廣東工業(yè)大學(xué)體育部 陳澤全

我國(guó)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究方法、測(cè)量手段的現(xiàn)狀及其展望

廣東工業(yè)大學(xué)體育部 陳澤全

隨著科技的發(fā)展,運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)這門比較年輕的學(xué)科,正在伴隨著它的進(jìn)步而不斷發(fā)展。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)不僅僅在競(jìng)技體育領(lǐng)域中發(fā)揮了重要的作用,推動(dòng)了體育的不斷前進(jìn),在日常生活中,運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)同樣起著積極的作用。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究方法及測(cè)量手段是這門學(xué)科中很重要的一個(gè)內(nèi)容,科技的進(jìn)步同樣促進(jìn)了研究方法與手段的更新與發(fā)展。

運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究方法測(cè)量手段

運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)是一門理論性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的科學(xué)。它是解剖學(xué)、生理學(xué)、力學(xué)的理論與體育運(yùn)動(dòng)實(shí)踐相互交叉、融合后產(chǎn)生的一門新的綜合性學(xué)科。在我國(guó)的發(fā)展只有四五十年的歷史。直到70年代后期,隨著體育科學(xué)的全面進(jìn)步和高科技的滲入,運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)才真正活躍起來(lái),并迅即發(fā)展成為體育科學(xué)體系中最體現(xiàn)現(xiàn)代高科技水平的學(xué)科之一。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展,運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)一方面可以利用比較先進(jìn)的儀器設(shè)備和科研方法為教練及運(yùn)動(dòng)員服務(wù),幫助他們?nèi)〉脙?yōu)異成績(jī);另一方面還可在全社會(huì)進(jìn)行推廣,為全民健身服務(wù)。

研究方法的研究作為學(xué)科研究的重要內(nèi)容,對(duì)推進(jìn)學(xué)科的發(fā)展起到至關(guān)重要的作用,對(duì)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)這樣一門理論與實(shí)踐交叉緊密的學(xué)科,就更是如此。

一、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)及研究方法概述

運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)是運(yùn)生物力學(xué)的一門學(xué)科分支,從屬于生物物理學(xué)。它的力學(xué)基礎(chǔ)是經(jīng)典力學(xué)和材料力學(xué),其生物學(xué)基礎(chǔ)是人體運(yùn)動(dòng)器系的機(jī)能解剖學(xué)和神經(jīng)控制論。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究?jī)?nèi)容主要是體育運(yùn)動(dòng)中的人體運(yùn)動(dòng)問題,在各種條件下運(yùn)動(dòng)的力學(xué)原因、生物學(xué)原因及運(yùn)動(dòng)行為的力學(xué)特征。一個(gè)完整的運(yùn)動(dòng)行為包括一系列動(dòng)作及由這些動(dòng)作相互聯(lián)結(jié)、相互制約所構(gòu)成的有機(jī)聯(lián)系的動(dòng)作系。這些聯(lián)系包括運(yùn)動(dòng)形態(tài)的結(jié)構(gòu)聯(lián)系,動(dòng)作目的的機(jī)能聯(lián)系,服從于意識(shí)的隨意聯(lián)系和非隨意的本能聯(lián)系。所有這些聯(lián)系把運(yùn)動(dòng)過程中的各個(gè)動(dòng)作組合成功能協(xié)調(diào)的動(dòng)作系直至完整的運(yùn)動(dòng)行為。因此,運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的第一任務(wù)就是研究人體動(dòng)作結(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)功能之間的相互關(guān)系。運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的第二任務(wù)便是研究運(yùn)動(dòng)技術(shù)的優(yōu)化問題,即:運(yùn)動(dòng)動(dòng)作系的優(yōu)選問題。這包括兩個(gè)相互銜接的部分,建立優(yōu)化的動(dòng)作結(jié)構(gòu)方案和制訂實(shí)現(xiàn)這種動(dòng)作結(jié)構(gòu)的優(yōu)化技術(shù)方案。這除了選擇并設(shè)計(jì)訓(xùn)練手段和內(nèi)容外,還應(yīng)研究并制作用以發(fā)展運(yùn)動(dòng)功能的輔助訓(xùn)練實(shí)施和練習(xí)器。主要任務(wù)是運(yùn)用力學(xué)方法使復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)學(xué)化的技術(shù),對(duì)人體運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行客觀而量化的描述、解釋和評(píng)價(jià),進(jìn)而為運(yùn)動(dòng)技術(shù)的合理性選擇和設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。

運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究方法基本沿用理論物理學(xué)和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的研究方法,研究對(duì)象主要是比較復(fù)雜的活體運(yùn)動(dòng),這種運(yùn)動(dòng)是不遵守或不完全遵守牛頓運(yùn)動(dòng)力學(xué)的規(guī)律,這些活體系統(tǒng)是多變系統(tǒng),具有多輸入-多輸出的特性,每個(gè)輸入、每個(gè)輸出都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響;活體系統(tǒng)的參數(shù)大多是時(shí)變的,具有“漲落性”和“不可重復(fù)性”,并且這系統(tǒng)是多層次多級(jí)控制系統(tǒng),運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究也是非常困難。

