擺臂方式對(duì)走路協(xié)調(diào)性及能量消耗的影響

李春蕾，周永平

（浙江大學(xué) 教育學(xué)院體育系，浙江 杭州 310028）

通常情況下，人體以5km／hr的速度行走就可以達(dá)到中等強(qiáng)度的鍛煉標(biāo)準(zhǔn)［1］。每天累計(jì)30min中等強(qiáng)度身體活動(dòng)就足以為自身健康提供足夠保障［2］。在日常生活中，經(jīng)?？梢钥匆?jiàn)各個(gè)年齡層的鍛煉者采用走路的形式進(jìn)行鍛煉。人體的正常行走會(huì)受到速度、擺臂、步頻、步幅、身高等諸多因素的影響。而這些因素在神經(jīng)系統(tǒng)調(diào)控下彼此聯(lián)系又相互制約，從而共同完成行走過(guò)程中的各項(xiàng)指令。本文著重從手臂擺動(dòng)角度切入，探討手臂擺動(dòng)在人行走過(guò)程中的功能，限制、增加手臂擺動(dòng)幅度及加載重量擺動(dòng)對(duì)人行走模式和能量消耗的影響。

1 手臂擺動(dòng)的功能

早先學(xué)者的研究集中在手臂擺動(dòng)這一現(xiàn)象的解釋。Elftman［3］使用 Weber［4］等人的研究結(jié)果，通過(guò)計(jì)算得出結(jié)論“手臂在正常行走過(guò)程中并不是像鐘擺一樣附屬在軀干兩邊，而是由肩部肌肉運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)的結(jié)果?！彪S著后來(lái)表面肌電技術(shù)的引入，越來(lái)越多的學(xué)者［5，6］通過(guò)肩部肌信號(hào)證實(shí)Elftman結(jié)論的正確性。

在手臂擺動(dòng)功能的研究中。Elftman［3］認(rèn)為在行走過(guò)程中，手臂擺動(dòng)還起到抵消身體沿中軸扭轉(zhuǎn)力的作用，從而利于穩(wěn)定走路協(xié)調(diào)性。Murry［7］發(fā)現(xiàn)手臂擺動(dòng)的幅度會(huì)隨著速度的增加而增加，并推測(cè)手臂擺動(dòng)幅度變化可以調(diào)整行走過(guò)程中的人體的重心偏移從而增加行走的效率。同樣，Jackson［8］等人也指出擺臂的結(jié)果是使行走時(shí)能量節(jié)省化。

幾乎所有早期的學(xué)者都認(rèn)為手臂擺動(dòng)在人體行走過(guò)程中姿勢(shì)控制、提高行走效率中起到積極作用。不僅如此，人體在最適宜速度、自然狀態(tài)擺臂條件下行走所消耗的能量值最低［8］。但如果人為改變手臂擺動(dòng)方式，將會(huì)對(duì)人體行走過(guò)程中的各種參數(shù)及能量消耗產(chǎn)生一定影響，從而影響行走的效率。

2 限制手臂擺動(dòng)對(duì)行走模式及能量消耗的影響

2.1 限制手臂擺動(dòng)對(duì)行走模式的影響

走路過(guò)程中，支配上下肢肌肉的神經(jīng)活動(dòng)是在彼此任務(wù)獨(dú)立但又靈活聯(lián)系下完成行走的［9-11］。如果人為改變?nèi)梭w自然擺臂姿勢(shì)是否會(huì)改變?nèi)藗冋Ｐ凶吣Ｊ侥?？Delwaide［12］發(fā)現(xiàn)當(dāng)上肢擺動(dòng)位置發(fā)生變化時(shí)，下肢神經(jīng)反射活動(dòng)也會(huì)發(fā)生適應(yīng)性的改變。雖然他的實(shí)驗(yàn)結(jié)論是在靜態(tài)下而非實(shí)際的行走狀態(tài)下得到，卻表明這種上下肢交互影響在人體身上的可能。此外，Dietz［9］等人的研究也發(fā)現(xiàn)，作為人類(lèi)行走中的一個(gè)附屬功能，上肢的擺動(dòng)頻率、幅度的變化都會(huì)明顯影響下肢肌肉的肌電反應(yīng)。同時(shí)，越來(lái)愈多的研究發(fā)現(xiàn)，限制手臂擺動(dòng)會(huì)導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)彎曲度下降、踝關(guān)節(jié)背屈增加［13］、步行速度、步幅降低以及步頻增加［14］。進(jìn)一步證明了行走中上肢擺動(dòng)對(duì)下肢活動(dòng)的顯著影響。

