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运动生物力学学科发展研究报告 目 录 引言 一、方法学研究进展 （一）运动学研究方法 （二）动力学研究方法 （三）人体运动的生物力学模型与动作的计算机模拟 二、运动技术生物力学研究进展 （一）优秀运动员动作技术的分析与监控 （二）运动技术原理和成绩提高规律的研究 三、运动训练的生物力学研究进展 （一）运动生物力学在训练方法中的应用 （二）运动生物力学在训练器械的研制与开发中的应用 四、运动损伤生物力学研究进展 （一）前交叉韧带损伤生物力学研究进展 （二）腘绳肌拉伤的生物力学研究进展 五、健康促进的生物力学研究 六、运动装备生物力学研究进展 七、我国运动生物力学教学情况 八、对我国运动生物力学发展的建议 （一）继续加强运动生物力学在竞技体育中的应用 （二）加强开展提高国民健康水平的研究 （三）加强解决我国经济建设和体育产业实际问题的研究 （四）加强人才培养，促进方法学的研究 引 言 近三年来， 国内外从事运动生物力学的教学科研人员在有关科学研究的方法学、运动技术分析、运动训练监测与评估、运动损伤发生机制探讨及预防、全民健身指导、运动装备评价与改进等领域都取得了一定的进展。本文就以上内容进行较简要综述，分析我国运动生物力学学科在教学、科研等方面的现状和问题。 一、方法学研究进展 （一）运动学研究方法 基于研究目的的不同，目前获得人体在运动过程中运动学参数的方法主要有三维摄像与影像解析、 红外光点运动捕捉与分析和电磁感应式运动捕捉系统（magnetic motion capture） 。在我国，三维摄像及影像解析仍是运动生物力学研究的主要测试手段。 特别是对比赛或训练中运动员进行技术分析与诊断时， 三维摄像机影像解析方法可以在不接触运动员的条件下获得描述其运动的生物力学参数。随着摄像设备的不断升级，高清摄像和高速摄像设备已逐渐广泛应用于人体运动技术的图像采集， 而不断追求影像解析的快速反馈成为提高摄像法分析人体运动的主要突破点。 国内一些学者还对基于影像的三维重构的精度开展了一些探讨研究。例如，李旭鸿等（2011）研究发现水下三维重构所得到的均方根（rms）重构误差都高于空气中的测量，随着标定空间的增大两种测试环境下的 rms 重构误差均随之增大。 为了快速准确获取运动技术数据，一些研究者致力于运动图像自动识别技术的研究，虽然目前还没有得到广泛应用，但已经在部分竞技项目的运动技术分析中进行了有益的尝试。例如，王向东（2008）在对我国优秀女子举重运动员技术的生物力学分析中对杠铃杆端点的运动轨迹进行了自动识别，从而可以对运动员的技术效果进行快速反馈和评价。 209 光点运动捕捉系统在国外的运动生物力学实验室中已被广泛应用， 国内也有越来越多的实验室拥有此类设备并逐步开展了高水平的研究。例如，国家体育科学研究所、北京体育大学、上海体育学院、南京体育学院等的生物力学实验室都曾将光点运动捕捉系统应用于高水平运动员的动作技术采集与分析、运动损伤预防、运动鞋评价、人体基本运动规律等的生物力学研究中。 电磁感应式运动捕捉系统（magnetic motion capture）是通过捕捉在磁场中的、固定在人体肢体上的电磁传感器的位置和旋转来获得人体运动学参数，此系统在国内实验室还不多见，在国外人体运动研究领域的应用也不普遍，主要应用于对人体一些基本动作规律的研究。这一系统主要优点是使用较少的传感器就可以获得人体肢体运动的位置、角度等信息，而缺点是系统容易受环境中其他电磁信号和皮肤运动的影响，数据易受噪音污染，且数据采集频率较低。 伴随科学技术的进步，新技术、新方法被不断地应用在运动生物力学领域，传统的影像分析技术虽然具有非侵入性、对人体运动无干扰、高速等优点，但是它只能记录人体的外在运动。虽然光点运动分析系统可精确记录贴在人体表面光点（marker）的位置，并以此推算关节和骨骼的位置，但推算的骨骼关节位置的精度一直令人质疑。近年来，一些新的影像分析方法，如高速荧光透视技术（fluoroscopic imaging technique）及核磁共振技术结合被应用于分析人体内部骨骼关节的精细三维运动 （boyer等， 2008； defrade 等，2011），包括人体在运动过程中与运动装备的互动，如篮球运动员急停变向运动时足部的骨骼关节在运动鞋内位置的变化（nurse，2010） 。高速荧光透视技术实际上就是高速 x 光成像，其优点是无侵入性、放射量低、可高速拍摄等，在医学研究领域已有广泛应用，其拍摄成像速率一般在30 fps，最高可达300 fps。 三维陀螺仪运动测量技术也可以对人体肢体的运动情况进行测量与分析。 