我國運動生物力學(xué)研究方法、測量手段的現(xiàn)狀及其展望

廣東工業(yè)大學(xué)體育部 陳澤全

我國運動生物力學(xué)研究方法、測量手段的現(xiàn)狀及其展望

廣東工業(yè)大學(xué)體育部 陳澤全

隨著科技的發(fā)展,運動生物力學(xué)這門比較年輕的學(xué)科,正在伴隨著它的進步而不斷發(fā)展。運動生物力學(xué)不僅僅在競技體育領(lǐng)域中發(fā)揮了重要的作用,推動了體育的不斷前進,在日常生活中,運動生物力學(xué)同樣起著積極的作用。運動生物力學(xué)研究方法及測量手段是這門學(xué)科中很重要的一個內(nèi)容,科技的進步同樣促進了研究方法與手段的更新與發(fā)展。

運動生物力學(xué)研究方法測量手段

運動生物力學(xué)是一門理論性和實踐性都很強的科學(xué)。它是解剖學(xué)、生理學(xué)、力學(xué)的理論與體育運動實踐相互交叉、融合后產(chǎn)生的一門新的綜合性學(xué)科。在我國的發(fā)展只有四五十年的歷史。直到70年代后期,隨著體育科學(xué)的全面進步和高科技的滲入,運動生物力學(xué)才真正活躍起來,并迅即發(fā)展成為體育科學(xué)體系中最體現(xiàn)現(xiàn)代高科技水平的學(xué)科之一。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展,運動生物力學(xué)一方面可以利用比較先進的儀器設(shè)備和科研方法為教練及運動員服務(wù),幫助他們?nèi)〉脙?yōu)異成績;另一方面還可在全社會進行推廣,為全民健身服務(wù)。

研究方法的研究作為學(xué)科研究的重要內(nèi)容,對推進學(xué)科的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用,對運動生物力學(xué)這樣一門理論與實踐交叉緊密的學(xué)科,就更是如此。

一、運動生物力學(xué)及研究方法概述

運動生物力學(xué)是運生物力學(xué)的一門學(xué)科分支,從屬于生物物理學(xué)。它的力學(xué)基礎(chǔ)是經(jīng)典力學(xué)和材料力學(xué),其生物學(xué)基礎(chǔ)是人體運動器系的機能解剖學(xué)和神經(jīng)控制論。運動生物力學(xué)的研究內(nèi)容主要是體育運動中的人體運動問題,在各種條件下運動的力學(xué)原因、生物學(xué)原因及運動行為的力學(xué)特征。一個完整的運動行為包括一系列動作及由這些動作相互聯(lián)結(jié)、相互制約所構(gòu)成的有機聯(lián)系的動作系。這些聯(lián)系包括運動形態(tài)的結(jié)構(gòu)聯(lián)系,動作目的的機能聯(lián)系,服從于意識的隨意聯(lián)系和非隨意的本能聯(lián)系。所有這些聯(lián)系把運動過程中的各個動作組合成功能協(xié)調(diào)的動作系直至完整的運動行為。因此,運動生物力學(xué)的第一任務(wù)就是研究人體動作結(jié)構(gòu)與運動功能之間的相互關(guān)系。運動生物力學(xué)的第二任務(wù)便是研究運動技術(shù)的優(yōu)化問題,即:運動動作系的優(yōu)選問題。這包括兩個相互銜接的部分,建立優(yōu)化的動作結(jié)構(gòu)方案和制訂實現(xiàn)這種動作結(jié)構(gòu)的優(yōu)化技術(shù)方案。這除了選擇并設(shè)計訓(xùn)練手段和內(nèi)容外,還應(yīng)研究并制作用以發(fā)展運動功能的輔助訓(xùn)練實施和練習(xí)器。主要任務(wù)是運用力學(xué)方法使復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)學(xué)化的技術(shù),對人體運動行為進行客觀而量化的描述、解釋和評價,進而為運動技術(shù)的合理性選擇和設(shè)計優(yōu)化方案。

運動生物力學(xué)的研究方法基本沿用理論物理學(xué)和實驗物理學(xué)的研究方法,研究對象主要是比較復(fù)雜的活體運動,這種運動是不遵守或不完全遵守牛頓運動力學(xué)的規(guī)律,這些活體系統(tǒng)是多變系統(tǒng),具有多輸入-多輸出的特性,每個輸入、每個輸出都會對其產(chǎn)生影響;活體系統(tǒng)的參數(shù)大多是時變的,具有“漲落性”和“不可重復(fù)性”,并且這系統(tǒng)是多層次多級控制系統(tǒng),運動生物力學(xué)的研究也是非常困難。

