探究運動生物力學學科的創(chuàng)新發(fā)展路徑分析

郭俊　吳小宇

在我國科學技術(shù)全面研發(fā)與升級過程中，運動生物力學學科逐步成為其中的一項重要內(nèi)容。該學科主要針對運動生物力學的發(fā)展過程與現(xiàn)狀給予系統(tǒng)化、完整性的分析，由此明確其研究內(nèi)容、存在問題以及發(fā)展方向，提出當前該學科需要突破的科研與技術(shù)瓶頸，并把握未來進一步的發(fā)展與研究路徑。本文即在此背景下展開研究，通過分析運動生物力學學科的發(fā)展現(xiàn)狀，提出其創(chuàng)新發(fā)展的方向與路徑。

運動生物力學是圍繞人體運動展開的科學研究，通過力學的基本理論解析人體運動的復(fù)雜體系與結(jié)構(gòu)，從而可以根據(jù)人體運動現(xiàn)象，做出相對客觀、定量且定性的描述與解析。該學科所涉及的內(nèi)容與方向較為廣泛，不僅與解剖學、生理學、力學、生物學等息息相關(guān)，而且還需要多學科之間的交叉融合。因此在我國現(xiàn)代化建設(shè)進程中，運動生物力學是重要的科學技術(shù)之一，并且在多年的深入研究中獲取了豐碩的成果。

1 運動生物力學學科的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，運動學、動力學以及肌點測試等方式是我國運動生物力學研究中的主要方法，可以對運動中的人體問題進行分析與解釋。但是在實踐過程中，運動時的人體具有極其復(fù)雜的運作內(nèi)容，所產(chǎn)生的力學參數(shù)數(shù)據(jù)具有較高的測試難度因此需要在測試方法、流程、提高精度等方面進一步探索。

1.1 運動學

運動學參數(shù)是運動生物力學研究中的基礎(chǔ)內(nèi)容，目前獲取該參數(shù)的方法主要有四種，其一需要利用攝像技術(shù)錄制，而后對影像進行解析，該方法分為二維與三維兩種層次，不過目前三維攝像與解析技術(shù)已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用。其二利用紅外光點對人體的運動過程進行捕捉并分析。其三采用電磁感應(yīng)的方式捕捉運動軌跡進而展開分析。其四利用慣性技術(shù)捕捉運動過程，同樣由此展開分析。就我國而言，攝像與影像解析是目前運動生物力學研究中所使用的核心測試手段，但該方法會出現(xiàn)系統(tǒng)錯誤與隨機誤差，對最終的分析結(jié)果會產(chǎn)生一定的影響，因此需要有效減少并校正誤差，以提升我國運動生物力學的分析水平。

1.2 動力學

在運動生物力學的實踐應(yīng)用過程中，動力學傳感器則是至關(guān)重要的輔助設(shè)備，其不僅可以測量人體運動期間與環(huán)境之間或者與器械設(shè)備之間形成的作用力，而且能夠自動計算并分析人體在每一個瞬間的力學狀態(tài)。因此在運動技術(shù)分析過程中，或者在研究運動損傷機制時，都必須圍繞動力學測試工作展開，因而該技術(shù)的重要性不斷提升。目前我國仍然主要采取應(yīng)用測力平臺實施運動生物力學研究，通過其收集的數(shù)據(jù)可以分析人體的跳躍能力、姿態(tài)控制能力、落地能力以及專項動作技術(shù)等，并由此進行測量與評價。與此同時，還需要注意在關(guān)節(jié)力與力矩研究的過程中，則可以采取逆向動力學理論，但該方法同樣存在較大的誤差，不過目前借助紅外點運動捕捉系統(tǒng)可以有效降低誤差提高精度，因此為逆向動力學的實踐應(yīng)用提供了新的方法與路徑。

1.3 運動生物力學測試手段

在運動生物力學學科發(fā)展與建設(shè)的過程中，根據(jù)實踐研究需要，研究人員還開發(fā)了諸多輔助完成實驗的技術(shù)與設(shè)備，尤其在力學傳感器與功能測試系統(tǒng)方面，設(shè)計出了具有特定功能的輔助設(shè)備與測試系統(tǒng)。比如在測量關(guān)節(jié)與加速度等相關(guān)數(shù)據(jù)時，就可以借助收縮關(guān)節(jié)功率曲線測試系統(tǒng)，根據(jù)該系統(tǒng)測算出所需的精確數(shù)據(jù)，可以為運動生物力學發(fā)展提供重要的技術(shù)支持。此外，針對實踐研究的需求，還研發(fā)了具備診斷功能的運動員技術(shù)水平測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以從科學的角度，以數(shù)據(jù)分析的方式測試運動員的技術(shù)水平，因此在運動員訓(xùn)練環(huán)節(jié)中，該系統(tǒng)可以輔助教練完成運動員技術(shù)訓(xùn)練，可以讓教練更清晰地了解運動員的狀態(tài)。

