與跑速之間的關(guān)系。目前，運(yùn)動(dòng)聯(lián)盟的規(guī)定的距離名稱為：短跑（60～400m）、中跑（800～3000m）、長(zhǎng)跑（5000m～馬拉松）、超級(jí)馬拉松（>馬拉松）。

此外，鑒于負(fù)重量、地形不同，不同距離負(fù)重行軍實(shí)質(zhì)上生理、生物力學(xué)存在不同，并不能完全等同于無(wú)負(fù)重平跑。整體上看，負(fù)重時(shí)，人體的第一應(yīng)答為軀干前傾。這一反應(yīng)可保證負(fù)重量的重心靠近支撐（腳），盡可能保證穩(wěn)定。相對(duì)水平面，背部6kg負(fù)重人體即可前傾，負(fù)重量大于40kg，軀干前傾可達(dá)11°。在負(fù)重狀態(tài)下行走時(shí)，臀部的彎曲增加，骨盆和下背部的肌肉活性增加[5]，另外，負(fù)重量增加，髖關(guān)節(jié)屈角峰值、足底壓力也就增加等[6]。此外，能耗也隨之增加[7，8]，并對(duì)人體多系統(tǒng)施加影響[9，10]。盡管存在一定的差異，但不同距離上機(jī)械負(fù)荷和生理上的需求，可為負(fù)重訓(xùn)練提供一定依據(jù)。

1 不同距離負(fù)重行軍人體生物力學(xué)和生理上的變化特點(diǎn)、訓(xùn)練方法

1.1 短距離跑

從奧運(yùn)會(huì)競(jìng)技比賽看，短距離項(xiàng)目包括100m、200m和400m。短距離跑的持續(xù)時(shí)間通常為1min內(nèi)。100m大約持續(xù)10s[3]。在研究中通常作為人類能力的一個(gè)極端。盡管通常認(rèn)為60～400m較為相似，但實(shí)質(zhì)上生理和生物力學(xué)方面存在差異，潛在影響運(yùn)動(dòng)能力。例如可觀察到100m和200m都非常優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)員，或者200m和400m，但到現(xiàn)在為止，尚未出現(xiàn)100m和400m同時(shí)非常優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)員。

當(dāng)前，大城市或城鄉(xiāng)結(jié)合部作為作戰(zhàn)區(qū)域的概率增加，因此，負(fù)重條件下，對(duì)快速移動(dòng)能力要求增加：需要快速通過(guò)障礙物或無(wú)障礙物區(qū)域。

1.1.1 生物力學(xué)

無(wú)負(fù)重短距離跑的一個(gè)獨(dú)特的因素是，由于距離短，加速階段是一個(gè)重要的成分。特別是對(duì)于60～100m來(lái)說(shuō)，高度依賴于加速能力，距離越長(zhǎng)，起始階段越不重要[11]。在整個(gè)100m跑，加速階段為40～60m，速度維持10～30m，減速為10～20m[11]。對(duì)于60m跑來(lái)說(shuō)，加速階段尤為重要。100m和200m平均世界紀(jì)錄的速度相似，但低于60m。由于無(wú)氧能力的局限，400m平均速度相對(duì)較低。

神經(jīng)-運(yùn)動(dòng)單位一體化在加速階段作用非常明顯。目前，最快速起跑反應(yīng)時(shí)間<200s，與技術(shù)不成熟運(yùn)動(dòng)員相比，起跑時(shí)，足底壓力更大，水平速度更快[12]。此外，研究認(rèn)為步長(zhǎng)在100m賽事加速階段起著重要的作用，主要體現(xiàn)在前10～20m[13]。保證維持高速，基本動(dòng)力因素是高垂直的地面作用力（ground reaction forces，GRFs）。與非短跑運(yùn)動(dòng)員相比，短跑運(yùn)動(dòng)員表現(xiàn)出更高的垂直方向GRFs和較短垂直作用力[14]。力的應(yīng)用技術(shù)，特別是GRFs矢量方向是決定運(yùn)動(dòng)成績(jī)的最重要因素，水平方向GRFs可能是關(guān)鍵因素，研究發(fā)現(xiàn)凈的水平力和運(yùn)動(dòng)成績(jī)相關(guān)[15]。