伯恩斯坦(NicholaSBemstein)主張用神經(jīng)控制論的理論研究人體運動,創(chuàng)立了關(guān)于人體動作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析方法。阿瑪爾和艾夫特曼(Elftman)主張從人與環(huán)境間的相互關(guān)系研究運動效率,建立了人體能量學(xué)研究方法。此外,還有以無限小、連續(xù)性、決定型的分析為主的牛頓分析數(shù)學(xué)方法和對時間或空間大樣本觀測值進行分析的數(shù)理統(tǒng)計法。建立在多剛體系力學(xué)理論框架下的人體騰空運動描述方法和對復(fù)雜運動過程采用的層次因素分析方法等等。

現(xiàn)代控制論的奠基人維納曾提出“黑箱”的概念,用以研究系統(tǒng)內(nèi)元件及其作用機理未知,但其輸入-輸出關(guān)系可被測量或確定的系統(tǒng)。這種被稱為“走出系統(tǒng)”的研究方法特別適合對活體系統(tǒng)的生物力學(xué)研究。比如在特定的實驗中,可采用控制條件,對活體系統(tǒng)進行孤立或分離的辦法,設(shè)法使多個輸入中只有一個輸入為變量,盡量使其它輸入保持不變。在多個輸出中只測定一個特定的輸出,對其它輸出則設(shè)法予以抑制,同時盡可能切斷反饋回路,人為地使一個多變量多回路閉環(huán)系統(tǒng)暫時變?yōu)閱巫兞块_環(huán)系統(tǒng)。為了避免非線性的困難,可以采用“小訊號”技術(shù),使系統(tǒng)變量在線性范圍內(nèi)變化。為了避免系統(tǒng)的時變性,可以提高實驗操作速度、縮短測量過程。在這樣控制條件下的研究之后,再用同樣控制條件的方法對該系統(tǒng)的其它輸入-出進行研究。最后,對這些關(guān)系進行分析綜合,便可能對活體系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和作用機理達成某種程度的認識,并基于這種認識建立一定條件下的結(jié)構(gòu)模型和數(shù)學(xué)模型。

二、運動生物力學(xué)的測量技術(shù)

德國著名學(xué)者鮑曼認為:“運動生物力學(xué)研究以力學(xué)參數(shù)測量為基礎(chǔ),這些參數(shù)應(yīng)能表征人體運動狀態(tài)和特征?！备鶕?jù)測量參數(shù)的自然屬性可將運動生物力學(xué)測量技術(shù)分為:運動學(xué)參數(shù)測量技術(shù),如測量時間、位移及導(dǎo)出的運動學(xué)參數(shù);動力學(xué)參數(shù)測量技術(shù),如測量時間、質(zhì)量、力及導(dǎo)出的動力學(xué)參數(shù);生物學(xué)測量技術(shù),如人體形態(tài)學(xué)測量方法、人體重心測量方法、肌電測量方法等。

進入2000年以來,我國共舉辦了3屆全國運動生物力學(xué)會議和一屆世界運動生物力學(xué)會議,這極大的促進了我國運動生物力學(xué)的發(fā)展。查閱相關(guān)的文獻,通過對近三屆全國運動生物力學(xué)會議報告論文中研究方法與測試手段進行比較(如表1),我們可以發(fā)現(xiàn)隨著我國科技的進步,生物力學(xué)測量方法與手段有了長足的進步:

表1 近三屆全國運動生物力學(xué)會議論文研究方法與手段統(tǒng)計表

(1)運動學(xué)測試手段由過去的以高速攝影分析為主,發(fā)展到以攝像分析為主;攝像分析由平面到立體、由一維發(fā)展到三維,并以三維為主。高速攝像機的出現(xiàn)使得研究精度有了明顯的提高,影像解析理論也由簡單的取比例尺來確定空間運動平面的長度,發(fā)展到運用DLT進行二維坐標向三維坐標的變換以及定點三維正交變換和跟蹤攝影的三維坐標換算;攝像由低速發(fā)展到高速,甚至用紅外攝像分析。由于測試方法與手段的進步,拓寬了運動學(xué)的研究領(lǐng)域,使研究層次逐步深入。有人采用紅外光點測試系統(tǒng)和平面攝影對受試者走路姿勢和競走姿勢進行測試,對競走轉(zhuǎn)髖動作的有效性進行了評價,紅外光點測試系統(tǒng)實現(xiàn)了運動學(xué)指標實驗室中的快速反饋。

(2)動力學(xué)測試手段主要表現(xiàn)以三維測力平臺進行動力學(xué)測量分析為主,同時各種等速測試系統(tǒng)對不同人群的測試分析與研究發(fā)展迅速,并取得了可喜的成果。足底壓力測試系統(tǒng)可測出運動員足底的受力情況,得出運動時足底受力作用的時間特點,力隨時間變化的特點,力的分布特點等。