陀螺仪是一种基于角动量守恒的原理设计出来的能够精确确定运动物体方位的仪器。 根据这一特性， 最近几年陀螺仪被应用到了生物力学测量领域，如在人体运动学的测量方面，通过陀螺仪可获取肢体的位置，角度、转动及 210 运动速度等参数（monaghan 等，2009） ；运动模式识别、运动距离、能量消耗估算等（lau等，2008；peyrot 等，2009）更多地被应用到医疗康复领域中，用以评定及分级一些病症（如下垂足，中风）对人体动作、运动姿态造成的影响（lau 等，2008；2009）。 （二）动力学研究方法 在动作技术分析中，动力学的测试已经越来越受到研究者的重视，将运动中的人体运动学和动力学数据结合起来分析可以更好地了解和揭示人体运动的生物力学机制。目前，应用于动力学参数的测量手段主要有三维测力台、分布式足底压力测量系统、等动力量测量系统和各种专用测量设备。随着对人体运动机制研究的深入， 国内越来越多的高校和科研院所配备了以上这些设备，其中测力台的使用最为广泛。 三维测力台系统广泛应用于测量和计算人体完成跳跃、落地、步态等动作过程中所受到的地面反作用力及相关指标，也为逆动力学计算、平衡稳定性评价等研究提供数据。目前，在测力台各指标的应用过程中依然存在压力中心（cop）运动与重心（com）运动的关系还不够明确，测力台软件计算出的“摩擦系数”意义不明确等问题。国外一些实验室根据研究目的装备了测力跑台、测力台阶、可水平移动和翻转的测力台等，这些测力系统的应用可以使研究人员更深入和准确地了解人体运动的动力学特征。 20 多年前，足底压力分布系统在国外开发。我国运动生物力学实验室也相继配备了足底压力分布测试系统，包括平板式和鞋垫式两种系统。国内外研究人员利用足底压力分布系统通过测试运动过程中足部的受力分布特征，研究了与运动有关的不同医学和体育问题，主要包括：疾病（如关节炎、糖尿病）或相应康复手段（如矫形鞋垫、骨科手术）对行走或站立时足底压力分布的影响。不同鞋底材料或地面材料对足底压力分布的影响。不同人群（儿童、肥胖人群、老年人）特定运动过程中足底压力的特征。完成各种体育动作技术（如太极拳、跳远起跳、射箭等）时的足底压力分布特征。 等速力量测试与训练系统可以测量人体一些主要关节的肌肉力量， 包括 211 主要关节的最大静力矩，关节活动范围内的向心、离心等速运动力矩和功、功率等指标。 国内目前主要应用等速力量测试对运动员关节的力量情况进行评价，主要采用向心运动下的最大肌力矩、最大屈伸力矩比等指标。国外研究者除了评价受试者的力量水平外， 还经常用力量测试系统评价关节损伤的危险性。例如，常采用“功能性膝关节屈伸肌力矩比”这一指标评价腘绳肌拉伤危险性，即膝关节离心屈曲最大力矩与向心伸展最大力矩之间的比值（yeung等，2009）。再如，对向心或离心力矩曲线进行分析，了解关节不同角度下力矩特征以及峰值力矩出现的位置， 以全面了解运动员关节力量特点， 也可以评价肌肉力量训练效果或肌肉拉伤后的康复效果 （sole等， 2011），并预测肌肉拉伤危险（skurvydas 等，2011）。 一些传感器的应用帮助生物力学研究者获得准确的描述人体运动的力学数据。确定人体基本运动过程中膝关节的负荷大小的方法以往主要有两种，一种是实体测量，一种是模型推算。随着测量技术的发展，植入式膝关节力学测试系统可以测量胫骨上受到的三维力和力矩的大小。kutzner（2010）等人利用测试设备测量了上下楼梯，单腿或双腿站立等日常动作中胫骨在膝关节的受力状况，报道了三维力和力矩的数据，结果表明下楼梯时受到的合力最大。 （三）人体运动的生物力学模型与动作的计算机模拟 人体运动模型与动作模拟一直是运动生物力学的重要研究方法， 运动生物力学研究者往往通过建立模型对人体运动进行模拟， 探讨人体运动的生物力学规律，寻找提高运动成绩的最佳动作。glazier 和 davids（2009）对近年来进行的人体动力学模型和模拟的研究进行了分析， 认为不一定数学上越复杂的模型就一定能越准确和有效地模拟人体运动，而且在考虑人体器官、运动环境和动作规则等约束条件的基础上， 可能很难得到人体完成特定动作的最佳模式，而个体之间的差异也决定了每个人的动作模式可能有很大不同。 近几年比较流行的人体模型与动作模拟的商业软件主要有 lifemod、anybody、simm、sd/fast 等。这些软件可以根据研究目的较方便地建立不 212 同形式的人体模型，结合动作捕捉测量得到的人体运动数据，进行人体系统的动力学分析和肌肉力计算，同时还可以通过建立外界环境，分析人体运动过程中人体与环境之间的作用力关系。例如，吴成亮和郝卫亚（2011）采用lifemod建立了人体多体系统模型，并对国内外著名运动员跳马技术动作进行了个性化的计算机仿真研究，对比分析不同踏板和撑马动作的特点。