2 運動生物力學學科的創(chuàng)新發(fā)展方向

2.1 肌肉力學

在當前研究背景下，肌肉力學是該學科領(lǐng)域中發(fā)展與研究的重要內(nèi)容，不僅吸引了大量研究人員，而且具有極高的挑戰(zhàn)難度，尤其在運動生物力學學科建設(shè)時期，肌力測量是當時面臨的重大難題，更是運動生物力學學科得以長久發(fā)展的核心問題。直到“希爾方程”出世，成為解決肌肉力學研究問題的核心助力，而人們對于肌肉力學的研究也在進一步深入。一方面，大量研究人員開始運用離體肌肉進行研究，并在研究過程中得到了諸多成果。另一方面，牛頓力學理論也在離體肌肉中得以運用，成為新的支持離體肌肉研究的重要理論。但在此過程中也出現(xiàn)了新的挑戰(zhàn)，如何進一步研究活體運動力學的規(guī)律與方法，成為諸多研究人員面臨的核心問題，尤其在人體肌肉的損傷與恢復(fù)研究中，如何通過對肌肉的定量協(xié)調(diào)與分配，成為未來運動生物力學研究的重要方向之一。

2.2 測量方式

測量方式是解決運動生物力學研究問題的根本技術(shù)問題，在學科建設(shè)的過程中，測量方式也在跟隨技術(shù)不斷發(fā)展，從最初的平面影響解析，到如今的三維影響解析，實現(xiàn)了普通高速攝影機到高級高速攝影的跨越，為運動生物力學研究奠定了基礎(chǔ)。與此同時，在慢速手工數(shù)字化發(fā)展進程中，也逐步實現(xiàn)了光點實時采樣系統(tǒng)的建設(shè)，具備快速、精確反饋的功能。在該過程中，三維測力臺也有重要的應(yīng)用價值，一方面其具有高度的精確性，另一方面則實現(xiàn)了單項工程測力器向液壓驅(qū)動的轉(zhuǎn)變，這是技術(shù)發(fā)展的必然趨勢，也是該學科持續(xù)發(fā)展的真實見證。此外，對于該學科而言，高速攝影、動態(tài)測力、攝影測量、肌電測試四種測試方式是其科研發(fā)展的核心力量，在未來的短期發(fā)展進程中，這些方法還具有較高的應(yīng)用性，但從長久來看，我國也必然會開發(fā)與研制出新的、更加精確且完善的測量方式，這也是本學科建設(shè)路徑中的創(chuàng)新發(fā)展方向之一。

2.3 力學模型以及運動仿真

自20世紀80年代開始，生物力學學科在我國得以興起，通過對人體運動的模擬研究，分析人體的力學問題。在實際研究過程中，研究人員可以根據(jù)不同類型的人體運動創(chuàng)建人體模型，并利用數(shù)學語言將運動過程進行描述與表達，然后再進行科學分析，得出相應(yīng)的科學結(jié)論。此外，研究與探索人體的運動方式、運動行為控制也是該學科研究中的關(guān)鍵問題，因此在該研究工作中，探索如何結(jié)合實驗測量結(jié)果建立人體運動方程，并設(shè)立相應(yīng)的便捷條件就成為研究的重要目標，而后便可以利用計算機將實驗過程中搜集的復(fù)雜數(shù)據(jù)進行運算與求解，用人體運動方程解釋人體運動力學的具體行為與方式。因此人體力學模型與運動仿真就成為未來研究與開創(chuàng)的重要內(nèi)容。

2.4 教材體系

目前，我國在運動生物力學學科的教材體系建設(shè)方面存在較大的缺陷，一方面在于課程內(nèi)容的把控缺乏系統(tǒng)化、完整化的梳理，另一方面還缺少一些當前的前沿技術(shù)與國外研究成果，因此在該學科建設(shè)進程中，還需要進一步深入研發(fā)教材內(nèi)容與課程資源，既要充分挖掘本學科中的優(yōu)勢與特點，通過更合適的方式與資源形式進行呈現(xiàn)，以滿足不同類型人們學習的需求。同時也要保證其中知識點的集中性、連貫性與適用性，并通過精確的表達方式與數(shù)據(jù)內(nèi)容，將最新研究成果展示給每一個學習者。此外，還應(yīng)進一步學習國外的學科建設(shè)經(jīng)驗，根據(jù)其教材研究體系，結(jié)合我國高?；蚱渌芯炕蚪逃龣C構(gòu)的基本學情，保證教材建設(shè)的適用性與先進性，從而為本學科的建設(shè)提供持續(xù)發(fā)展的空間與前景。