就最大跑速上限來(lái)說(shuō)，較短時(shí)間需要產(chǎn)生較高的力表明力-速度關(guān)系是肌肉收縮的一個(gè)重要的性能，較快的步態(tài)周期需要肌肉更快地收縮，因此，骨骼肌力-速度關(guān)系是最大跑速限制因素[16]。腓腸肌和比目魚肌，很大程度上負(fù)責(zé)垂直方面GRFs，從力-速度關(guān)系上看，較短的接觸時(shí)間意味著這些肌群必需增加收縮速度，導(dǎo)致峰值力下降[17]。但是，擺動(dòng)階段機(jī)械力學(xué)也是非常重要的，可迅速重置腿部的位置[18]。人體測(cè)量顯示短跑運(yùn)動(dòng)員通常腿長(zhǎng)，小腿圍相對(duì)較小，據(jù)認(rèn)為可能腿部擺動(dòng)慣量降低有關(guān)。

1.1.2 生理方面

短距離跑速取決于機(jī)械性能，較短收縮時(shí)間，產(chǎn)生高負(fù)荷。在跑動(dòng)中，一些生理因素影響力的生成。短跑運(yùn)動(dòng)主要依賴于無(wú)氧代謝系統(tǒng)來(lái)支持高輸出功率。持續(xù)時(shí)間小于<15s，主要依賴于ATP-PCr系統(tǒng)提供肌肉收縮所需的ATP，距離增加無(wú)氧糖酵解的供能比例增加[19]。因此，個(gè)體具有高水平的無(wú)氧功能，其短跑能力相應(yīng)較高。

跑動(dòng)中，力的生成能力很可能取決于腿部的力量、爆發(fā)力和僵硬度，這些因素和運(yùn)動(dòng)成績(jī)有關(guān)[20]。年齡相關(guān)肌肉萎縮、力量的丟失和長(zhǎng)收縮時(shí)間，低GRFs有關(guān)，相應(yīng)地跑速下降，可見腿部力量的重要性[21]。決定短跑運(yùn)動(dòng)能力，高負(fù)荷力需求，骨骼肌的特征涉及到肌肉質(zhì)量、肌纖維的組成，以及肌纖維長(zhǎng)度[22]。高機(jī)械輸出功率和腿部伸肌II型肌纖維有關(guān)，而II型肌纖維通常和ACTN3 R577R、ACE I/D基因多態(tài)性有關(guān)[23]。另外，彈性勢(shì)能也是決定短跑運(yùn)動(dòng)能力的一個(gè)重要因素[24]。

1.1.3 訓(xùn)練方法

負(fù)重量增加人體姿勢(shì)力學(xué)發(fā)生調(diào)整，動(dòng)用的肌群不同于平跑。基于訓(xùn)練學(xué)方面的考慮和特定的軍事行動(dòng)，負(fù)重量維持在較高的水平（見圖1）[2]。研究表明在“伊拉克自由”和“持久自由”行動(dòng)中，需要全副武裝進(jìn)行300m單兵運(yùn)動(dòng)戰(zhàn)術(shù)（占參戰(zhàn)人員經(jīng)歷的身體活動(dòng)61%）[2]。負(fù)重條件下，定期進(jìn)行多種快速移動(dòng)能力訓(xùn)練是必須的，以激活和鍛煉相應(yīng)的肌群。另外，負(fù)重量增加，速度相應(yīng)下降，但其能量供能上的特點(diǎn)應(yīng)類似于平跑（1min內(nèi)），因此，選擇練習(xí)的強(qiáng)度應(yīng)充分激活A(yù)TP-PCr系統(tǒng)和無(wú)氧代謝系統(tǒng)。此外，鑒于負(fù)重快速移動(dòng)，機(jī)體高輸出功率的特點(diǎn)，應(yīng)對(duì)重要的肌群和關(guān)節(jié)進(jìn)行基本能力訓(xùn)練，包括最大力量和爆發(fā)力等。