钱竞光等（2008）应用 lifemod建立了鞍马全旋动作的多体动力学模型，并试图通过运动学数据和肌电测试结果验证模型的准确性。hamner 等（2010）应用 opensim 模拟人体跑步动作后发现，股四头肌和跖屈肌群是跑步中使身体加速的主要肌群，上肢的摆动对人体重心的加速几乎没有贡献，而主要是与下肢动作相协调。尽管目前商业软件可以建立比较复杂的人体模型，甚至可以模拟人体运动过程中的肌肉收缩情况，有助于人们了解人体运动机制，但我们目前仍然很难通过实验对比这些模型是否真正准确有效的模拟了人体复杂的神经肌肉运动特征。 很多研究都建立了人体的弹簧-阻尼器-质量模型来模拟计算人跑步时受到的地面反作用力。allen（2010）等人建立了13环节的二维力矩驱动的人体多刚体模型，模拟三级跳三跳过程中上肢摆动情况。结果表明，与非对称的单臂摆动相比， 三跳起跳时双臂同时摆动有利于落地时缓冲地面反作用力，增加起跳时身体动能和重心高度，因此可以提高跳跃成绩。liu 和yang等（2009）建立了冠状面内的2环节单自由度的模型，采用动态的动力学优化方法，计算人体失去平衡而侧向滑倒的速度阈值。nigg（2009）的模型则用一个非线性原件来模拟鞋的中底和地面弹性， 以精确计算人所受到的地面反作用力。这一模型又被 ly（2010）等人发展为将鞋的中底和地面的粘弹性模型， 从而获得鞋和地面之间的作用力情况， 为鞋底材料的设计提供参考。 二、运动技术生物力学研究进展 运动员的运动技术检测、分析与优化主要采用两大类手段。一类是定性的分析对比，包括标记分析法和影像的视频与图像处理等。传统的运动生物力学测量分析方法是另一种运动技战术分析手段，包括运动学测量与分析、 213 动力学测量与分析、肌电测量与分析和建模与仿真方法等。可以通过这些方法，对运动员进行个性化技术分析，解决运动员的技术训练问题，提高运动员的运动训练科学化水平。 （一）优秀运动员动作技术的分析与监控 对国家队和各省市运动队的高水平运动员进行技术分析与监测一直是我国运动生物力学研究者的重要任务， 科研工作者的努力工作为提高运动员训练水平和运动成绩提供了有力的科技保障。在竞技体操难度动作的研究方面， 郝卫亚等对“踺子转体180前手翻直体前空翻180”和“踺子转体180前手翻直体前空翻 540（程菲跳）”这两个动作结构相似却难度不同的技术进行运动学数据的对比研究，揭示了两个动作的运动学规律和技术点，以及在细节技术上的差别，为我国运动员从掌握低难度的“踺子转体 180前手翻直体前空翻 180”到掌握高难度的“程菲跳”提供了训练学依据和技术参考。肖丹丹等（2009）应用红外光点运动捕捉分析系统对国家乒乓球队10 名运动员正手快攻和弧圈球技术的上肢动作进行分析，揭示了优秀乒乓球运动员正手快攻、弧圈球技术中上肢执拍手臂和非执拍手臂的肩、肘关节的角度、角速度的运动学特征。杨洁等（2009）运用三维摄像分析的方法对近几届参加奥运会集训的优秀举重运动员的抓举技术进行研究， 通过对不同动作阶段杠铃上升时间比、高度比和做功比这3个敏感指标进行分析，从而揭示优秀运动员抓举技术特征和男女选手在技术上的差异， 为教练员制定针对性训练计划提供了数据。 （二）运动技术原理和成绩提高规律的研究 除了对优秀运动员进行技术分析与监控外， 很多运动生物力学研究者还致力于对运动技术原理和规律的研究， 他们对运动技术和提高成绩的研究已不满足于对高水平运动员动作技术的描述和归纳， 而是应用各种方法更加细致的分析影响运动成绩的原因。 特别是国外研究者在这方面做出的贡献更加突出。以下对近两年在这方面的研究举几个例子。 214 投掷最佳出手角度问题一直并无定论， 因此有研究者不断用各种方法对各个投掷项目的最佳投掷角度进行研究。近年来的观点是，出手速度会随着出手角度的变化而变化， 因而不能在假定出手速度不变的情况下研究最佳出手角度，而是要根据运动员身高、能力及技术特点的因素确定出手速度与出手角度之间的关系。leigh 等（2009）在获取了铁饼运动员多次试投数据的基础上通过回归分析获得每个运动员出手速度和出手角度之间的关系， 以及空气动力学距离和出手角度之间的关系， 应用这些关系和抛物体运动方程可以获得铁饼投掷距离和出手角度之间的关系， 并找到获得最大投掷远度的出手角度。 国内的龚劲涛等 （2011） 应用数值计算方法讨论了运动员推力大小、身高、推力与出手角度关系以及铅球质量对铅球投掷最佳出手角度的影响；结果发现最佳出手角度对身高和铅球质量并不敏感，但推力越大，最佳出手角度越大。 国内外很多运动生物力学研究者依然在不断探索运动员合理的技术以达到最佳训练效果和最好的比赛成绩。