2.2 限制手臂擺動(dòng)對(duì)能量消耗的影響

在研究限制手臂擺動(dòng)對(duì)行走過(guò)程中的能量消耗時(shí)，不同學(xué)者的實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異較大。Chapman［15］和 Hanada［16］等人就通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):正常擺臂與限制擺臂行走的耗氧量并沒(méi)有顯著差別。但值得注意的是，Chapman的實(shí)驗(yàn)所采用的測(cè)試速度范圍較小，而Hanada的實(shí)驗(yàn)只是限制被試者一只手臂擺動(dòng)。

隨后，在嚴(yán)格限制兩只手臂同時(shí)擺動(dòng)的條件下。Ortega［17］和 Umberger［18］通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，人為限制手臂擺動(dòng)后行走時(shí)能量消耗增加不到10%。Steven［19］等人也通過(guò)讓被試者被動(dòng)限制擺臂、主動(dòng)限制擺臂與正常擺臂行走比較發(fā)現(xiàn)，兩種行走方式能量消耗顯著大于正常擺臂，分別比正常擺臂能量消耗多7%、12%。隨后，Ziva［20］等人也發(fā)現(xiàn)限制手臂擺動(dòng)后行走耗氧量增加8%～34%，同時(shí)隨著步行速度的增加，步頻逐漸增大，步幅逐漸減小。

通過(guò)進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析研究步頻、步幅、速度、手臂擺動(dòng)四因素之間交互影響對(duì)能量消耗的關(guān)系時(shí)，Ziva［20］發(fā)現(xiàn):①速度變化是影響行走過(guò)程中耗氧量的主要因素；②速度與限制手臂擺動(dòng)兩因素會(huì)對(duì)能量消耗產(chǎn)生更大影響；③在速度和限制手臂兩因素同時(shí)存在條件下，步頻因素的作用更多是走路步調(diào)的“調(diào)節(jié)器”，而對(duì)能量消耗沒(méi)有顯著影響，但人體在最適宜頻率時(shí)行走時(shí)所消耗的能量最低；④限制手臂擺動(dòng)作為單一因素，對(duì)能量消耗影響不大；⑤同樣，步幅作為單一因素時(shí)，對(duì)能量消耗也不能產(chǎn)生較大影響，在速度與限制手臂兩因素同時(shí)存在的情況下，步幅的改變才會(huì)對(duì)能量消耗產(chǎn)生顯著影響。從上述結(jié)論中可以得出:除速度因素外，其它幾個(gè)因素并不能單獨(dú)地對(duì)能量消耗產(chǎn)生顯著影響，能量消耗的改變往往是其中兩三個(gè)因素協(xié)同改變的結(jié)果。

雖然限制擺臂在部分實(shí)驗(yàn)研究中被證實(shí)可以提高能量消耗，但是對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō)，限制擺臂的行走方式并不是常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)方式。甚至這種運(yùn)動(dòng)方式可能引起人體感覺(jué)上的不適。因此目前對(duì)于限制擺臂的研究較少，而且研究成果很難推廣。

3 手臂加載重量對(duì)行走模式及能量消耗的影響

3.1 手臂加載對(duì)行走模式的影響

在行走過(guò)程中肢體協(xié)調(diào)性的研究實(shí)驗(yàn)中，許多學(xué)者發(fā)現(xiàn):對(duì)稱(chēng)或同源的肢體（如左右手、左右腳）神經(jīng)控制的穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性要好于不對(duì)稱(chēng)或非同源的肢體（如左手和右腳）［21，22］。在此基礎(chǔ)上，Jeka［23］、Serrien［24］等早前進(jìn)行手臂加載實(shí)驗(yàn)的學(xué)者發(fā)現(xiàn)，手臂的加載會(huì)影響走路過(guò)程上下肢的協(xié)調(diào)性。具體表現(xiàn)為降低擺臂頻率和速度。但值得注意的是，Jeka和Serrien等人的實(shí)驗(yàn)被試都是在坐位上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的，距離真實(shí)的走路環(huán)境有顯著的差異性。

在后來(lái)研究，Donker［25］等人總結(jié)前人研究不足，在真實(shí)走路環(huán)境下，在速度0.5～5.0km／hr范圍內(nèi)加載1.8～3.6kg，發(fā)現(xiàn)手臂加載既沒(méi)有降低步行速度，也沒(méi)有改變步頻、步幅。但無(wú)論兩邊同時(shí)加載還是只加載一邊，手臂擺動(dòng)的幅度和連續(xù)性都會(huì)受到顯著影響。表現(xiàn)為加載端手臂擺動(dòng)幅度降低，另一端手臂擺動(dòng)幅度代償性增大，以此來(lái)維持上肢運(yùn)動(dòng)的對(duì)稱(chēng)性?？傊煌谙拗剖直蹟[動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，手臂加載并沒(méi)有顯著影響行走過(guò)程中上下肢的協(xié)調(diào)性，卻對(duì)上肢的擺動(dòng)幅度產(chǎn)生顯著影響。這也間接驗(yàn)證了前面提到的的觀點(diǎn):即控制行走過(guò)程的神經(jīng)系統(tǒng)任務(wù)上的獨(dú)立性，配合上的靈活多樣性［9-11］。