伯恩斯坦(NicholaSBemstein)主張用神經(jīng)控制論的理論研究人體運(yùn)動(dòng),創(chuàng)立了關(guān)于人體動(dòng)作的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析方法。阿瑪爾和艾夫特曼(Elftman)主張從人與環(huán)境間的相互關(guān)系研究運(yùn)動(dòng)效率,建立了人體能量學(xué)研究方法。此外,還有以無(wú)限小、連續(xù)性、決定型的分析為主的牛頓分析數(shù)學(xué)方法和對(duì)時(shí)間或空間大樣本觀測(cè)值進(jìn)行分析的數(shù)理統(tǒng)計(jì)法。建立在多剛體系力學(xué)理論框架下的人體騰空運(yùn)動(dòng)描述方法和對(duì)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)過程采用的層次因素分析方法等等。

現(xiàn)代控制論的奠基人維納曾提出“黑箱”的概念,用以研究系統(tǒng)內(nèi)元件及其作用機(jī)理未知,但其輸入-輸出關(guān)系可被測(cè)量或確定的系統(tǒng)。這種被稱為“走出系統(tǒng)”的研究方法特別適合對(duì)活體系統(tǒng)的生物力學(xué)研究。比如在特定的實(shí)驗(yàn)中,可采用控制條件,對(duì)活體系統(tǒng)進(jìn)行孤立或分離的辦法,設(shè)法使多個(gè)輸入中只有一個(gè)輸入為變量,盡量使其它輸入保持不變。在多個(gè)輸出中只測(cè)定一個(gè)特定的輸出,對(duì)其它輸出則設(shè)法予以抑制,同時(shí)盡可能切斷反饋回路,人為地使一個(gè)多變量多回路閉環(huán)系統(tǒng)暫時(shí)變?yōu)閱巫兞块_環(huán)系統(tǒng)。為了避免非線性的困難,可以采用“小訊號(hào)”技術(shù),使系統(tǒng)變量在線性范圍內(nèi)變化。為了避免系統(tǒng)的時(shí)變性,可以提高實(shí)驗(yàn)操作速度、縮短測(cè)量過程。在這樣控制條件下的研究之后,再用同樣控制條件的方法對(duì)該系統(tǒng)的其它輸入-出進(jìn)行研究。最后,對(duì)這些關(guān)系進(jìn)行分析綜合,便可能對(duì)活體系統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和作用機(jī)理達(dá)成某種程度的認(rèn)識(shí),并基于這種認(rèn)識(shí)建立一定條件下的結(jié)構(gòu)模型和數(shù)學(xué)模型。

二、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的測(cè)量技術(shù)

德國(guó)著名學(xué)者鮑曼認(rèn)為:“運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究以力學(xué)參數(shù)測(cè)量為基礎(chǔ),這些參數(shù)應(yīng)能表征人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和特征?！备鶕?jù)測(cè)量參數(shù)的自然屬性可將運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)測(cè)量技術(shù)分為:運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)測(cè)量技術(shù),如測(cè)量時(shí)間、位移及導(dǎo)出的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù);動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)量技術(shù),如測(cè)量時(shí)間、質(zhì)量、力及導(dǎo)出的動(dòng)力學(xué)參數(shù);生物學(xué)測(cè)量技術(shù),如人體形態(tài)學(xué)測(cè)量方法、人體重心測(cè)量方法、肌電測(cè)量方法等。

進(jìn)入2000年以來(lái),我國(guó)共舉辦了3屆全國(guó)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)會(huì)議和一屆世界運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)會(huì)議,這極大的促進(jìn)了我國(guó)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的發(fā)展。查閱相關(guān)的文獻(xiàn),通過對(duì)近三屆全國(guó)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)會(huì)議報(bào)告論文中研究方法與測(cè)試手段進(jìn)行比較(如表1),我們可以發(fā)現(xiàn)隨著我國(guó)科技的進(jìn)步,生物力學(xué)測(cè)量方法與手段有了長(zhǎng)足的進(jìn)步:

表1 近三屆全國(guó)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)會(huì)議論文研究方法與手段統(tǒng)計(jì)表

(1)運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)試手段由過去的以高速攝影分析為主,發(fā)展到以攝像分析為主;攝像分析由平面到立體、由一維發(fā)展到三維,并以三維為主。高速攝像機(jī)的出現(xiàn)使得研究精度有了明顯的提高,影像解析理論也由簡(jiǎn)單的取比例尺來(lái)確定空間運(yùn)動(dòng)平面的長(zhǎng)度,發(fā)展到運(yùn)用DLT進(jìn)行二維坐標(biāo)向三維坐標(biāo)的變換以及定點(diǎn)三維正交變換和跟蹤攝影的三維坐標(biāo)換算;攝像由低速發(fā)展到高速,甚至用紅外攝像分析。由于測(cè)試方法與手段的進(jìn)步,拓寬了運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究領(lǐng)域,使研究層次逐步深入。有人采用紅外光點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)和平面攝影對(duì)受試者走路姿勢(shì)和競(jìng)走姿勢(shì)進(jìn)行測(cè)試,對(duì)競(jìng)走轉(zhuǎn)髖動(dòng)作的有效性進(jìn)行了評(píng)價(jià),紅外光點(diǎn)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)學(xué)指標(biāo)實(shí)驗(yàn)室中的快速反饋。