kugler 和 janshen（2010）认为短跑加速跑过程中水平推进力的大小主要受身体姿态的影响，而与运动水平无关。 他们对28名男子和13名女子短跑运动员加速跑步技术进行测试分析发现，运动员蹬离地面时刻身体前倾程度越大，所产生的向前推进力就越大，从而产生的水平加速度也就越大。 跑得快的运动员往往采取脚落地位置靠后或增加支撑阶段时间的策略使身体前倾。 所以加速跑时产生最大的蹬地力量并不是产生水平加速度关键，而应该调整身体姿态获得尽量大的水平推进力。 游泳运动员划水时手指是否应该并拢，如果应该分开，那分开多大程度可以达到最佳划水效果呢？minetti 等（2010）应用计算流体力学方法对不同手指分开角度划水时的推进效率进行研究发现，手指之间分开12时，也就是手掌放松状态时划水产生的推进力最大， 因为这个状态可以使手掌产生最大等效对水面积。 棒球投球过程中髋部和躯干的扭转运动影响投球速度， 因此robb(2010)等人认为投手髋关节的柔韧性也可能影响投手高速投球的能力。 经过进一步验证发现，投手非优势侧髋关节被动柔韧性要显著小于优势侧，而两侧柔韧 215 性的差异大小与躯干和骨盆在投球过程中的生物力学指标显著相关， 且非优势腿柔韧性好坏与投球速度之间正相关关系显著。目前只在棒球运动员中发现这一现象， 因此需要进一步的研究确定是否在标枪投掷等上肢鞭打类动作中均有此规律，而且还需要进一步研究柔韧性提高后是否就能提高投掷速度。 在划船运动的生物力学研究中， 运动员大小腿长度之比被认为是影响腰部运动生物力学表现的因素之一（greene，2009） 。研究表明小腿相对较短的运动员在划桨最初阶段的腰部伸展力矩较高， 划桨达到最大功率的时间较早， 下肢和骨盆在划桨过程中的角度和角速度形式与小腿相对较长的运动员相比存在差异，但运动成绩并不受下肢比例影响。这些结果提示不同大小腿比例的运动员在训练中应有针对性的扬长避短， 以获得最高效的技术和最佳成绩。 三、运动训练的生物力学研究进展 运动生物力学可以为运动训练学提供重要的测试手段和研究方法， 以检验训练方法手段的有效性，并可以设计和开发新的训练方法和设备。近几年我国引进了国外很多身体训练的理念和方法，如躯干力量及训练方法、超等长训练（ploymetric） 、悬吊训练、振动训练等。这些训练方法虽然主要从国外引进，但国外也在一直运用各种测试手段，特别是运动生物力学测试来检验这些训练方法在实践中针对某项目或某动作技术的有效性， 以及实际操作过程中需要注意哪些问题。相比国外，我国在训练方法的检验方面的研究尚有待进一步开展。但我国的运动训练专家和运动生物力学专家合作攻关，也研制开发了一些针对某运动项目的辅助训练手段。 （一）运动生物力学在训练方法中的应用 振动训练已被证实在一定条件下可以提高运动员肌肉力量和柔韧性， 但如何确定针对不同项目、不同身体素质的运动员的最佳振动频率、振幅、振动方向和振动时间等因素仍需深入研究。 近年来有不少研究借助运动生物力 216 学测试与分析的方法对振动训练效果进行研究和评价，所得结论不尽相同。例如，有研究认为振动训练后即刻即可增加下肢肌肉力量和柔韧性（jacobs 等，2009），而也有研究发现振动训练对下肢肌肉力量和柔韧性的即时效应并不明显（colson 等，2009；刘卉等，2010） ，振动训练不能减轻由于废用（失重）而造成的肌肉萎缩（zange 等，2009） 。对最佳振动训练参数的研究结果也并无一致。例如,adams（2009）的研究结果是振动训练时间持续30 秒到 5 分钟都可以获得显著的即时训练效果，而高振动频率和高振幅相结合， 低振动频率和低振幅相结合可以达到最好的效果。 而ronnestad （2009）认为无论对运动员还是普通人群，只有50hz高频振动训练才能增加练习者下肢蹬伸功率。李玉章（2011）通过对不同频率的三维振动与单方向振动训练过程中下肢肌肉的激活特性进行研究发现， 三个方向上的组合振动训练可以有更加有效的提高肌肉同步激活和工作的能力。 多数对振动训练效果的研究集中于下肢，而hand等（2009）的研究表明增加振动训练并没有比单纯的抗阻力练习更有效地增加肩袖肌群的力量。 造成这些研究不尽相同的原因应该是每一个研究都不能把对影响训练效果的所有参数进行排列组合来试验，而且训练对象的身体条件等因素也应该被充分考虑。例如,有研究表明穿鞋和赤脚进行振动训练的效果不同（marin 等，2009）。 超等长训练（ploymetric）作为发展运动员肌肉离心收缩力量和肌肉爆发力的方法而被采用。结合下肢肌肉肌电数据，田石榴（2009）进一步对负重超等长训练的神经肌肉适应机制进行了研究， 结果表明负重超等长训练使运动神经元终池兴奋性降低，增加突触前抑制，高尔基腱器的敏感性显著降低，并产生了神经适应。 