广东工业大学体育部 陈泽全

我国运动生物力学研究方法、测量手段的现状及其展望

广东工业大学体育部 陈泽全

随着科技的发展,运动生物力学这门比较年轻的学科,正在伴随着它的进步而不断发展。运动生物力学不仅仅在竞技体育领域中发挥了重要的作用,推动了体育的不断前进,在日常生活中,运动生物力学同样起着积极的作用。运动生物力学研究方法及测量手段是这门学科中很重要的一个内容,科技的进步同样促进了研究方法与手段的更新与发展。

运动生物力学研究方法测量手段

运动生物力学是一门理论性和实践性都很强的科学。它是解剖学、生理学、力学的理论与体育运动实践相互交叉、融合后产生的一门新的综合性学科。在我国的发展只有四五十年的历史。直到70年代后期,随着体育科学的全面进步和高科技的渗入,运动生物力学才真正活跃起来,并迅即发展成为体育科学体系中最体现现代高科技水平的学科之一。随着现代科学技术水平的不断发展,运动生物力学一方面可以利用比较先进的仪器设备和科研方法为教练及运动员服务,帮助他们取得优异成绩;另一方面还可在全社会进行推广,为全民健身服务。

研究方法的研究作为学科研究的重要内容,对推进学科的发展起到至关重要的作用,对运动生物力学这样一门理论与实践交叉紧密的学科,就更是如此。

一、运动生物力学及研究方法概述

运动生物力学是运生物力学的一门学科分支,从属于生物物理学。它的力学基础是经典力学和材料力学,其生物学基础是人体运动器系的机能解剖学和神经控制论。运动生物力学的研究内容主要是体育运动中的人体运动问题,在各种条件下运动的力学原因、生物学原因及运动行为的力学特征。一个完整的运动行为包括一系列动作及由这些动作相互联结、相互制约所构成的有机联系的动作系。这些联系包括运动形态的结构联系,动作目的的机能联系,服从于意识的随意联系和非随意的本能联系。所有这些联系把运动过程中的各个动作组合成功能协调的动作系直至完整的运动行为。因此,运动生物力学的第一任务就是研究人体动作结构与运动功能之间的相互关系。运动生物力学的第二任务便是研究运动技术的优化问题,即:运动动作系的优选问题。这包括两个相互衔接的部分,建立优化的动作结构方案和制订实现这种动作结构的优化技术方案。这除了选择并设计训练手段和内容外,还应研究并制作用以发展运动功能的辅助训练实施和练习器。主要任务是运用力学方法使复杂系统数学化的技术,对人体运动行为进行客观而量化的描述、解释和评价,进而为运动技术的合理性选择和设计优化方案。

运动生物力学的研究方法基本沿用理论物理学和实验物理学的研究方法,研究对象主要是比较复杂的活体运动,这种运动是不遵守或不完全遵守牛顿运动力学的规律,这些活体系统是多变系统,具有多输入-多输出的特性,每个输入、每个输出都会对其产生影响;活体系统的参数大多是时变的,具有“涨落性”和“不可重复性”,并且这系统是多层次多级控制系统,运动生物力学的研究也是非常困难。

伯恩斯坦(NicholaSBemstein)主张用神经控制论的理论研究人体运动,创立了关于人体动作的系统结构分析方法。阿玛尔和艾夫特曼(Elftman)主张从人与环境间的相互关系研究运动效率,建立了人体能量学研究方法。此外,还有以无限小、连续性、决定型的分析为主的牛顿分析数学方法和对时间或空间大样本观测值进行分析的数理统计法。建立在多刚体系力学理论框架下的人体腾空运动描述方法和对复杂运动过程采用的层次因素分析方法等等。

现代控制论的奠基人维纳曾提出“黑箱”的概念,用以研究系统内元件及其作用机理未知,但其输入-输出关系可被测量或确定的系统。这种被称为“走出系统”的研究方法特别适合对活体系统的生物力学研究。比如在特定的实验中,可采用控制条件,对活体系统进行孤立或分离的办法,设法使多个输入中只有一个输入为变量,尽量使其它输入保持不变。在多个输出中只测定一个特定的输出,对其它输出则设法予以抑制,同时尽可能切断反馈回路,人为地使一个多变量多回路闭环系统暂时变为单变量开环系统。为了避免非线性的困难,可以采用“小讯号”技术,使系统变量在线性范围内变化。为了避免系统的时变性,可以提高实验操作速度、缩短测量过程。在这样控制条件下的研究之后,再用同样控制条件的方法对该系统的其它输入-出进行研究。最后,对这些关系进行分析综合,便可能对活体系统的复杂结构和作用机理达成某种程度的认识,并基于这种认识建立一定条件下的结构模型和数学模型。

