基于運動生物力學防護服裝的研究

汪世奎+謝紅+曹蕊超+李露+葉航

摘要：文章分別從運動生物力學與防護器材、防護服裝的研究現(xiàn)狀兩個方面分析得出基于運動生物力學研究防護服裝的重要性，并提出了運動生物力學在服裝領域應用的理論依據(jù)、技術問題以及技術路線。

關鍵詞：運動損傷；防護服裝；運動生物力學；防護模型

中圖分類號：TS941.2 文獻標志碼：A

A Study on Protective Cloths Based on Sports Biomechanics

Abstract： Based on introducing sports biomechanics as well as current study on protective equipment and protective clothes， the article draws the conclusion that it is very important to study protective clothes by using sports biomechanics and puts forward the theoretical basis， technical problems and technical route for using sports biomechanics in garment applications.

Key words： sports injury； protective clothes； sports biomechanics； protective model

近年來，我國參與體育運動或日常鍛煉的人口越來越多。在對全國體育人口比例的調查中發(fā)現(xiàn)，1996年的體育人口在總人口中所占的比例為31.4%，2000年增加到33.9%，而到2007年又增加到37.1%，短短10多年的時間里增加了5.7個百分點。

但是在運動中，由于人們并未太多地注意保護自己，常常會引起相應的關節(jié)、肌肉、韌帶的意外損傷。網(wǎng)球運動常常會導致肘部、肩袖部損傷，范？克拉莫（Von Kramer）對網(wǎng)球運動中出現(xiàn)的損傷進行過調查，結果表明，網(wǎng)球運動中肘關節(jié)損傷占全部損傷的41%，是最容易損傷的部位；肩袖損傷占其全部損傷的39%，僅次于網(wǎng)球肘。在跑步運動中，常常會發(fā)生小腿肌肉拉傷，有研究顯示，有高達35% ～ 65%的健身者與專業(yè)運動員曾經(jīng)發(fā)生過下肢損傷。老年人、小孩以及肢體殘疾人在日常的行走過程中，由于自身缺乏一定的平衡能力，往往會因為磕碰、摔倒等突發(fā)狀況而意外導致肌肉和骨骼損傷。有國外學者曾做過相關的研究，該研究揭示了在老年人的摔倒中，將近53%是因為行走、站立的不穩(wěn)定所導致的。

運動損傷已經(jīng)給運動員、業(yè)余愛好者、老年人、小孩等帶來了傷害，也是人們生命安全的重要隱患之一。也有不少人缺乏自我保護意識，認為在業(yè)余的體育鍛煉和比賽中，做準備活動，然后再多加注意一些，受傷的幾率也就小了，其實這種想法是不正確的。因為這種損傷，比如說扭傷、摔傷、各種磕碰傷，在運動損傷里只占到了2%，它的名稱叫做意外傷，而將近98%的損傷是那種運動技術性傷。所以基于運動的生物力學，研制減少骨骼與肌肉損傷的防護性服裝，是一個很大的趨向。

1 運動生物力學的研究

運動生物力學是生物力學的分支學科，是研究體育運動中人體機械運動規(guī)律的科學。其主要任務是運用生物學和力學的理論和方法研究人體從事各種運動、活動以及勞動的動作技術，使復雜的人體動作技術奠基于最基本的生物學和力學規(guī)律之上，并以數(shù)學、力學、生物學以及動作技術原理的形式加以定量描述。運動生物力學的發(fā)展與研究，為提高體育運動的成績、預防運動損傷、設計研發(fā)防護器材奠定了理論基礎。

1.1 運動生物力學的實際應用

對于運動生物力學的研究，特別是在應用上，具有自己的特色，大致可歸結為以下幾點：

（1）在競技體育運動動作的技術方面，根據(jù)人體的體態(tài)、素質、機能等情況，研究適合個人的最佳運動和活動技術的動作方案，并通過動作技術診斷使之逐步完善；

（2）從預防運動損傷的觀點出發(fā)，對各種體育、活動以及生產(chǎn)勞動進行生物力學分析，找出致傷因素，并設計出相應的預防與治療措施；

（3）運動生物力學不僅研究人體，而且也研究與運動相關的器械的運動規(guī)律，按照人體形態(tài)、結構和機能的生物力學特征，設計和改進運動器材、設施、服裝與用具以及勞動機器、工具等。

1.2 運動生物力學與防護器材

從運動生物力學的角度出發(fā)，對體育運動或健身鍛煉中用于防護人身安全、避免運動損傷的器材，提出設計和改進的設想及要求，是一項非常艱巨的學科任務，當前基于運動生物力學研制的防護用品主要有護具、運動鞋。

新型橄欖球頭盔與傳統(tǒng)頭盔相比有著本質的區(qū)別，新型頭盔的外層覆蓋了一種新型樹脂吸振緩沖材料，它可以有效地防止運動員以頭盔作為進攻武器沖撞對手。在運動的過程中，人體的各個關節(jié)肌肉常常由于過多的運動量或瞬間的揮擊、拉伸發(fā)生拉傷或震傷。戴上護具后，就可以對相應部位的肌肉、韌帶加壓舒服，減緩可能的過度拉伸，并協(xié)助肌肉動作，對關節(jié)部位起到支撐作用。對于關節(jié)出現(xiàn)不同程度勞損的老人以及正在發(fā)育期的小孩來說，進行遠足郊游或體育鍛煉時，很有必要選擇一定的護具。