身体训练方法只有在动作结构和肌肉工作方式上与比赛动作相接近， 才能最大限度地发挥训练的作用，否则可能适得其反。通过运动生物力学方法可以对比训练和比赛动作的差异，从而预测训练方法或设备的有效性。例如stodden（2008）等检测了躯干在四种方法的力量训练过程中的运动幅度和速度，并与棒球投掷动作过程中躯干所表现出来的运动幅度和速度进行对比，认为这些训练方法可以使躯干达到投掷过程中的运动幅度和速度。 217 （二）运动生物力学在训练器械的研制与开发中的应用 设计与改进运动装备、训练器械，使之符合生物力学原理，既可有效地避免运动损伤，又可为提高运动成绩提供条件。此类研究突出了运动生物力学应用研究的重要作用。例如,上海体科所和上海体院联合开发的游泳水槽中技术测试与分析系统，对自由泳、蛙泳技术进行了研究。北京体科所刘颖研制了武术难新动作训练实时测力反馈系统， 此监测设备可以达到技术图像和相关参数双重现场反馈的目的， 使教练员可以直观地通过具体数据了解运动员技术的特点，为武术难新技术动作训练效率的提高起到了积极作用。genc 等（2010）通过检测练习者足底压力情况对为国际空间站设计的力量训练设备进行评价，结果表明，除带振动和稳定装置的功率自行车在最大负荷设置时，其他三种设计的训练设备均不能对练习者施加足够的训练负荷。rhea 等（2008）的研究则表明 vertimax 抗阻跳跃练习器可以有效提高优秀运动员下肢蹬伸功率。张国庆（2009）研制了游泳下肢打腿训练器，并根据游泳比赛时的强度进行下肢力量训练，发现应用符合游泳生物力学原理的下肢打腿训练器训练可以有效提高游泳运动员的专项力量和专项能力。 上海体育学院肖毅等通过现有的力量训练器材上加装位移传感器， 研发了带减速制动装置的智能化超等长重量训练设备， 并研发了相应的训练数据实时采集与监控系统，可以即时评价和储存运动员训练数据（2009a，2009b）。 随着计算机、传感器和数据传输技术的发展，运动训练已开始借助虚拟现实（virtual reality）技术和设备对运动员进行模拟各种场景和环境下的技术训练。体育场景虚拟系统可以根据运动的视觉、触觉、生理心理以及运动项目特征，由计算机产生逼真的虚拟体育场景。由于虚拟体育场景中装有视、听、 触、动觉的传感及反应装置， 因此运动员在虚拟体育场景中可获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，从而达到身临体育场的感受。比如，当使用者身体移动时，动作捕捉系统便可以捕捉到运动员的动作变化，虚拟环境中的图像也实时地跟随变化， 运动员通过头盔显示器可以看到在虚拟体育场景中自己的动作和体育器械随着运动员的动作而移动， 运动员可通过数字手套等力反馈工具感受到外部力的作用。 运动员在逼真的虚拟体育场环境中如身 218 临现实的运动场。例如，英国的hiley（2010）在 28届国际运动生物力学会议上报告了利用模型模拟和虚拟现实技术辅助体操运动员训练。 通过建立体操运动员动作技术的计算机模型以确定针对不同个体的最佳动作技术， 并通过虚拟现实技术使运动员在学习新动作之前就了解了这一动作在空中运动时的视觉感觉，从而缩短动作学习时间，提高动作完成成功率。我国学者陈云峰（2008）借助3d studio max和matlab虚拟现实工具箱建模，通过光电检测方法对枪支三维姿态进行位置跟踪， 为实现射手虚拟现实训练系统进行了准备和可行性验证工作。 四、运动损伤生物力学研究进展 运动损伤的发生、发展和康复都与损伤部位的受力有关，运动生物力学为探究运动损伤的原因和机制、评价康复效果提供了测试手段和研究方法。将生物力学与运动损伤之间的交叉研究形成了一个新领域“运动损伤生物力学”，特指对运动损伤发生发展进行研究的生物力学。国际上应用生物力学方法研究运动损伤已非常普遍和成熟， 而国内近几年也逐步开展了运动生物力学与运动医学相结合的研究。运动损伤生物力学研究结果的应用，极大地改善了临床治疗运动损伤的有效性。随着运动损伤防治要求的进一步提高，对运动损伤生物力学也提出了更高的要求。相信在运动医学和生物力学研究者共同努力和合作下， 运动创伤生物力学将为运动创伤防治做出更大贡献。 早期的运动创伤生物力学更为关注骨组织而忽视了软组织损伤， 20世纪80年代以来，生物力学工作者对软组织的重要性逐渐认识，随着现代实验设备的改进、生物力学测试方法和理论研究的发展，目前的运动创伤生物力学不仅关注骨组织，而且更加关注软骨、韧带、肌腱以及肌肉甚至神经、滑膜等运动系统。对软组织生物力学的研究促进了运动创伤防治的发展 （华英汇，2008）。下面仅以两个研究为例，介绍生物力学在运动损伤机制、危险因素和预防上的应用。 