就產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因，由于早前的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)了手臂擺動(dòng)對(duì)維持行走過(guò)程中能量節(jié)省、重心穩(wěn)定的重要作用。并且已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了加載對(duì)側(cè)手臂甚至腿部都會(huì)使手臂肌肉活動(dòng)加強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上，Donker［25］認(rèn)為手臂加載之所以沒(méi)有影響行走過(guò)程的穩(wěn)定性，是因?yàn)橹袠锌刂浦噶钤诩虞d刺激下控制手臂代償性的擺動(dòng)，從而維持走路過(guò)程的協(xié)調(diào)性及能量節(jié)省化。

Donker等人的研究與早前Jeka等人的研究結(jié)果存在較大差異，但在后來(lái)的手臂加載對(duì)行走中能量消耗的影響的實(shí)驗(yàn)研究中，一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果似乎更偏向于Donker的結(jié)論。

3.2 手臂加載對(duì)行走中能量消耗的影響

手臂加載，因可增大上肢肌肉運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度已經(jīng)被廣泛用于多種體育運(yùn)動(dòng)中。在早前的許多實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)證實(shí)，手臂加載確實(shí)可以增加行走過(guò)程中的能量消耗。Peter［26］等人在研究手臂兩側(cè)加載2.7kg，速度6.4km／hr的條件下，測(cè)得耗氧量比正常擺臂行走多5%。Auble［27］等人在加載不超過(guò)1.8kg的條件下行走，測(cè)得耗氧量增加36%。Miller［28］等人在加載4.5kg條件下，測(cè)得耗氧量增加34%。以上三組實(shí)驗(yàn)均在恒定步頻狀態(tài)下測(cè)得。雖然擺臂要求、加載重量、步頻、步幅、速度的要求不同，但加載確實(shí)對(duì)耗氧量產(chǎn)生了顯著影響，表現(xiàn)為增加5%到36%不等。

接下來(lái)的研究者在前人研究基礎(chǔ)上不斷細(xì)化，發(fā)現(xiàn)并不是在所有條件下，手臂加載都能引起能量消耗的顯著增加。Daijiro［29］等人測(cè)試了從 2.4km／hr到 7.2km／hr速度范圍內(nèi)，手臂加載3～9kg能量消耗的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在較低速度范圍（2.4kmhr—3km／hr）內(nèi)，加載行走的能量消耗顯著低于正常行走組。而在相對(duì)較高速度范圍（5km／hr～7.2km／hr）內(nèi)時(shí)加載組能耗又顯著高于對(duì)照組。Owens［30］等人在加載重量所占體重比例相似、測(cè)試速度范圍4.8km／hr—9.6km／hr的情況下，也得到了相似的實(shí)驗(yàn)結(jié)論:即速度小于6.4km／hr時(shí)，手臂加載行走與正常行走能量消耗并沒(méi)有顯著差別；但當(dāng)速度大于8km／hr的時(shí)候，加載組能量消耗顯著大于正常組；同時(shí)，對(duì)于健康成人來(lái)說(shuō)，只有當(dāng)加載重量達(dá)到2.27kg以上，才能達(dá)到顯著提高能量消耗的目的。

對(duì)于產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因，Daijiro［29］認(rèn)為行走過(guò)程中的能量消耗主要是由支配運(yùn)動(dòng)過(guò)程的較大肌肉群（大腿部肌肉）產(chǎn)生的，并且隨著速度的增加呈線性增加趨勢(shì)。而其他小肌肉群（上肢部分）消耗的能量可以忽略不計(jì)，即使在上肢負(fù)重的情況下，也不會(huì)消耗過(guò)多的能量。換句話說(shuō)，上肢加載在快速行走過(guò)程中能量消耗之所以會(huì)顯著增加主要是上肢肌肉為維持加載物體的動(dòng)能而產(chǎn)生的，而當(dāng)速度較低時(shí)，上肢肌肉主要保持加載物體勢(shì)能的穩(wěn)定，更容易產(chǎn)生能量節(jié)省的現(xiàn)象，因此不會(huì)消耗過(guò)多得能量。