二、运动生物力学的测量技术

德国著名学者鲍曼认为:“运动生物力学研究以力学参数测量为基础,这些参数应能表征人体运动状态和特征。”根据测量参数的自然属性可将运动生物力学测量技术分为:运动学参数测量技术,如测量时间、位移及导出的运动学参数;动力学参数测量技术,如测量时间、质量、力及导出的动力学参数;生物学测量技术,如人体形态学测量方法、人体重心测量方法、肌电测量方法等。

进入2000年以来,我国共举办了3届全国运动生物力学会议和一届世界运动生物力学会议,这极大的促进了我国运动生物力学的发展。查阅相关的文献,通过对近三届全国运动生物力学会议报告论文中研究方法与测试手段进行比较(如表1),我们可以发现随着我国科技的进步,生物力学测量方法与手段有了长足的进步:

表1 近三届全国运动生物力学会议论文研究方法与手段统计表

(1)运动学测试手段由过去的以高速摄影分析为主,发展到以摄像分析为主;摄像分析由平面到立体、由一维发展到三维,并以三维为主。高速摄像机的出现使得研究精度有了明显的提高,影像解析理论也由简单的取比例尺来确定空间运动平面的长度,发展到运用DLT进行二维坐标向三维坐标的变换以及定点三维正交变换和跟踪摄影的三维坐标换算;摄像由低速发展到高速,甚至用红外摄像分析。由于测试方法与手段的进步,拓宽了运动学的研究领域,使研究层次逐步深入。有人采用红外光点测试系统和平面摄影对受试者走路姿势和竞走姿势进行测试,对竞走转髋动作的有效性进行了评价,红外光点测试系统实现了运动学指标实验室中的快速反馈。

(2)动力学测试手段主要表现以三维测力平台进行动力学测量分析为主,同时各种等速测试系统对不同人群的测试分析与研究发展迅速,并取得了可喜的成果。足底压力测试系统可测出运动员足底的受力情况,得出运动时足底受力作用的时间特点,力随时间变化的特点,力的分布特点等。

(3)同步研究还是以摄像与测力系统的同步研究为主。现代三维摄像系统,三维测力系统以及摄像、测力同步系统,使得对人体运动的外部力学性状的认识能在三维空间上建立起比较清晰的图像,再加上肌电测量系统的同步,以类似“黑箱”的方式建立肌电与肌力间的关系,并探究人体行为的内部机制与外部性状之间的联系方面,取得了一定的成果。但综合高水平、多方位的同步研究相对较少,其瓶颈是缺乏各种高水平仪器设备的通用接口和准确同步技术的滞后。

(4)实验法:实验研究是人们按照研究的目的,利用科学仪器、设备,人为地控制对象,排除干扰、突出主要因素,在有利的条件下研究自然规律的方法,是更深层次的研究。

(5)理论分析方法:其研究内容涉及方法学内容的介绍、国内外学科发展综述、运动生物力学的教学研究、生物力学原理在不同领域的应用等,研究内容和领域较为广泛和深入。

(6)机械工程、计算机技术的介入将全面提升我国体育科学研究及运动训练的数字化程度,特别在仪器系统研发中发挥了重要作用。

三、研究方法及测量手段的发展趋势

1.运动生物力学研究方法的展望

技术测试研究方法向着适合于各个运动项目需要、能现场及时反馈测试分析结果的仪器设备与方法以及提供详细测试分析报告的仪器设备与方法两条并行的途径发展。三维跟踪摄像的测量方法将推广并得到普及,摄影、摄像精确度逐步提高,影像测量点识别、采集的自动化,测量技术、遥测技术和肌肉动力学测量技术(包括离体或在体肌肉动力学测量过程)在今后将有重要发展,主要趋向遥测无线部分数据发射与数据采集装置的小型化和测量过程及结果分析的快速化。训练、测试方法手段不断创新。

2.测量方法研究

随着测量方法的不断改进,平面影像解析已经发展到普遍采用的三维影像解析,不太方便的高速摄影已经有了更高级的高速摄像所代替,慢速的手工数字化过程也有了光点实时采样系统的快速反馈,简单的测力板被Kistler一类的高精度三维测力台所取代,单功能的测力器已变成了液压驱动,电脑控制的Cybex一类力量诊断与评价系统。高速摄影、摄像测量、动态测力、肌电测试等是目前运动生物力学的主要测试方法,在今后相当长的一个时期内仍是主要测试手段,但由于科技水平的不断发展,测试方法也将不断完善和发展,测试方法在新世纪有望取得显著进展。

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