基于動態(tài)評價的騎行服研究進展

解丹丹，王燕珍

(上海工程技術大學 紡織服裝學院，上海 201620)

0 引言

隨著綠色出行的倡導和全民健身的提倡，自行車正以多種形態(tài)出現(xiàn)在生活中，無論是共享單車還是個人自行車的使用，頻率都很高，有著龐大的騎行用戶和發(fā)展?jié)摿?。騎行服在運動過程中充當著保護作用，減緩肌肉的疲勞。對于騎行者而言，騎行褲需要具備的功能是安全性和舒適性。運動中的壓力舒適性、皮膚延伸量以及面料的力學性能都能對結構設計產(chǎn)生影響作用[1]。本文將從騎行動作分析入手，闡述在騎行過程中的各部位的壓力分布，以及拉伸情況，為騎行服優(yōu)化提供理論參考。

1 騎行動作分析

騎行運動是一項人體與自行車設備結合的過程，上肢運動幅度小，靠著下肢帶動踏蹬做循環(huán)周期運動。騎行運動借助的是髖關節(jié)、膝關節(jié)、踝關節(jié)等和肌肉群的結合的力量，為自行車提供驅(qū)動力矩[2]。有專家指出正確的騎行姿勢:坐墊的角度需要保持大致水平，鼻端可以略低一點，可以減輕上坡時胯下部位的壓力；坐墊高度與膝蓋和腳的施力息息相關，坐墊過高導致重心過高，有一定的危險性，過低會使腿部伸展不開，踏蹬處于最低點時膝蓋自然彎曲是正確的坐墊高度；騎行時要求背部脊椎盡量保持筆直，并非豎直，從臀部開始保持前傾的姿勢，脖子自然挺直。

騎行動作的分解圖如圖1。腳在踏蹬上轉動的過程可以分解為不同角度的動作，處于0°的時候，踏蹬在矢狀面的最高點，是騎行中的上死點從力學角度來講，當踏板位于這一位置是，腳部的力方向與曲柄重合，該力沒有力臂也不做工[3]；踏蹬處于45°時，是騎行開始的最佳位置；踏蹬處于180°時，處于騎行中的下死點。0°至90°是騎行做功效率增加的階段，做工效率減退是90°至180°。關于蹬踏過程中存在的死點問題，0°和180°并非絕對意義上的上下死點，騎行過程中的0°和180°仍會受力，此時腳與踏板的角度也并非直角。因此，位于0°和180°時依舊做功。另外騎行過程中的機械圓周運動和環(huán)境表現(xiàn)存在差異，不同的蹬踏條件會產(chǎn)生不一樣的死點。

圖1 騎行動作分解

2 運動機能評價

不同負荷情況下的騎行對人體會產(chǎn)生不同效應的生理變化，可以通過機能指標對被試者進行運動機能評價。身體的機能評定應是一個多指標、多層次、多因素的綜合評定體系[4]。運動機能的評價可以作為運動評價與監(jiān)控狀態(tài)的依據(jù)，評定運動效果的依據(jù)，甚至可作為生長預測的依據(jù)。此外，運動機能評價具有可測性原則、易測性原則、適時性原則、綜合性原則以及長期性原則。訓練中的運動機能評定分為生化監(jiān)控常用指標、代謝能力評定、身體機能生化綜合評定。

2.1 生化監(jiān)控常用指標

在運動機能評定中，常用的生化指標有血乳酸、血紅蛋白、血睪酮、血清CK、血尿素、尿肌酐、尿蛋白等[4－5]。血乳酸被稱為“訓練標尺” ，可用來評價運動強度，血乳酸峰值的時間點與訓練強度、間歇時間及個體差異相關，運動強度越大，峰值越晚出現(xiàn)；可評價無氧供能能力，最大血乳酸濃度與運動成績之間具有相關性；可以用來評價有氧運動能力，常用乳酸閾指標。血尿素與人體運動時的機能狀態(tài)、疲勞度及負荷大小有關。通常30 min內(nèi)的運動血尿素變化較小，只有時間上、強度大的運動才會造成明顯的變化。

2.2 代謝能力評定

代謝能力評定分為磷酸原供能系統(tǒng)評定，糖酵解供能系統(tǒng)評定，有氧供能系統(tǒng)評定。其中有氧供能是人體長時間運動時的主要供能途徑，有氧供能能力的高低決定長時間運動的能力，常用乳酸閾和最大攝氧量(VO2max)[6]來評定有氧供能能力，最大攝氧量可通過12 min測試法測得，計算公式如下。