可見(jiàn)，手臂加載行走雖然可以增加能量消耗，但這種增加是需要在一定速度、一定重量的條件下才能達(dá)到的。同時(shí)，由于行走過(guò)程中肢體協(xié)調(diào)性的改變是導(dǎo)致能量消耗增加的內(nèi)部原因［8，18］。因此可以推斷，Daijiro［29］的觀點(diǎn)間接驗(yàn)證了上文中Donker［25］等人的假設(shè):即在慢速行走過(guò)程中，雖然手臂加載一定重量，但通過(guò)調(diào)整手臂擺動(dòng)頻率可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定協(xié)調(diào)性和能量節(jié)省化的結(jié)果。

4 增大擺臂角度對(duì)行走模式和能量消耗的影響

通常，在緩慢悠閑的行走過(guò)程中，手臂會(huì)自然下垂成180°不彎曲直臂慢速向前行走。這種擺臂行走是人體最放松的一種行走姿態(tài)，當(dāng)行走速度加快時(shí)，手臂同樣也會(huì)采用這樣的直臂擺臂方式。但在健走過(guò)程中，若以180°角度擺臂，此時(shí)的人體手臂擺動(dòng)的半徑最大，這樣不僅會(huì)增加肩頸部肌肉用力程度；同時(shí)，如果長(zhǎng)時(shí)間甩手，血液會(huì)隨著重心力的緣故聚集在手掌，使手掌產(chǎn)生酸脹感。因此，在科學(xué)的健走過(guò)程中，通常建議采用肘部彎曲90°擺動(dòng)（或80°～100°之間），在減少手臂運(yùn)動(dòng)軌跡的同時(shí)，在曲臂的過(guò)程中，還能使手臂血液很好的回流，減少手掌發(fā)脹發(fā)酸的現(xiàn)象［31］。

基于上述結(jié)論，許多學(xué)者均采用在肘部彎曲90°或80—100°之間的基礎(chǔ)上，通過(guò)增大手臂擺動(dòng)的幅度，研究其對(duì)行走模式和行走過(guò)程中能量消耗的影響。研究表明，增大擺臂角度會(huì)使步頻降低、步幅增加［26］。

Peter［26］等人在規(guī)定向前擺臂肘部彎曲90°，向后擺臂最后時(shí)刻肘關(guān)節(jié)角度必須達(dá)到170°，手臂高度過(guò)肩的條件下，測(cè)得行走中的耗氧量比正常擺臂增加10%。而當(dāng)增大擺臂配合手臂加載后，耗氧量可繼續(xù)增加達(dá)到33%。證明相同速度下增大擺臂確實(shí)能夠提高行走中的能量消耗。同樣，Auble［27］和 Miller［28］等人在采用與Peter相似的擺臂要求下，采用增大擺臂附帶手臂加載的方式，測(cè)得耗氧量比普通擺臂健走方式增加24%和34%。但遺憾的是，Peter等人忽略了其他影響因素對(duì)能量消耗的影響，并沒(méi)有證明能量的增加主要是因?yàn)樯现∪獾倪\(yùn)動(dòng)強(qiáng)度增加還是主要由于增大擺臂所導(dǎo)致的步幅增加所引起的。因此后續(xù)的實(shí)驗(yàn)應(yīng)在前人研究的基礎(chǔ)上全面考慮，因?yàn)槭直蹟[動(dòng)的細(xì)微改變都會(huì)引起整個(gè)行走模式的巨大改變，因此除了考慮手臂擺動(dòng)因素外，也應(yīng)考慮其他因素對(duì)能量消耗的影響大小。

5 結(jié) 論

本篇綜述初步介紹了限制、加載、以及增大手臂擺動(dòng)對(duì)行走模式以及能量消耗的影響。由于手臂擺動(dòng)是走路過(guò)程中神經(jīng)控制調(diào)節(jié)人體行走模式的重要途徑，因此限制手臂擺動(dòng)會(huì)顯著影響走路的協(xié)調(diào)性，并且增加能量消耗；相反，手臂加載并不會(huì)顯著影響走路過(guò)程的協(xié)調(diào)性，并且只有在達(dá)到一定負(fù)重、一定速度的情況下才會(huì)顯著增加走路過(guò)程中的能量消耗；而在增大擺臂幅度的研究中，已經(jīng)證實(shí)增大擺臂對(duì)走路協(xié)調(diào)性會(huì)產(chǎn)生一定影響，同時(shí)也證實(shí)了在同時(shí)增大擺動(dòng)幅度并加載重量的情況下，能量消耗會(huì)顯著增加。

手臂擺動(dòng)是維持人體正常行走步態(tài)的最基本因素。通過(guò)研究非常規(guī)的手臂擺動(dòng)對(duì)行走及能量消耗的影響，不僅可以提高單位時(shí)間相同速度下正常人行走的能量消耗，而且對(duì)于手臂功能障礙者（如帕金森綜合癥患者）異常手臂擺動(dòng)與正常人行走過(guò)程中能量消耗異同的研究也有積極的意義。

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