1.2 中距離負(fù)重行軍

1.2.1 中距離跑

從奧運(yùn)會(huì)項(xiàng)目看，中跑項(xiàng)目，由800m、1500m和3000m組成。對(duì)于3000m是否屬于中跑，還是長(zhǎng)跑存在爭(zhēng)議。中跑項(xiàng)目持續(xù)時(shí)間<2～8min。在這一距離范圍內(nèi)，影響運(yùn)動(dòng)成績(jī)的因素較多。中跑運(yùn)動(dòng)能力非常獨(dú)特，是生物力學(xué)和生理方面的中介因素，其挑戰(zhàn)是在維持高速的同時(shí)需要維持經(jīng)濟(jì)性的運(yùn)動(dòng)[3]。

中距離跑很可能會(huì)成為一個(gè)研究重點(diǎn)問(wèn)題，不同生物力學(xué)和生理方面中介因素可能和高水平運(yùn)動(dòng)能力有關(guān)。在中距離跑項(xiàng)目中，不同距離其機(jī)械輸出功率、能量的可利用方面存在不同。例如，與3000m相比，輸出功率在800m項(xiàng)目很可能起到關(guān)鍵的作用。此外，研究認(rèn)為800m賽事前部分平均輸出功率起著主要的作用，后部分能量的利用起著主要的作用[25]。

1.2.2 生物力學(xué)

盡管中距離跑GRFs低于短距離，但速度相對(duì)較快，仍需要較高的機(jī)械輸出功率。從機(jī)械方面看，中跑項(xiàng)目的跑動(dòng)類似于短跑，但在最大跑速或次最大跑速時(shí)，不同于長(zhǎng)跑。中距離和長(zhǎng)距離跑的差異包括：步幅增加、接觸時(shí)間降低、擺動(dòng)時(shí)膝關(guān)節(jié)彎曲程度增加、人體重心震動(dòng)幅度增加[26]。中跑距離增加，機(jī)械負(fù)荷發(fā)生改變，例如3000m跑，步幅減小，軀干前傾[27]。

1.2.3 生理方面

優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員表現(xiàn)出局部骨骼肌的適應(yīng)能力（毛細(xì)血管網(wǎng)略發(fā)達(dá)、肌細(xì)胞的代謝潛能增加），以及具有較高的無(wú)氧能力，從而產(chǎn)生項(xiàng)目所需的高機(jī)械輸出功率[3]。機(jī)械輸出功率對(duì)于中距離運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，較為關(guān)鍵。無(wú)氧閾值速度、通氣閾和最大攝氧量（maximal oxygen uptake，VO2max）可預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)能力[28]。中距離相對(duì)較高能力上的需求，已超出單純依靠有氧供能，800m、1500m有著較高無(wú)氧供能需求[29]，而短距離主要依賴無(wú)氧供能。中距離跑有氧代謝的能力增加。有氧條件下最大速度和優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)能力有關(guān)[29]，并表現(xiàn)出較高的VO2max。與長(zhǎng)距離跑相比，VO2max和中距離跑的運(yùn)動(dòng)能力更相關(guān)[30]。此外，乳酸變動(dòng)，特別是乳酸閾以及乳酸堆積的起始和中距離跑的運(yùn)動(dòng)能力有關(guān)[31]。

1.2.4 訓(xùn)練方法

鑒于中距離機(jī)械負(fù)荷和能量供能的特點(diǎn)，在訓(xùn)練中，需要不斷調(diào)和高速度、高經(jīng)濟(jì)性之間的矛盾。此外，需要有效地發(fā)展無(wú)氧和有氧代謝系統(tǒng)。選擇訓(xùn)練方法常用于提高VO2max。

1.3 長(zhǎng)距離負(fù)重行軍

1.3.1 長(zhǎng)距離跑

與短跑相似，長(zhǎng)距離跑同樣受到關(guān)注。長(zhǎng)距離項(xiàng)目包括5000m、10000m和馬拉松。持續(xù)時(shí)間從超過(guò)12min到超過(guò)2h。

1.3.2 生物力學(xué)