國內(nèi)外一線運動品牌，其運動鞋技術的每一項進步都離不開生物力學研究，結構設計和技術創(chuàng)新都遵循人體運動生物力學原理。國際一線運動品牌都擁有自己的核心技術，如Nike的air氣囊鞋底科技和足跟穩(wěn)定技術、Adidas的HUG環(huán)抱系統(tǒng)和智能芯片技術、李寧新一代單弦弓減震技術等。無論核心技術如何創(chuàng)新變化，結構設計必須遵循運動生物力學的原理，其主要的生物力學原理是緩震減震、能量回歸、足跟控制、模擬踝足和回歸自然。endprint

2 防護服裝的研究

伴隨著運動的普及，傳統(tǒng)的防護服裝基本上從舒適性、結構設計、功能材料等角度出發(fā)進行設計研究，通過研究改變或加強面料的性能來達到服裝吸濕排汗透氣、防火、防水等效果，或者從服裝結構設計出發(fā)，采用多開口寬松式設計，在前胸、腋下、前后衣片采用連續(xù)開口散熱功能設計，設計了一套具有散熱功能的籃球比賽服裝。而在運動過程中能真正地起到對人體防護作用的，往往都是要通過佩戴護具來達到目的，從拳擊的頭盔到籃球的護足，每一個易受傷的關節(jié)都有相對應的護具來產(chǎn)生防護的效果。

但是現(xiàn)階段基于運動生物力學研究的運動防護僅限于護具以及運動鞋，而客戶對防護服裝的要求卻逐漸從原來的吸濕排汗等舒適性方面提升到舒適、功能、美觀、防護一體化上來，更多地希望可以通過服裝本身就可以達到防護人體的目的。

所以，有必要從人體出發(fā)，通過測量人體各關節(jié)點運動的三維坐標數(shù)據(jù)的變化，將其轉化為人體關節(jié)運動的生物力學參數(shù)，通過分析生物力學參數(shù)數(shù)據(jù)，建立人體防護模型，明確服裝面料與防護模型相互之間的關系，并結合服裝材料學、服裝結構設計、人體工效學等相關知識，設計具有防護性能的服裝。

3 運動生物力學在服裝上的應用

在體育運動、日?；顒右约吧a(chǎn)勞動中骨骼和肌肉損傷是難以避免的問題，解決這一難題，必須以人體運動為目標，運用人體解剖學、人體生理學、力學的理論與方法來探索人體運動規(guī)律，根據(jù)骨骼和肌肉的變化，建立外部防護模型，獲取防護服裝所需達到的力學參數(shù)，為開發(fā)運動防護服裝提供理論依據(jù)。

3.1 理論依據(jù)

在運動過程中，骨骼及肌肉功能模型的研究比較成熟，是確定肌肉長度、肌肉拉力線、肌力臂、肌力矩、肌力等關鍵因素，但卻沒有明確指出骨骼及肌肉損傷的臨界值，建立外防護模型是解決該問題的關鍵途徑。

基于人體骨骼與肌肉的動力學模型，模擬在外部約束條件下骨骼和肌肉的變化，通過逆向動力學方程式和有限元模擬獲取相關參數(shù)，建立外防護機制，即防護模型；在外加反應實驗的作用下，明確服裝材料的性能與外防護模型之間的關系，為研制高質量的運動防護服裝、減少運動過程中骨骼及肌肉的損傷提供理論依據(jù)。

3.2 技術問題

（1）建立骨骼及肌肉的模型，需要運用動態(tài)捕捉系統(tǒng)捕捉關鍵點的運動信息，測量人體在空間的位置和方向，即人體骨骼、關節(jié)的運動軌跡。動態(tài)捕捉系統(tǒng)通常分類為 3類：機械式、電磁式和光學式，價格不菲。

（2）結合人體運動軌跡的數(shù)據(jù)，通過人體建模仿真軟件進行模擬，并推導出骨骼及肌肉的最優(yōu)化的防護機制。

（3）通過實驗驗證分析，明確防護模型與服裝面料的性能特征之間的關系，為研發(fā)防護性能最優(yōu)的服裝提供依據(jù)。

3.3 研究方案

針對一項具體的運動，主要研究內(nèi)容有以下幾個方面：

（1）運用動態(tài)捕捉系統(tǒng)捕捉人體關鍵部位的空間運動軌跡；

（2）借助人體建模仿真軟件，將空間運動軌跡的數(shù)據(jù)轉化為生物力學參數(shù)，如各關節(jié)的位移、速度、加速度及肌肉長度、肌力臂、肌力矩等，進而計算出有關人體防護力學參數(shù)；

（3）基于骨骼及肌肉模型，運用逆向動力學的方法，建立人體外部防護機制；

（4）根據(jù)各種服裝材料的性能，通過有限元的模擬，確定材料的性能與防護模型相互之間的關系，獲取防護服裝所需的防護參數(shù)；

（5）人體建模仿真軟件對所獲取的服裝防護參數(shù)進行模擬，以進一步獲得最優(yōu)防護的服裝。

技術路線如圖 1 所示。

4 結語

運動損傷常常給運動員、體育愛好者、老人、小孩等帶來意想不到的身體傷害，然而，傳統(tǒng)的防護服裝基本上從服裝的舒適性角度進行研究，通過改變面料的特性來達到服裝的防濕透氣、吸濕排汗等，或從服裝的結構設計出發(fā)，改變服裝衣下間隙、開口特征等來提高服裝的著裝舒適性。國外對于運動防護服及裝備的研究則比較深入，從人體的頭部到腳的各個器官都配有特定的防護用具，所以基于運動生物力學研究防護服裝必將是未來的研究熱門。

外防護模型的建立是運動生物力學應用到服裝領域的關鍵，也是制約防護服裝研發(fā)的主要因素。防護模型的研究處于起步階段，只有建立起防護模型，才能進一步明確服裝材料與防護力學參數(shù)之間的相互轉化關系，也為研制減少運動損傷的運動裝備奠定技術基礎。

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