(2)動(dòng)力學(xué)測(cè)試手段主要表現(xiàn)以三維測(cè)力平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)測(cè)量分析為主,同時(shí)各種等速測(cè)試系統(tǒng)對(duì)不同人群的測(cè)試分析與研究發(fā)展迅速,并取得了可喜的成果。足底壓力測(cè)試系統(tǒng)可測(cè)出運(yùn)動(dòng)員足底的受力情況,得出運(yùn)動(dòng)時(shí)足底受力作用的時(shí)間特點(diǎn),力隨時(shí)間變化的特點(diǎn),力的分布特點(diǎn)等。

(3)同步研究還是以攝像與測(cè)力系統(tǒng)的同步研究為主。現(xiàn)代三維攝像系統(tǒng),三維測(cè)力系統(tǒng)以及攝像、測(cè)力同步系統(tǒng),使得對(duì)人體運(yùn)動(dòng)的外部力學(xué)性狀的認(rèn)識(shí)能在三維空間上建立起比較清晰的圖像,再加上肌電測(cè)量系統(tǒng)的同步,以類似“黑箱”的方式建立肌電與肌力間的關(guān)系,并探究人體行為的內(nèi)部機(jī)制與外部性狀之間的聯(lián)系方面,取得了一定的成果。但綜合高水平、多方位的同步研究相對(duì)較少,其瓶頸是缺乏各種高水平儀器設(shè)備的通用接口和準(zhǔn)確同步技術(shù)的滯后。

(4)實(shí)驗(yàn)法:實(shí)驗(yàn)研究是人們按照研究的目的,利用科學(xué)儀器、設(shè)備,人為地控制對(duì)象,排除干擾、突出主要因素,在有利的條件下研究自然規(guī)律的方法,是更深層次的研究。

(5)理論分析方法:其研究?jī)?nèi)容涉及方法學(xué)內(nèi)容的介紹、國(guó)內(nèi)外學(xué)科發(fā)展綜述、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的教學(xué)研究、生物力學(xué)原理在不同領(lǐng)域的應(yīng)用等,研究?jī)?nèi)容和領(lǐng)域較為廣泛和深入。

(6)機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)技術(shù)的介入將全面提升我國(guó)體育科學(xué)研究及運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練的數(shù)字化程度,特別在儀器系統(tǒng)研發(fā)中發(fā)揮了重要作用。

三、研究方法及測(cè)量手段的發(fā)展趨勢(shì)

1.運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究方法的展望

技術(shù)測(cè)試研究方法向著適合于各個(gè)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目需要、能現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)反饋測(cè)試分析結(jié)果的儀器設(shè)備與方法以及提供詳細(xì)測(cè)試分析報(bào)告的儀器設(shè)備與方法兩條并行的途徑發(fā)展。三維跟蹤攝像的測(cè)量方法將推廣并得到普及,攝影、攝像精確度逐步提高,影像測(cè)量點(diǎn)識(shí)別、采集的自動(dòng)化,測(cè)量技術(shù)、遙測(cè)技術(shù)和肌肉動(dòng)力學(xué)測(cè)量技術(shù)(包括離體或在體肌肉動(dòng)力學(xué)測(cè)量過程)在今后將有重要發(fā)展,主要趨向遙測(cè)無(wú)線部分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)射與數(shù)據(jù)采集裝置的小型化和測(cè)量過程及結(jié)果分析的快速化。訓(xùn)練、測(cè)試方法手段不斷創(chuàng)新。

2.測(cè)量方法研究

隨著測(cè)量方法的不斷改進(jìn),平面影像解析已經(jīng)發(fā)展到普遍采用的三維影像解析,不太方便的高速攝影已經(jīng)有了更高級(jí)的高速攝像所代替,慢速的手工數(shù)字化過程也有了光點(diǎn)實(shí)時(shí)采樣系統(tǒng)的快速反饋,簡(jiǎn)單的測(cè)力板被Kistler一類的高精度三維測(cè)力臺(tái)所取代,單功能的測(cè)力器已變成了液壓驅(qū)動(dòng),電腦控制的Cybex一類力量診斷與評(píng)價(jià)系統(tǒng)。高速攝影、攝像測(cè)量、動(dòng)態(tài)測(cè)力、肌電測(cè)試等是目前運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的主要測(cè)試方法,在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一個(gè)時(shí)期內(nèi)仍是主要測(cè)試手段,但由于科技水平的不斷發(fā)展,測(cè)試方法也將不斷完善和發(fā)展,測(cè)試方法在新世紀(jì)有望取得顯著進(jìn)展。

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