式中:D12為12min跑的距離

2.3 身體機能生化綜合評定

Florian等[7]通過研究發(fā)現(xiàn)壓縮服減少了跑步和騎車后的肌肉酸痛，在耐力過程中以及運動后的肌肉氧合有所改善。運動時影響身體機能有多種因素，僅僅靠單項指標并不能準確地評定運動時的機能狀態(tài)，每一指標具有單一的指向因素。因此，為了評定出準確的機能狀態(tài)，可采用多指標、多因素的整體評定法。

3 騎行服對人體的影響分析

對騎行服產(chǎn)生直接影響的兩個關鍵因素是設計和面料[8]。面料是典型的二維平面，而人體卻是具有復雜曲面結構的三維組合體，二維面料附著在三維組合體表面必然會產(chǎn)生影響[9]，人體體型的身體曲率、脂肪含量、運動幅度和軟組織結構等因素都會影響服裝的穿著舒適性[10]。

3.1 服裝壓

服裝壓力可以分為垂直方向和水平方向。垂直方向是由服裝本身的重量形成的，當人體的活動范圍產(chǎn)生滑移而造成面料伸長，這一伸長力在法向上的分力就是水平方向的壓力，二者形成了對人體的壓迫感，如圖2。

圖2 服裝壓力分析

有研究表明，在運動過程中，服裝給人體一個合適的壓迫，會產(chǎn)生積極作用，可以減少肌肉的振幅和疲勞度，延緩肌肉的疲勞速率，相應地，若壓力過大，對肌肉產(chǎn)生的是消極影響，會加速肌肉的疲勞。

服裝的壓力舒適性是評價舒適性的重要指標之一，縱觀總體的服裝壓領域的研究發(fā)展趨勢，從前人的服裝壓測量轉變?yōu)榉b壓預測；從靜態(tài)測量轉變?yōu)閯屿o態(tài)結合測量；從傳統(tǒng)單一的測量工具轉變?yōu)榕c計算機技術相結合[11]。其發(fā)展過程可概括為以下階段，如圖3。

圖3 服裝壓的發(fā)展過程

由于技術的缺乏和限制，早期的發(fā)展時間較長，處于一個對服裝壓進行探索的階段，對服裝壓的原理進行研究，定義其概念；中期發(fā)展集中在靜態(tài)時的主客觀壓力值的測定上，及分析其影響因素；近期發(fā)展結合了動態(tài)力學，運用假人、有限元模型等在壓力分布和預測上有了進一步的研究。

近年來，關于騎行中下肢壓力的研究，2014年，賈瑤[12]通過對B型女子穿著正常尺寸騎行褲進行靜態(tài)動態(tài)壓力測試，發(fā)現(xiàn)確實存在壓力值超過舒適范圍，主要表現(xiàn)在臀腹部、腰部前后以及大腿前后部位，為非標準體型的騎行褲優(yōu)化起到指導作用。

2016年，駱順華等[13]為了研究周期騎行運動過程中下肢動態(tài)壓力變化規(guī)律，使用日本AMI3037壓力測試儀，將一個騎行周期分解成12個離散動作，實驗結果表明:右踏板處于0~30°位置時，8個測量點動態(tài)壓力最大；最小動態(tài)壓力右踏板位于150°~180°的騎行姿勢，其中大腿前中、大腿后中股內(nèi)側肌末端與股外側肌末端的動態(tài)壓力波動與對應肌肉拉伸量有很大相關性；腹部與臀部動態(tài)壓力變化幅度很?。凰形恢脛討B(tài)壓力隨樣褲松量遞減而線性增加。

2018年，張同會[14]選擇了兩種品牌的騎行褲，針對人體站立和騎行過程中的壓力值選擇了14個測試點，發(fā)現(xiàn)在騎行狀態(tài)下的壓力值是靜態(tài)站立的2倍，且當右踏板位于0~45°時，測試點的壓力值普遍最大。

2019年，黃倩[15]在研究基于服裝壓和皮膚血流量的緊身褲舒適性中，運用主客觀綜合評價法確定緊身褲各部位的舒適壓范圍，各部位的服裝壓力上限為膝蓋骨中點>小腿中圍后中點>大腿中圍前中點>腹突點>臀突點。