219 （一）前交叉韧带损伤生物力学研究进展 运动生物力学需要解决的问题有：如何来分析明确引起运动损伤的危险因素和解剖结构；如何通过对人体运动的生物力学研究减少运动损伤的发生；如何通过这些研究来对不正确的运动技术进行修正和训练，以减少运动损伤的发生以及在损伤后帮助康复。例如，对膝关节前交叉韧带（anterior cruciate ligament，acl）损伤的研究，可以明确其发生的机理，可以进一步在训练中纠正不正确动作，预防损伤的发生，这正是对acl损伤研究日益引起人们研究兴趣的原因。 虽然近几年对前交叉韧带损伤致因和预防措施的研究已经取得了一定的成果，但一直没有定论，这也引发运动生物力学和运动医学研究者们不断运用各种方法从各个角度进行研究。 2010年sci以及sci扩展收录的杂志发表了大约一千一百篇有关前交叉韧带损伤的论文， 其中包括二十八篇与前交叉韧带损伤预防有关的原始研究和综述。在这二十八篇文章中，大数为重复性研究，例如thomas 等人重复了chappell等人(2002)关于疲劳对下肢运动形式的影响。thomas等人(2010)使用13名男性和12名女性运动员作为研究对象，在疲劳前后测试了单腿跳，并记录下运动过程中的运动学和动力学数据。结果表明，疲劳使运动员在单腿跳落地时减小了膝关节屈角，并增加了地面反作用力。这项研究结果还表明性别不改变疲劳对下肢运动形式的影响。 这些结果意味着疲劳增加了前交叉韧带损伤的危险性。这些结果与chappell等人（2002）所得结果完全一致。podraza和white(2010)研究了落地动作时膝关节角度对地面反作用力度影响。这项研究发现增加落地时的屈膝角度有助于减小落地后的地面反作用力，因而有助于减小前交叉韧带的负荷。这一结果与yu等人(2006)的研究结果一致。cheng等人（2009）运用生物力学随机模型方法对前交叉韧带损伤的危险性进行了模拟。模拟结果与运用病因学方法获得的结果相似。通过模拟所获得的危险因素与实际临床观察结果相吻合。 dowling等人（2010）对运动鞋与地面之间的摩擦力对侧切动作中下肢运动形式的影响进行了研究。 这项研究使用了11名男性和11名女性运动员为实验对象。每个实验对象在两种不同摩擦性能的运动场地上做侧切动作。研 220 究结果表明增加运动鞋与地面的摩擦系数引起运动员运动控制的改变， 导致下肢屈角减小，伸膝力矩增加，以及膝外翻力矩增加。这些运动形式的变化趋向于增加前交叉韧带损伤的危险性。 taylor等（2010）人基于mr、双平面荧光透视技术的测试数据建立了膝关节结构和acl形态模型， 并获得了前交叉韧带在起跳落地过程中的应变大小。 结果表明， acl最大应变为127% （相对仰卧膝关节放松时acl长度），出现在着地前5514ms。这一研究方法可以准确获取运动时acl长度，因此可以更深入了解和研究前交叉韧带损伤的机制。 （二）月国 绳肌拉伤的生物力学研究进展 腘绳肌拉伤也是运动中高发损伤之一， 常见于需要运动员高速奔跑的运动项目。国内外对造成腘绳肌拉伤的原因进行了大量的研究，但并没有得出非常一致的结论。例如，有的研究认为如果短跑运动员赛季前膝关节屈/伸肌力量比低于0.6，在接下来的赛季中腘绳肌拉伤的危险性将增加17 倍（yeung，2009）。但是，bennell等（1998）对澳大利亚橄榄球运动员的研究发现， 单侧腘绳肌拉伤的运动员受伤腿和未伤腿的任何等动测试指标均无显著性差异（n = 9），受伤运动员受伤腿和未伤腿的任何等动测试指标与未伤者相应肢体也无差异，两侧腘绳肌力量差异大于10%和腘绳肌与股四头肌力量比低于0.6，均与腘绳肌损伤风险的增加无显著相关。我国科研工作者近年也对腘绳肌损伤机理进行了积极的探讨（金磊，2008；魏书涛，2009；钟运健，2010）。他们利用红外高速摄影系统与三维测力台同步记录受试者在短跑最大速度阶段的运动学与动力学地面反作用力资料， 根据逆动力学理论建立下肢多环节互动动力学模型，对短跑一个步幅的各种力矩进行量化分析。结果发现，这些双关节肌在快速跑时受两个关节复杂的交互作用导致应力值偏高，可能是其容易被拉伤的重要原因。腘绳肌应力在着地初期和摆动末期处于较高水平，峰值出现在摆动末期。因此跑步支撑触地初期是腘绳肌损伤发生一个高危期，而腘绳肌承受的巨大负荷是造成其损伤的潜在危险因素。 221 五、健康促进的生物力学研究 随着人民生活水平的提高，人们越来越希望通过合理有效的健身活动增进身心健康、预防疾病并提高生活质量。运用运动生物力学的方法和理论对各种健身运动进行研究可以揭示这些健身动作的生物力学特征和对人体运动器官的力学作用，从而指导健身者科学选择健身方式，有效增进健康并避免运动损伤。 运动生物力学在全民健身这一研究领域中发挥着越来越重要的作用。