3 運動生物力學學科的創(chuàng)新發(fā)展路徑

3.1 以應(yīng)用基礎(chǔ)研究為學科方向

應(yīng)用基礎(chǔ)是運動生物力學學科創(chuàng)新發(fā)展的根本需求，因此實踐就成為該學科建設(shè)的根本方向。首先，要全面倡導(dǎo)科研人員深入基層，通過對一線體育運動的觀察與追蹤研究，結(jié)合研究成果與數(shù)據(jù)對優(yōu)秀運動員的技術(shù)動作進行診斷與評價，并進一步探索提升和改善運動員技術(shù)水平的方法，為該學科科研成果的應(yīng)用做好全面準備。其次，要做到理論與實際的研究結(jié)合，科研人員不僅要全面了解和掌握運動生物力學的理論基礎(chǔ)，而且要從實踐中了解人體運動的基本特征與規(guī)律，比如可以與教練員、運動員深入探討與總結(jié)記錄，找到科學的解決方法與技術(shù)。其三，還應(yīng)建立學科數(shù)據(jù)庫，以實踐數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)庫建設(shè)不斷獲取運動相關(guān)的各類參數(shù)，并通過數(shù)據(jù)共享的方式，構(gòu)建全體運動生物力學研究人員的合作平臺，以求實現(xiàn)信息同步與成果共享。

3.2 以科研人員培訓(xùn)為發(fā)展基石

運動生物力學學科建設(shè)需要高素質(zhì)的科研人員與教育專家，因此在學科建設(shè)過程中，還需要更為優(yōu)秀的科研團隊，所以建立培訓(xùn)機制是該學科發(fā)展的基石。第一，要建立完善的培訓(xùn)制度，定期開展培訓(xùn)活動。第二，要積極邀請相關(guān)專家與行業(yè)代表，通過開展講座、專題課等方式促進科研人員的專業(yè)水平。第三，要擴展科研人員的綜合能力，通過多學科課程融合，構(gòu)建實踐項目，提升科研人員的實踐水平與學科融合素養(yǎng)。

3.3 以課程體系建設(shè)為核心結(jié)構(gòu)

運動生物力學學科建設(shè)需要完善的課程體系，該學科主要包括運動學、生物學、力學等專業(yè)方向，因此在課程體系建設(shè)時，需要將多個方向的學科進行巧妙融合，一方面要避免割裂與脫節(jié)，要將多學科方向的內(nèi)容融于完整的實踐項目之中，從而保證課程的系統(tǒng)性與深度。另一方面則要整改教學結(jié)構(gòu)，通過設(shè)立專題的方式，將不同學科的知識按照專題研究需要納入其中，由此建成不同層次、規(guī)格與方向的課程。

3.4 以實驗室建設(shè)為關(guān)鍵路徑

運動生物力學學科具有很強的實踐性質(zhì)，因此需要通過實驗室建設(shè)為學習者以及科研人員提供實踐空間與平臺。一方面，實驗室建設(shè)需要完善的高科技儀器設(shè)備與系統(tǒng)平臺，保證實驗過程的科學性與精確性，能夠由此得出正確的結(jié)論，提高科研人員的分析、診斷與解釋能力，獲得開發(fā)新技術(shù)的途徑。另一方面，要建立專項實驗室，每一個實驗室要保持環(huán)境的封閉性與獨立性，針對某個方向而設(shè)立實驗室主題，以此保證運動生物力學學科發(fā)展的有序性與戰(zhàn)略性。

4 結(jié)語

綜上所述，在我國運動生物力學學科的研究發(fā)展進程中，目前還存在一些不足與缺陷，在一定程度上阻礙并影響了該學科的建設(shè)與創(chuàng)新。對此，需要針對肌肉力學、測量方式、力學模型與運動仿真以及教材體系等方向提出創(chuàng)新研究的發(fā)展思路，并通過應(yīng)用基礎(chǔ)研究、科研人員培訓(xùn)、課程體系建設(shè)以及實驗室建設(shè)等路徑，實現(xiàn)運動生物力學學科的可持續(xù)發(fā)展。

（作者單位：廣州華立科技職業(yè)學院）