從前人的研究文獻中可以發(fā)現(xiàn)不同品牌的騎行褲產(chǎn)生的壓力存在差異，但可以發(fā)現(xiàn)騎行中壓力主要分布在前腰中點、后腰中點、大腿后中點、膝蓋、臀凸點等部位，其中壓力最大的是腰部，在3kpa~4.5kpa之間，根據(jù)人體服裝壓舒適范圍(表1)，劇烈運動下腰部的舒適范圍大約為6.36kpa~7.86kpa，大于騎行褲的腰部壓力；小腿中點的壓力在1kpa~2kpa之間，符合服裝壓舒適范圍。

表1 人體服裝壓舒適范圍

3.2 肌電

表面肌電信號是淺層肌肉和神經(jīng)干上電活動在皮膚表面的綜合效應，在一定程度上，表面肌電可以用來反映肌肉的活動狀態(tài)。郭紅生等[16]在固定功率的情況下測試得出在股內(nèi)側肌和股外側肌的AEMG幅值一直是最高的，提示這是騎行中主要用力的兩塊肌肉，同時MF指標單調(diào)下降與主要用力肌肉密切相關，即疲勞也會往往最先出現(xiàn)。

常用的表面肌電的分析方法有時域頻域分析法、時域聯(lián)合分析法[17]等。時域分析法常用的指標有均方根值(RMS)和平均積分肌電值(iEMG)等，以此來分析隨著時間的振幅特征變化，但有些信號在時域上很難看出變化，需要轉換到頻域觀察其變化。FFT是離散傅里葉變換的快速算法，可以將信號的頻譜提取出來，轉換為功率譜，常被用于頻譜分析，常用的指標有平均功率頻率(MPF)和中位頻率(MF)。表面肌電信號會受到肌力變化、疲勞等因素的影響，肌力的變化和疲勞程度對頻率和振幅的影響不具有同一性，為了更清晰地總結肌肉的情況，有學者總結出以下的幅頻聯(lián)合分析圖，如圖4，當肌力增大時，頻率和振幅同步增大；當肌力減小時，頻率和振幅同步減?。划敿∪猱a(chǎn)生疲勞感時，振幅增大，但頻率減??；當肌肉在恢復狀態(tài)時，振幅減小，但頻率反而增大。

圖4 幅頻聯(lián)合分析

3.3 服裝壓對肌電影響

關于騎行服裝壓力對肌肉疲勞的影響，2019年，程寧波[18]比較了男子低中高等壓力的騎行褲，發(fā)現(xiàn)中高等壓力在中后期的表面肌電信號影響較明顯，低等壓力無明顯變化，證實了適當壓力對肌肉疲勞有緩解作用。2019年，陳曉娜等[19]發(fā)現(xiàn)運動疲勞出現(xiàn)的時間主要集中在中后期，且褲裝壓力對肌肉疲勞的作用會因部位而異。2020年，沈云萍[20]對騎行賽中服裝壓力對肌肉表現(xiàn)影響做了研究，總結出壓力越大，肌肉得束縛也越大，一定程度上促進MF和RMS的增長，在后期減小振幅，延長運動時長，但壓力對于主要發(fā)力肌肉起到束縛作用。

根據(jù)前人的學術研究來看，穿著騎行褲站立時的靜態(tài)壓力比騎行中的動態(tài)壓力要小很多，騎行中下肢動態(tài)的壓力值會根據(jù)踏板的角度不同而產(chǎn)生差異，并且騎行中0°、30°、45°、150°、180°等是測量壓力值中幾個重要的角度點，所以對于連續(xù)騎行中的動態(tài)壓力研究是有必要的，騎行褲也應根據(jù)不同部位做出對應的松量大小調(diào)整。

4 騎行過程皮膚拉伸

在選擇騎行褲的面料時，面料的彈性是一項重要的考量因素，騎行中尤其下肢的皮膚反復收縮，褲子的松量以及彈性拉伸程度需要滿足皮膚的拉伸范圍，騎行運動中腿部、腰部、臀部運動激烈，容易造成皮膚拉伸，帶動貼身面料變形。因此，皮膚拉伸狀況是值得研究的一項因素。

2013年，楊娟等[21]根據(jù)騎行動作的分析對騎行褲進行結構優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)其中腰圍、臀圍、前襠、后襠和腿長的變化量較大，而腹圍、大腿根圍、膝圍和小腿中圍的變化量較小。但膝關節(jié)的變化幅度大，結構上應對膝蓋的前片加長，后片收省，以減少面料堆積。[22]