下面以运动生物力学对老年人运动问题的研究为例。 随着医学的进步和人类寿命的增长，各国人口老龄化问题日趋严重，老人的健康问题越来越受到重视，对老人健康的研究也吸引着越来越多研究人员的兴趣。目前很多研究者借助生物力学的测试手段和研究方法对老年人运动相关问题进行研究。 例如，关于老年人跌倒的成因、 机制与预防干预问题。在大多数国家，对这些问题的研究得到政府的大力资助，如美国国家健康研究基金已投入大量资金鼓励学者对太极拳进行研究。 很多研究已经证明太极拳练习可以维持或增加老年人平衡稳定能力，是预防老年人跌倒的有效干预手段。例如，li等（2009）检验了16周太极拳练习前后下肢主要肌群力量和收缩反应时间变化， 研究发现练习太极拳后可显著增加练习者屈膝肌向心收缩力量，并显著缩短半腱肌收缩反应时间，但没有发现对其他肌群的影响。 目前，应用生物力学方法对太极拳的作用进行研究比较热门，但多是训练前后对比或与不同训练方法的对比。 虽然一些研究从理论和对实验结果的分析中认为太极拳对老年人平衡稳定能力的改善是通过增加肌肉力量和改善神经肌肉调节的灵敏性（刘崇等，2010），但却很难解释太极拳产生独特作用的机理，即太极拳与其他身体锻炼形式之间的本质区别是什么。例如，健身走锻炼也可以增加老年人下肢肌肉力量（俞捷等，2008）。因此，还需进一步与太极拳师和生理、心理等其他学科的研究者合作，对练习太极拳提高老年人健康的机制问题进行研究。 对老年人的日常行动，如步行、上下楼、起坐和跨越障碍等进行运动生物力学分析可以了解人类基本运动随衰老的变化特征， 为延缓运动器官衰老 222 与预防老年人跌倒问题等提供依据。例如，monaco等（2009）的研究结果表明年轻人和老年人在步行时关节角度指标上存在差异， 特别是在快速行走时，老年人表现为减少髋关节伸的程度，增加向前的骨盆的倾斜度，和减少踝关节的跖屈和产生的功率。michel-pellegrino（2008）对老年人步行过程中的足底压力分布进行测试发现，老年人在自选速度下行走，其前后方向的力并且重心转移时垂直方向的力要显著小于中年人群， 力的变化和踝关节着地角度密切相关。suri等（2009）调查了70名70岁以上的健康老年人躯干屈伸力量、躯干肌肉耐力以及下肢肌肉力量，发现躯干的力量和耐力是一个能够很好地衡量老年人平衡能力判断跌倒的指标， 平衡能力差者的躯干的力量和耐力水平也相对较低。而程磊等（2010）则发现近一年至少有两次跌倒史的老年人足底压力一些指标与其他老年人有一定区别，如足底压力峰值小，左右足底压力峰值差异较大，压力中心左右移动范围加大等。 运动生物力学还可以检验各种健身方式是否确实有延缓人类运动系统衰老的作用。zampeli等（2010）的研究结果不建议膝关节前交叉韧带缺损的患者采用倒走的健身方式，因为会进一步增加膝关节损伤的危险。hao和chen（2011）研究发现，7-8岁男生在经过8周（每周2次，每次25 min）的倒走训练后，动态平衡能力显著提高。在国外水中运动由于可以大大减少地面冲击力并增加运动阻力而成为老年人健身的常用手段， 但对水中运动时人体关节内部受力的情况并不了解。orselli和duarte（2010）应用水下录像和测力台测量了水中步行的有关参数， 并用逆动力学法计算了在水中行走的步态，以及下肢关节力和力矩。结果发现与陆地行走相比，步速明显减慢但各关节运动幅度没有变化，踝关节力矩下降最大，其次是膝关节，而髋关节力矩下降并不明显。关节间压力和剪切力是陆地行走的1/3。这一研究为关节炎患者水中健身提供了数据依据。 六、运动装备生物力学研究进展 对运动装备和运动场地的研究日益引起重视， 这其中运动鞋的研究备受关注。这些研究的目的主要是提高运动成绩，减少运动损伤。运动生物力学 223 为运动装备的研究提供了测试和评价方法。 运动鞋的生物力学研究已成为近几年的一个研究热点，主要集中在针对不同运动项目实施的个性化设计、如何更加合理的选择材料上，以防止运动损伤和提高运动成绩。运动鞋科技的进步都离不开生物力学研究，运动鞋设计中核心技术的创新都必须遵循人体运动的生物力学原理。 足的结构与力学功能问题，足与地、足与鞋、鞋与地之间相互作用的力学问题，制鞋材料、鞋体结构与运动功能问题，一直是运动鞋生物力学研究的主题。李建设等（2009） 对国内外多个运动鞋品牌核心技术的生物力学研究进行了比较全面和深入的综述，认为国内专注运动鞋生物力学研究的专业人才比较匮乏，导致运动鞋研究尚有待深入和完善。 对成品鞋的性能进行检验和评价是我国在运动鞋的生物力学研究领域的主要工作。