中國(guó)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)在難美性項(xiàng)群研究中的發(fā)展現(xiàn)狀

李雙俊，但愛(ài)蘭

運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)是體育科學(xué)的重要分支，主要用于確定各專(zhuān)項(xiàng)體育運(yùn)動(dòng)的技術(shù)原理，作為運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)診斷和改進(jìn)訓(xùn)練方法的理論依據(jù)［1］。難美性項(xiàng)群是指在一定時(shí)間和空間內(nèi)，以一定規(guī)格的身體姿勢(shì)為表現(xiàn)形式，以追求人體美、造型美、服飾美、音樂(lè)美為目的的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)群。例如跳水、體操、健美操、體育舞蹈、藝術(shù)體操、花樣游泳、冰上舞蹈、武術(shù)套路等。本文以中國(guó)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)在難美性項(xiàng)群中的應(yīng)用為研究對(duì)象，旨在準(zhǔn)確把握運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)在該領(lǐng)域研究的發(fā)展動(dòng)態(tài)。

1 發(fā)展歷程

19世紀(jì)末和20世紀(jì)早期，關(guān)于難美性項(xiàng)群的理論研究還局限在運(yùn)動(dòng)員生理和身體姿勢(shì)分析方面。生物力學(xué)在難美性項(xiàng)群的研究一直到早期電影技術(shù)出現(xiàn)才得以開(kāi)展。20世紀(jì)20-30年代，該技術(shù)正式被應(yīng)用于體育運(yùn)動(dòng)的分析研究。適時(shí)，美國(guó)的Cureton組織了一批學(xué)者，在田徑和游泳運(yùn)動(dòng)中開(kāi)展了一系列生物力學(xué)的研究。

20世紀(jì)30年代，McCloy在運(yùn)動(dòng)技術(shù)的生物力學(xué)分析方面表現(xiàn)出極大熱情。20年后，Wettstone和他的研究生開(kāi)始研究人體生物力學(xué)在身體姿勢(shì)分析中的一般性問(wèn)題，即“什么類(lèi)型的人具有良好的體操運(yùn)動(dòng)潛力”。

20世紀(jì)60年代，生物力學(xué)才作為分學(xué)科被建立起來(lái)，并在體操研究中應(yīng)用開(kāi)來(lái)。隨著生物力學(xué)在體操運(yùn)動(dòng)的研究興起之后，德國(guó)、日本、蘇聯(lián)和美國(guó)都展開(kāi)了一系列相關(guān)研究，這也促成了運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)在難美性項(xiàng)群研究中的廣泛應(yīng)用。

20世紀(jì)70年代，生物力學(xué)在難美性項(xiàng)群中的研究領(lǐng)域集中在兩個(gè)方面：運(yùn)動(dòng)學(xué)描述（Kinematic Descriptions）和動(dòng)力學(xué)描述（Kinetic Descriptions）。其中，運(yùn)動(dòng)學(xué)描述主要是利用電影數(shù)據(jù)分析技術(shù)動(dòng)作特點(diǎn)。動(dòng)力學(xué)描述主要是運(yùn)用動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)出一個(gè)優(yōu)化的技術(shù)動(dòng)作方法。

20世紀(jì)80年代伊始，數(shù)學(xué)建模逐步引入體操項(xiàng)群訓(xùn)練。研究者運(yùn)用數(shù)學(xué)模型針對(duì)性的開(kāi)展個(gè)體研究以及個(gè)體比較研究。具體應(yīng)用于對(duì)體操優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員的技術(shù)動(dòng)作特點(diǎn)和力學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行建模分析，或較理想模型和發(fā)展模型之間的差異，幫助運(yùn)動(dòng)員改進(jìn)和提高運(yùn)動(dòng)技術(shù)規(guī)格。

1980年中國(guó)在成立體育科學(xué)學(xué)會(huì)同時(shí),成立了運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)學(xué)會(huì),在其后幾十年里，對(duì)于難美性項(xiàng)群而言：多數(shù)研究集中在技術(shù)動(dòng)作的生物力學(xué)分析，并取得較好成績(jī)，其次，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)與解剖學(xué)、生理學(xué)、醫(yī)學(xué)、康復(fù)學(xué)結(jié)合逐漸密切，研究成果的水平有了很大提高。