2016年，黃莉等[23]采用三維運動捕捉系統(tǒng)研究了騎行姿態(tài)下腿部的拉伸大小，發(fā)現(xiàn)主要集中在大腿外側和膝蓋區(qū)域，小腿內(nèi)側的腓腸肌的縱向拉伸最為明顯，并且最終確定了4個拉伸的關鍵姿勢，分別是0°，54°或256°，219°和180°。2016年，王永榮等[24]采用人體貼線法針對上坡、平地、下坡這三種路況分別測試4個關鍵騎行動作進行分析，結果表明騎行中上半身基本呈收縮狀態(tài)，后背隆起呈拉伸狀態(tài)，但變化率不足5%，腰圍到小腿圍總長呈收縮狀態(tài)，變化較??；在下坡中肩寬的縮小程度最大，達14.26%，背寬在平坡和上坡中變化率在25%以上；腰圍在騎行中增大，在下坡中腰圍變化最大，上坡時最小。此外，胸圍、大小腿圍基本不變。

2017年，駱順華[25]采用凝膠拓印法對騎行中男子下肢的皮膚進行研究，得出腹部的形變率達到－29%，腹股溝的形變達到－13%，大腿前中的形變率達到10.7%，膝蓋的縱向變化率比橫向要大許多，大腿后中的形變率最小，膝窩的縱向變化率為－35.1%，橫向變化率為－28%，并且建議膝蓋和膝窩的部位考慮分割設計，給下肢足夠的松量活動。

2018年，陳子豪等[26]在探究下肢各部位皮膚在騎行中的變化方向和大小時，發(fā)現(xiàn)下肢帶皮膚的主要路線是腰部—臀部—腿部，尤其腿部用力肌肉變化較明顯。2020年，王二會[27]在對騎行動作下的緊身褲版型進行優(yōu)化時，通過體表畫線法分析得出，前腰橫向拉伸，向收縮較大，后腰縱向拉伸較大；臀部拉伸狀態(tài)較大；大腿前部橫向拉伸，后部橫向收縮縱向拉伸，前后、橫縱向呈相反趨勢；小腿后部橫向拉伸大，前部縱向收縮；正面大腿、膝部、小腿內(nèi)側橫縱向拉伸形變基本一致。表2是部分人體部位在騎行過程中的形變率。

表2 部分人體部位的變化率

關于騎行中下肢拉伸的研究有多種姿勢分解和路況分解，測量方法也有多種，如體表畫線法、人體貼線法、三維運動捕捉法、石膏法[28]、凝膠拓印法等，即便最終結果存在差異，但從總體上可以歸納出人體的拉伸情況。騎行中上半身受路況影響較大，基本呈收縮狀態(tài)，但形變量較小，背寬在平坡和上坡中比下坡變化大，腰圍在下坡中變化大；下肢各部位的尺寸拉伸形變復雜且差異性較大[29]，臀部、膝蓋、小腿內(nèi)側的腓腸肌拉伸較明顯，腹部、膝窩等收縮較明顯，膝窩的縱向比橫向的變化率大[30]。吳玉琴等[31]認為織物的拉伸比不能滿足人體運動時的伸展變化，在版型和舒適性上有所缺陷。

5 結論

根據(jù)騎行動作的分解，一個循環(huán)里的0°、45°、90°、150°、180°是幾個重要的角度點，并且也是壓力測試的重要點，其中0°~45°是騎行周期中壓力最大的部分，可以將這部分測試值作為壓力優(yōu)化的臨界值，腰部的壓力值較大，可以適當減輕騎行褲對腰部的壓迫感，但松量不能過小，過小會導致失去功能性，適當?shù)膲毫梢詼p緩肌肉疲勞，且壓力大小與尺寸規(guī)格呈負相關。騎行中的動態(tài)壓力比靜態(tài)壓力大很多，但各部位的變化趨勢基本一致[32]。根據(jù)騎行中拉伸情況的分析，臀部、大小腿內(nèi)側的橫縱向的拉伸較明顯，運動中對應的部位也會被繃緊，由于騎行中的拉伸變化不存在一定的規(guī)律，所以只能通過面料的彈性來改善。建議在臀部以及大小腿內(nèi)側等部位提供氨綸含量，或者采用彈性好的面料組織結構。

目前關于騎行服的研究內(nèi)容主要是服裝壓、表面肌電、皮膚拉伸這三方面，且服裝壓依然是騎行服中的重要研究內(nèi)容。近年來，更多的學者逐漸往服裝壓與肌電之間的影響、服裝壓與皮膚表面拉伸情況之間的影響等研究方向轉變，并不止于單方面的服裝壓、肌電或者拉伸的研究。此外，關于騎行服的研究，與其他領域例如運動力學、生物力學等結合也會成為熱門趨勢。