(3)同步研究還是以攝像與測力系統(tǒng)的同步研究為主。現(xiàn)代三維攝像系統(tǒng),三維測力系統(tǒng)以及攝像、測力同步系統(tǒng),使得對人體運動的外部力學(xué)性狀的認識能在三維空間上建立起比較清晰的圖像,再加上肌電測量系統(tǒng)的同步,以類似“黑箱”的方式建立肌電與肌力間的關(guān)系,并探究人體行為的內(nèi)部機制與外部性狀之間的聯(lián)系方面,取得了一定的成果。但綜合高水平、多方位的同步研究相對較少,其瓶頸是缺乏各種高水平儀器設(shè)備的通用接口和準確同步技術(shù)的滯后。

(4)實驗法:實驗研究是人們按照研究的目的,利用科學(xué)儀器、設(shè)備,人為地控制對象,排除干擾、突出主要因素,在有利的條件下研究自然規(guī)律的方法,是更深層次的研究。

(5)理論分析方法:其研究內(nèi)容涉及方法學(xué)內(nèi)容的介紹、國內(nèi)外學(xué)科發(fā)展綜述、運動生物力學(xué)的教學(xué)研究、生物力學(xué)原理在不同領(lǐng)域的應(yīng)用等,研究內(nèi)容和領(lǐng)域較為廣泛和深入。

(6)機械工程、計算機技術(shù)的介入將全面提升我國體育科學(xué)研究及運動訓(xùn)練的數(shù)字化程度,特別在儀器系統(tǒng)研發(fā)中發(fā)揮了重要作用。

三、研究方法及測量手段的發(fā)展趨勢

1.運動生物力學(xué)研究方法的展望

技術(shù)測試研究方法向著適合于各個運動項目需要、能現(xiàn)場及時反饋測試分析結(jié)果的儀器設(shè)備與方法以及提供詳細測試分析報告的儀器設(shè)備與方法兩條并行的途徑發(fā)展。三維跟蹤攝像的測量方法將推廣并得到普及,攝影、攝像精確度逐步提高,影像測量點識別、采集的自動化,測量技術(shù)、遙測技術(shù)和肌肉動力學(xué)測量技術(shù)(包括離體或在體肌肉動力學(xué)測量過程)在今后將有重要發(fā)展,主要趨向遙測無線部分數(shù)據(jù)發(fā)射與數(shù)據(jù)采集裝置的小型化和測量過程及結(jié)果分析的快速化。訓(xùn)練、測試方法手段不斷創(chuàng)新。

2.測量方法研究

隨著測量方法的不斷改進,平面影像解析已經(jīng)發(fā)展到普遍采用的三維影像解析,不太方便的高速攝影已經(jīng)有了更高級的高速攝像所代替,慢速的手工數(shù)字化過程也有了光點實時采樣系統(tǒng)的快速反饋,簡單的測力板被Kistler一類的高精度三維測力臺所取代,單功能的測力器已變成了液壓驅(qū)動,電腦控制的Cybex一類力量診斷與評價系統(tǒng)。高速攝影、攝像測量、動態(tài)測力、肌電測試等是目前運動生物力學(xué)的主要測試方法,在今后相當長的一個時期內(nèi)仍是主要測試手段,但由于科技水平的不斷發(fā)展,測試方法也將不斷完善和發(fā)展,測試方法在新世紀有望取得顯著進展。

[1]周思紅等.運動生物力學(xué)研究的回顧與21世紀展望[J].山西師大體育學(xué)院學(xué)報,2000(1):73-77

[2]霍洪峰等.中國運動生物力學(xué)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國體育科技,2009,45(3):84-86

[3]王向東等.運動生物力學(xué)方法學(xué)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國體育科技,2003,39(2):15-16

[4]劉海濱等.從三維體育觀看運動生物力學(xué)研究[J].吉林體育學(xué)院學(xué)報,2004,20(2):74-75

[5]閆紅光等.運動生物力學(xué)研究方法評述[J].沈陽體育學(xué)院學(xué)報,2007,26(2):71-73

[6]陸阿明.國際運動生物力學(xué)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].南京體育學(xué)院學(xué)報,1996,10(2):4-7

[7]李建設(shè).略論運動生物力學(xué)的研究方法與測量技術(shù)[J].體育科學(xué),1999,19(2):84-86

[8]洪友廉.國際運動生物力學(xué)研究發(fā)展的現(xiàn)狀和前景[J].體育科研,2009,30(2)

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