總體而言，隨著世界運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的發(fā)展與科學(xué)技術(shù)的推動(dòng)，中國(guó)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)在運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和競(jìng)賽領(lǐng)域的應(yīng)用逐步走向獨(dú)立化、個(gè)體化、專(zhuān)項(xiàng)化、數(shù)字化。對(duì)于運(yùn)動(dòng)員技術(shù)能力和力量素質(zhì)占主導(dǎo)地位的難美性項(xiàng)群而言，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)在運(yùn)動(dòng)技術(shù)診斷與分析和肌力測(cè)量等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。當(dāng)前，中國(guó)已基本形成相對(duì)完善并互相支持的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和肌電測(cè)量三大系統(tǒng)。

2 總體思路

2.1 以認(rèn)清項(xiàng)群特點(diǎn)為研究前提

中國(guó)競(jìng)技體育的核心是競(jìng)技運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練和競(jìng)賽是競(jìng)技運(yùn)動(dòng)的“雙核”構(gòu)件。隨著競(jìng)技運(yùn)動(dòng)水平的不斷提高，科學(xué)化訓(xùn)練對(duì)基礎(chǔ)學(xué)科的依賴(lài)愈來(lái)愈明顯。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)以其對(duì)人體運(yùn)動(dòng)獨(dú)特的分析視角和功能，是解決難美性項(xiàng)群科技攻關(guān)的主要理論基礎(chǔ)，為中國(guó)競(jìng)技體育事業(yè)的發(fā)展將長(zhǎng)期不斷的提供科技服務(wù)。

在體育科學(xué)的大家庭里，無(wú)論哪一個(gè)基礎(chǔ)學(xué)科，都是圍繞運(yùn)動(dòng)的人體或人體的運(yùn)動(dòng)而展開(kāi)研究的。因此，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)在研究人體運(yùn)動(dòng)規(guī)律過(guò)程中，也需要緊密結(jié)合人體運(yùn)動(dòng)的實(shí)際，認(rèn)清運(yùn)動(dòng)項(xiàng)群本質(zhì)特點(diǎn)，才可能從根本上解決訓(xùn)練實(shí)踐中存在的問(wèn)題。

項(xiàng)群訓(xùn)練理論是運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練學(xué)經(jīng)典理論層次之一，是揭示具有相同性質(zhì)項(xiàng)群群體所共有的原理和規(guī)律的理論。依據(jù)項(xiàng)群理論，可以更好地對(duì)難美性項(xiàng)群的基本特點(diǎn)進(jìn)行分析，在把握項(xiàng)群特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)而確定運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究的切入點(diǎn)。

按照項(xiàng)群理論競(jìng)技能力主導(dǎo)因素分類(lèi)，難美性項(xiàng)群歸屬為技能主導(dǎo)類(lèi)，權(quán)重最大的運(yùn)動(dòng)技術(shù)成為研究該類(lèi)項(xiàng)群特點(diǎn)的切入點(diǎn)。在技術(shù)動(dòng)作諸要素中，身體姿勢(shì)、動(dòng)作軌跡、動(dòng)作節(jié)奏等要素可描述難美性項(xiàng)群的定性特點(diǎn)；動(dòng)作時(shí)間、動(dòng)作速度、動(dòng)作速率、動(dòng)作力量可描述難美性項(xiàng)群的定量特點(diǎn)。

按照項(xiàng)群理論動(dòng)作結(jié)構(gòu)分類(lèi)，難美性項(xiàng)群歸屬為多元?jiǎng)幼鹘Y(jié)構(gòu)固定組合類(lèi)項(xiàng)群。該分類(lèi)從技術(shù)動(dòng)作的結(jié)構(gòu)性質(zhì)方面反映出難美性項(xiàng)群運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)形式。固定組合既讓技術(shù)發(fā)揮能做到主觀可控，也使得運(yùn)動(dòng)競(jìng)賽競(jìng)爭(zhēng)激烈。如何做到定中有變，變中求穩(wěn)，是比賽取勝的關(guān)鍵。