對(duì)長(zhǎng)距離運(yùn)動(dòng)能力來(lái)說(shuō)，有氧能力、跑步經(jīng)濟(jì)性是最基本的因素。跑步生物力學(xué)和經(jīng)濟(jì)性之間存在顯而易見的聯(lián)系。證據(jù)顯示運(yùn)動(dòng)經(jīng)濟(jì)性來(lái)自于執(zhí)行最佳機(jī)械方式，適宜幅度、方向、節(jié)奏使用力，沒有多余的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)上的變量影響跑步的經(jīng)濟(jì)性[32]。

就運(yùn)動(dòng)學(xué)而言，研究認(rèn)為步長(zhǎng)可顯著影響跑步的經(jīng)濟(jì)性，個(gè)體選擇一定的步長(zhǎng)、偏離，運(yùn)動(dòng)經(jīng)濟(jì)性會(huì)變差[33]。初始地面接觸的峰值速度、垂直沖量下降和運(yùn)動(dòng)經(jīng)濟(jì)性有關(guān)[34]。相反，高的總垂直沖量、凈垂直沖量、前后制動(dòng)力增加和差的運(yùn)動(dòng)經(jīng)濟(jì)性有關(guān)[35]。

1.3.3 生理方面

通常，決定長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)成績(jī)主要因素是有氧能力。優(yōu)秀耐力運(yùn)動(dòng)員具有較高VO2max。影響VO2max因素有血容量、毛細(xì)血管密度、線粒體的密度增加，主要增加每搏輸出量[36]。但是，VO2max與長(zhǎng)跑運(yùn)動(dòng)成績(jī)相關(guān)性僅為中等程度[3]。無(wú)氧閾時(shí)VO2和速度可較好地預(yù)測(cè)運(yùn)動(dòng)能力[37]。跑步的經(jīng)濟(jì)性（其定義為次最大跑速攝氧量）是決定長(zhǎng)距離運(yùn)動(dòng)成績(jī)的重要因素之一[38]。其與運(yùn)動(dòng)能力高度相關(guān)，并能夠預(yù)測(cè)耐力成績(jī)[39]。

在相同的穩(wěn)態(tài)的速度下，運(yùn)動(dòng)經(jīng)濟(jì)性較好的運(yùn)動(dòng)員比運(yùn)動(dòng)經(jīng)濟(jì)性差的運(yùn)動(dòng)員可較少利用氧[40]。在具有相似VO2max運(yùn)動(dòng)員中，經(jīng)濟(jì)性變化范圍可達(dá)30%[34]，可用來(lái)解釋能力上的差異。經(jīng)濟(jì)性上的差異很可能和肌腱彈性能量?jī)?chǔ)存和回歸有關(guān)，一個(gè)預(yù)定的運(yùn)動(dòng)，肌腱彈性能量?jī)?chǔ)存和回歸主要取決于肌腱力矩臂，力矩臂減小，能量?jī)?chǔ)存增加[41]。肌腱力矩臂和跑步經(jīng)濟(jì)性相關(guān)[42]。

1.3.4 訓(xùn)練方法

同樣的，研究結(jié)果顯示在“伊拉克自由”和“持久自由”行動(dòng)中，需要在在極端的條件下攜帶全部作戰(zhàn)裝備行軍10km，表明在特定的環(huán)境下，有氧能力仍舊非常重要[2]。鑒于此，負(fù)重條件下，人體姿勢(shì)力學(xué)上的調(diào)整（與負(fù)重量有關(guān)），進(jìn)行定期負(fù)重訓(xùn)練是最基本的，有助于提高參與肌群的適應(yīng)能力。就影響因素看，有氧能力和跑步經(jīng)濟(jì)性可能對(duì)運(yùn)動(dòng)能力產(chǎn)生較大的影響，因此，選擇訓(xùn)練方式，應(yīng)能夠發(fā)展這些能力指標(biāo)，從而獲得陽(yáng)性上的適應(yīng)能力[43]。

1.4 超長(zhǎng)距離負(fù)重行軍

1.4.1 超級(jí)馬拉松

超級(jí)馬拉松賽事距離從50～100km到多天的越野賽跑。超級(jí)馬拉松最短距離為50km，優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)大約3h，一些賽事可持續(xù)48h或更長(zhǎng)。超級(jí)馬拉松的賽事相對(duì)較新，對(duì)超級(jí)馬拉松生物力學(xué)以及生理方面的研究相對(duì)較少。但是，可以推測(cè)這些項(xiàng)目主要依賴于有氧功能、底物的利用，以及抗疲勞能力。