例如宋雅伟（2009）对穿不同硬度底的鞋行走过程中的足底压力分布、下肢主要肌肉的肌电信号、耗氧量，以及60分钟行走前后的足弓高度进行测量，发现软底鞋缓冲地面反作用力效果最好，但长时间行走容易引起人下肢肌肉疲劳和足弓塌陷，而穿硬底鞋足底受冲击力最大，但足弓不易塌陷，且走路时耗能较少。傅维杰（2010）等应用测力台和三维运动学测试系统对受试者穿篮球鞋从三种不同高度跳深和被动落地过程的下肢动力学和运动学指标进行测试与分析， 以研究篮球鞋对冲击力信号。 研究结果表明，篮球鞋没有显著改变主动落地时地面冲击力的各项特征， 但显著影响了被动落地时地面冲击力特征。而程鹏（2010）和候建甫（2011）分别对穿高、低帮篮球鞋对下肢关节运动的影响进行了研究，研究结果虽不完全一致，但均发现穿高帮鞋确实可以在一定程度上限制踝关节的运动。魏勇（2009）研究了运动鞋对羽毛球典型步法的下肢生物力学指标的影响， 测试表明羽毛球鞋可以有效控制足后部的外翻运动，进而降低因过度外翻而造成的肌腱、肌肉和韧带的过度负荷， 但所测试的羽毛球鞋并没有有效控制跨蹬步过程中足的外翻。对羽毛球运动而言，跖趾关节在足部功能具有一定的重要性，不能忽视运动鞋等对该关节运动的影响。 虽然从感觉上我们认为人赤足跑步时， 足底各部位压强比穿慢跑鞋时增大，着地时冲击力峰值提前，增加了损伤的可能（李晓东，2008）。但2010 224 年发表在nature杂志上的一篇文章让我们对赤足跑步有了新的认识（lieberman, 2010）。该项研究应用生物力学的方法从人类进化发展的角度研究鞋对人类跑步造成的足踝损伤的影响。lieberman（2010）等在对从不穿鞋的人和从小穿鞋的人跑步时足部运动特征和地面反作用力特征进行研究，发现多数从不穿鞋的人在跑步时前脚先落地，而从小穿鞋的人即便在赤脚时也倾向于后脚落地。而前脚落地增加了踝关节在落地后的运动幅度，从而使那些从未穿过鞋的人在跑步时获得了较小的地面冲击力。因此，当人不穿鞋而采用前脚掌或全脚落地的策略进行跑步时， 可以减少由于地面冲击力所造成的足踝或下肢损伤。 几年前，有些运动鞋品牌就推出了赤足鞋（barefoot shoes） ，有的是从形状上模仿脚， 有的是通过设计使人在跑步时足部的感觉和运动学特征与赤足跑步近似。从事运动鞋与足踝损伤研究的著名专家nigg（2009）通过研究与分析认为，赤足跑步确实有一定的好处。例如，增加踝关节周围的肌肉力量，增加跑步时的能力利用效率，而且也没有证据表明赤足跑步比穿鞋跑步可能造成更多或更少的损伤。nigg还认为，虽然近年来运动鞋厂家致力于设计和生产有助于预防跑步时损伤的跑步鞋， 但这并没有使跑步者足踝损伤率下降，目前并没有可靠的证据证明跑步时的地面冲击力大小以及足的过度内旋是造成足踝损伤的重要因素，也没有证据表明矫形鞋垫可以减少损伤，还不能确定采用前脚落地姿势跑步或者赤足跑步可以减少损伤的发生。 七、我国运动生物力学教学情况 国外发达国家的高等学校体育专业均把运动生物力学作为最重要和最基本的必修课之一，认为体育专业学生不懂运动生物力学是不可想象的。在我国，运动训练专业和运动人体科学专业的课程设置也均把运动生物力学设为必修课。但是作为学生人数众多的体育院系的体育教育和社会体育专业，却把运动生物力学只设为限定选修课，造成很多学生由于担心内容难学而不选这门课。但是我们认为，作为任何层次的体育教师和教练员，以及社会体育指导员，没有运动生物力学基本理论的知识结构是不完整的，是有 225 缺陷的，甚至是不利于其工作的发展的。 运动生物力学作为体育院校各专业的重要教学课程，其教学内容、课程体系、教材建设、实验大纲和内容、教学研究等内容都关系到学科发展的重要问题， 近三年的全国运动生物力学学术会议主题报告均探讨了教材与教学问题，说明已引起专家学者的高度重视。王小虹（2009）中指出，应强调突出运动生物力学课程在体育院校本科中的基础性及其和体育运动关系的直接性，这种基础性和直接性决定了运动生物力学课程决不是可有可无的，而是必不可少的。 随着社会的发展，科技水平不断提高， 科学知识渗透到社会的方方面面，也给我们体育教育与科研工作带来巨大的变化。在许多发达国家里，体育院系已经把以运动生物力学、运动医学、运动生理等为代表的自然科学作为核心课程。其主要目的是让学生掌握人体运动的科学规律和研究方法，在训练和竞赛中能够自觉地应用这些知识，提高运动水平。但是，由于种种原因，中国学生的薄弱环节正是应用部分，不少学生理论知识掌握得不错，但一接触实际工作却常常束手无策。因此，如何解决理论与实际相结合的问题，是学科教学中面临的一个艰巨任务。运动生物力学作为一门应用性很强的学科，其课程体系就是为了培养学生提出问题、研究问题和解决问题的意识和能力。同时，运动生物力学作为一门交叉学科，它涵盖着数学、力学和生物学等基础学科的部分内容。它将学生在校学习的数学、力学和生物学等基础学科