按照項(xiàng)群理論運(yùn)動(dòng)成績(jī)?cè)u(píng)定方式分類(lèi)，難美性項(xiàng)群歸屬為評(píng)分類(lèi)項(xiàng)群。運(yùn)動(dòng)成績(jī)的評(píng)定方式反映運(yùn)動(dòng)項(xiàng)群的比賽特點(diǎn)。具體來(lái)講，該類(lèi)項(xiàng)群運(yùn)動(dòng)員的比賽成績(jī)由藝術(shù)分、技術(shù)分和完成分三部分組成。技術(shù)分是由難度數(shù)量及質(zhì)量來(lái)決定的，可見(jiàn)在熟練完成套路性技術(shù)動(dòng)作基礎(chǔ)上，動(dòng)作的難度與穩(wěn)定性是比賽取勝的關(guān)鍵。這也體現(xiàn)了該類(lèi)項(xiàng)群“難、新、美、穩(wěn)”的比賽制勝特點(diǎn)。

2.2 定性分析和定量分析相結(jié)合

當(dāng)前，中國(guó)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)在難美性項(xiàng)群技術(shù)研究成果主要體現(xiàn)在動(dòng)作技術(shù)綜合檢測(cè)與診斷方面。運(yùn)動(dòng)技術(shù)診斷是指以現(xiàn)有的訓(xùn)練條件和身體素質(zhì)為基礎(chǔ)，將運(yùn)動(dòng)目的或戰(zhàn)術(shù)思想抽象化為理想運(yùn)動(dòng)效果，試圖改進(jìn)運(yùn)動(dòng)形式以提高運(yùn)動(dòng)效果為目的的研究過(guò)程。

圖1 運(yùn)動(dòng)技術(shù)診斷基本模式

在以體操為代表的難美性項(xiàng)群科技服務(wù)和科技攻關(guān)中，運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究已經(jīng)形成一套較為完備的科研模式。依據(jù)運(yùn)動(dòng)技術(shù)診斷基本模式（見(jiàn)圖1），能夠獲取大量人體動(dòng)作及其相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，并且對(duì)這些信息采用定性和定量相結(jié)合的分析方式。以便于既考慮教練員和運(yùn)動(dòng)員的理解程度，又兼顧技術(shù)診斷的客觀性和科學(xué)性。

定性研究主要是按照主教練的要求，結(jié)合項(xiàng)群訓(xùn)練計(jì)劃，在日?？萍挤?wù)工作中通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像快速反饋系統(tǒng)來(lái)完成，該系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)、攝像機(jī)和專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)圖像反饋軟件組成。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集運(yùn)動(dòng)圖像，并可以快速對(duì)運(yùn)動(dòng)圖像進(jìn)行有效的編輯，例如：可實(shí)現(xiàn)不同運(yùn)動(dòng)員技術(shù)動(dòng)作的同屏比較和疊加比較。在運(yùn)動(dòng)隊(duì)訓(xùn)練期間，在訓(xùn)練現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)技術(shù)圖像快速反饋，并將當(dāng)日采集的運(yùn)動(dòng)技術(shù)圖像刻錄成光盤(pán)反饋給每個(gè)隊(duì)員，以便讓他們利用業(yè)余時(shí)間反復(fù)觀看自己該日訓(xùn)練過(guò)程中的技術(shù)動(dòng)作，從而發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)糾正。