1.4.2 生物力學(xué)

有限研究資料顯示，優(yōu)秀超級(jí)馬拉松的步態(tài)發(fā)生改變，出于避免損傷或抵抗疲勞而發(fā)生改變[44]。這些步態(tài)的變化包括高步頻和著地指數(shù)，以及騰空時(shí)間降低，而接觸時(shí)間沒有變化。另外，超級(jí)馬拉松選手表現(xiàn)出較低最大垂直方向上的GRFs和負(fù)荷率[44]。此外，超級(jí)馬拉松選手表現(xiàn)出較大的步態(tài)上的可變能力，可能和地形有關(guān)[45]。

1.4.3 生理方面

與長(zhǎng)距離相似，跑步的經(jīng)濟(jì)性也是決定超級(jí)馬拉松的一個(gè)決定的因素，一些可以預(yù)測(cè)超級(jí)馬拉松成績(jī)的變量包括VO2max、氧氣的利用率、跑步的平均能耗[46]，最大運(yùn)動(dòng)測(cè)試時(shí)峰值跑臺(tái)速度、乳酸閾拐點(diǎn)速度[47]?？紤]到超長(zhǎng)的距離，抗疲勞能力是決定運(yùn)動(dòng)能力的一個(gè)重要的因素[48]。

1.4.4 訓(xùn)練方法

同樣的，研究結(jié)果顯示在“伊拉克自由”和“持久自由”行動(dòng)中，需要維持身體活動(dòng)72h（占參戰(zhàn)人員經(jīng)歷的身體活動(dòng)61.2%）[2]。對(duì)于超長(zhǎng)距離的負(fù)重行軍，抗疲勞能力訓(xùn)練是其關(guān)鍵的因素。人體姿勢(shì)力學(xué)和能量代謝上的適應(yīng)是基本的訓(xùn)練形式。

2 非對(duì)稱負(fù)重行軍人體生物力學(xué)和生理上的變化特點(diǎn)、訓(xùn)練方法

此外，除了大量動(dòng)力性活動(dòng)外，無(wú)負(fù)重或負(fù)重站立（相當(dāng)于靜力性的力量練習(xí)，通常需要持續(xù)一定時(shí)間，例如在日常訓(xùn)練中或執(zhí)勤需要靜止站立，并時(shí)常在負(fù)重情況下進(jìn)行。靜力性活動(dòng)可增加肌內(nèi)壓力，壓力增加可傳遞至脈管系統(tǒng)，導(dǎo)致骨骼肌血流降低，從而引發(fā)一系生理反應(yīng)[49-51]。除了上述的對(duì)稱負(fù)重外，在實(shí)際行動(dòng)和日常生活中，常常需要在負(fù)重條件下進(jìn)行非對(duì)稱的活動(dòng)[52-54]，例如提彈藥箱、抬擔(dān)架等，非對(duì)稱負(fù)重條件，人體姿勢(shì)力學(xué)發(fā)生調(diào)整，進(jìn)行相應(yīng)的訓(xùn)練也是有必要的。

3 結(jié)語(yǔ)

不同距離上的負(fù)重行軍，就運(yùn)動(dòng)效率而言，人體姿勢(shì)力學(xué)和能量代謝方式不同?；谌蝿?wù)的不同和多樣，選擇特定距離范圍進(jìn)行訓(xùn)練是一般采用的訓(xùn)練策略。此外，負(fù)重訓(xùn)練，人體產(chǎn)生額外的應(yīng)激，可導(dǎo)致神經(jīng)肌肉損傷，日常訓(xùn)練進(jìn)行監(jiān)控是有必要的[55]。此外，影響負(fù)重能力是多因素的，精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)發(fā)展，開始推動(dòng)訓(xùn)練朝向精準(zhǔn)能力發(fā)展[56]，盡管存在巨大的困難和挑戰(zhàn)，但其帶來(lái)的理論和實(shí)踐應(yīng)用也是巨大的。

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