定量研究主要是階段性地對(duì)運(yùn)動(dòng)員的動(dòng)作技術(shù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。運(yùn)動(dòng)圖像解析主要采用平面單機(jī)定點(diǎn)分析和三維同步攝像測(cè)試分析。平面定點(diǎn)拍攝的技術(shù)資料和三維攝像獲取的技術(shù)資料通過(guò)PEAK運(yùn)動(dòng)解析軟件來(lái)分析?？赏瓿蓪?duì)運(yùn)動(dòng)員的肌肉力量的監(jiān)測(cè)分析；對(duì)難新技術(shù)動(dòng)作的建模和仿真研究等。定量分析測(cè)試指標(biāo)豐富，可比較深入、細(xì)致地揭示體操技術(shù)動(dòng)作的內(nèi)在特征。但由于反饋速度較慢，測(cè)試結(jié)果不能在現(xiàn)場(chǎng)反饋給教練員，反饋材料較抽象，數(shù)據(jù)圖表較多。如果沒(méi)有科研人員的講解，教練員和運(yùn)動(dòng)員較難理解測(cè)試結(jié)果，故運(yùn)用起來(lái)也有一定的難度。

3 具體方法

2008年北京奧運(yùn)會(huì)中國(guó)體操隊(duì)獲得9金1銀4銅的歷史性輝煌戰(zhàn)績(jī)，這其中運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的科技支撐功不可沒(méi)。

3.1 運(yùn)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)反饋系統(tǒng)

運(yùn)動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)反饋系統(tǒng)主要由攝像機(jī)、計(jì)算機(jī)以及采集軟件等組成，用以完成運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量。運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量的主要方法是高速攝影和錄像，這是一種非接觸性的定量測(cè)量方法，在不影響訓(xùn)練和比賽，不給運(yùn)動(dòng)員增加任何負(fù)擔(dān)的情況下，即可通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)技術(shù)影片的測(cè)量，獲得人體運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的分析，可以發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的優(yōu)缺點(diǎn)，探索運(yùn)動(dòng)技術(shù)原理及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為改善運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練，提高運(yùn)動(dòng)成績(jī)提供依據(jù)［2］。

3.2 視頻處理與快速反饋

將中國(guó)優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員和國(guó)外優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員訓(xùn)練和比賽的視頻資料進(jìn)行編輯處理，然后刻錄光盤(pán)，反饋給教練員和運(yùn)動(dòng)員，以便他們進(jìn)行反復(fù)觀摩及分析，發(fā)現(xiàn)自身訓(xùn)練與比賽中存在的問(wèn)題，及時(shí)改正以促進(jìn)技術(shù)動(dòng)作的改進(jìn)，同時(shí)分析國(guó)外運(yùn)動(dòng)員技術(shù)動(dòng)作的優(yōu)缺點(diǎn)，便于借鑒。

3.3 技術(shù)動(dòng)作視頻圖像數(shù)據(jù)庫(kù)

建立技術(shù)動(dòng)作視頻圖像數(shù)據(jù)庫(kù)，包括國(guó)際體操大賽的視頻錄像資料，如奧運(yùn)會(huì)、世界錦標(biāo)賽、世界杯、洲際賽事、重要國(guó)家的重要比賽、國(guó)內(nèi)主要比賽、乃至運(yùn)動(dòng)隊(duì)內(nèi)訓(xùn)練和小測(cè)驗(yàn)的視頻錄像資料。以方便檢索，調(diào)閱不同技術(shù)動(dòng)作。

3.4 運(yùn)動(dòng)員關(guān)節(jié)力量測(cè)試

肌肉力學(xué)的研究屬于基礎(chǔ)研究，它是目前運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)中最具有吸引力、最有挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域。人體的運(yùn)動(dòng)是以骨為杠桿、關(guān)節(jié)為樞紐、肌肉為動(dòng)力產(chǎn)生的。通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)員肌肉力量指標(biāo)的測(cè)定，才能了解運(yùn)動(dòng)員身體各環(huán)節(jié)的活動(dòng)能力和力量素質(zhì)的發(fā)展水平，為運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練提供理論依據(jù)。主要方法是對(duì)運(yùn)動(dòng)員的關(guān)節(jié)力量進(jìn)行測(cè)試和分析，主要測(cè)試髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、腰背等不同屈、伸速度下的關(guān)節(jié)肌肉力量。

3.5 難新技術(shù)動(dòng)作的生物力學(xué)研究

難新技術(shù)動(dòng)作分析有二維運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和三維運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。二維運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的特點(diǎn)是：快捷、直觀、信息量少、易于理解，較適合教練員和運(yùn)動(dòng)員。主要用于不同技術(shù)動(dòng)作對(duì)比研究，比較分析技術(shù)動(dòng)作的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)：關(guān)鍵瞬時(shí)的位移、角度、高度、速度等（見(jiàn)表1）。

表1 技術(shù)動(dòng)作的監(jiān)控指標(biāo)

三維動(dòng)力學(xué)分析的特點(diǎn)是：周期長(zhǎng)、靈活、信息全面、工作量大。例如“陳菲跳”的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，采用兩臺(tái)高速攝像機(jī)拍攝，兩臺(tái)攝像機(jī)同在跑道一側(cè)，拍攝頻率為125幀/s。兩次拍攝均采用PEAK三維框架標(biāo)定，利用外同步對(duì)動(dòng)作進(jìn)行同步處理。利用SIMIMOTIION軟件解析，對(duì)解析獲得的數(shù)據(jù)采用低通濾波進(jìn)行平滑，截?cái)囝l率為8HZ。

運(yùn)用仿真技術(shù)，根據(jù)多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理，用MSC.ADAMS/LIFEMOD軟件，建立一個(gè)與研究對(duì)象相似的19環(huán)節(jié)人體模型，52自由度，創(chuàng)建模型的鏈接，為運(yùn)動(dòng)添加運(yùn)動(dòng)副。然后，將運(yùn)動(dòng)學(xué)方法中解析得到的人體各關(guān)節(jié)的三維坐標(biāo)，賦予三維人體模型來(lái)重構(gòu)人體姿勢(shì)態(tài)，對(duì)所建立的三維模型進(jìn)行逆向動(dòng)力學(xué)和正向動(dòng)力學(xué)仿真分析，進(jìn)而可以生成人體動(dòng)畫(huà)和進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)的各種分析［3］。

4 小結(jié)

1）中國(guó)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)在難美性項(xiàng)群中的應(yīng)用已取得一定成績(jī)，主要體現(xiàn)在高水平運(yùn)動(dòng)隊(duì)科技服務(wù)與科技攻關(guān)方面。以項(xiàng)群特點(diǎn)為研究基礎(chǔ)，以定性與定量分析相結(jié)合為研究思路，以生物力學(xué)方法為研究手段，不斷為我國(guó)難美性項(xiàng)群發(fā)展傾注內(nèi)在動(dòng)力。2）運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)在難美性項(xiàng)群中的研究主要服務(wù)于國(guó)家隊(duì)，大量先進(jìn)器材和人力資源集中在優(yōu)勢(shì)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)群，基礎(chǔ)訓(xùn)練中運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的支撐相對(duì)較為薄弱，廣大教練員和運(yùn)動(dòng)員對(duì)于相關(guān)信息的理解與應(yīng)用還存在困難。3）加強(qiáng)先進(jìn)的測(cè)量器械與測(cè)試方法引進(jìn)與研發(fā)，突破難新技術(shù)動(dòng)作建模與仿真研究，是繼續(xù)保持科技攻關(guān)力度的重點(diǎn)；注重運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)普及推廣，加大既懂生物力學(xué)又擅長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的復(fù)合型人才培養(yǎng)是促進(jìn)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)在難美性項(xiàng)群應(yīng)用中可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

［1］路慧娟，賈志強(qiáng).我國(guó)近十年運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)——以2000年到2009年近十年體育類(lèi)核心期刊發(fā)表的運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)論文來(lái)研究［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010（2）.

［2］張艷華,王志剛.運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)在田徑運(yùn)動(dòng)技術(shù)研究中的應(yīng)用［J］.北京體育大學(xué)學(xué)報(bào).2005，28（9）.

［3］郝衛(wèi)亞，龐 樂(lè),任滿迎.中國(guó)體操隊(duì)備戰(zhàn)北京奧運(yùn)會(huì)生物力學(xué)綜合服務(wù)于研究［C］.第29屆奧運(yùn)會(huì)科研攻關(guān)與科技服務(wù)成果集，2009.