劉 宇，李海鵬，劉翠鮮，田石榴，井蘭香，孫明運

基于神經(jīng)肌肉功能訓練理論與方法的新型訓練器械的研發(fā)與應用

劉 宇1，李海鵬1，劉翠鮮1，田石榴1，井蘭香2，孫明運3

無論是優(yōu)異的運動成績，還是良好的鍛煉效果，都離不開科學的訓練方法與訓練器械。鑒于當前傳統(tǒng)的訓練方法無法完全滿足神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的多樣性適應要求，針對性地開展了基于神經(jīng)肌肉功能訓練理論與方法的新型訓練器械的研發(fā)。首先，本著避免運動損傷的同時達到最大肌力與爆發(fā)力雙重提升的目的，將超等長訓練與重量訓練相結合，研發(fā)了負重超等長訓練方法與器械。其次，為了提高核心力量與肌肉協(xié)調能力，在充分利用人體對不穩(wěn)定性的控制基礎上，研發(fā)了慣性啞鈴和慣性杠鈴。這些新訓練方法與器械的引入，對于提升運動訓練過程中神經(jīng)肌肉力量及功能的訓練效果產(chǎn)生積極的作用。

神經(jīng)肌肉功能；負重超等長訓練系統(tǒng)；慣性啞鈴；慣性杠鈴

通過科學訓練提高運動員乃至運動健身者的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)功能，已成為當前競技體育與全民健身關注的熱門課題之一。力量素質不僅是身體素質的重要組成部分，更是運動技能得以展現(xiàn)的基礎保障。根據(jù)肌肉力量的一般表現(xiàn)形式，肌肉力量可以劃分為最大力量、爆發(fā)力和肌耐力[16]。長久以來，負重訓練(Weight Training，WT)以個人體重或者器械進行的漸進式動作作為肌肉力量訓練的主要手段，被認為是增加最大力量的有效方法。然而，Bloomfield等人[9]以優(yōu)秀水球運動員為研究對象，觀察肌肉力量與投擲速度的關系時指出，傳統(tǒng)的阻力訓練顯著增加了最大力量，投擲速度卻沒有產(chǎn)生變化，因而對爆發(fā)力的增加有限。Rutherford等人[23]的研究結果也指出，在為期12周的下肢阻力訓練后，增加了蹲舉重量，卻并未增加Wingate無氧功率測試中所測得的峰值功率。因此，傳統(tǒng)的阻力訓練單純依賴向心、離心收縮的訓練方式，產(chǎn)生神經(jīng)適應和肌肉適應機制，可有效增加最大力量，但卻不能十分顯著地增加肌肉的爆發(fā)力，因而，無法滿足實際比賽的需要[14,15,26]。

在多年的運動訓練實踐中，教練員們創(chuàng)造了多種多樣發(fā)展肌肉力量的方法以作用于某塊肌肉或某些肌群，進而通過增加肌肉生理橫截面積和改善肌肉內協(xié)調能力來增加肌肉力量。這些傳統(tǒng)方法在常規(guī)訓練中雖然取得了一定的成效，但也存在著局限性。鑒于神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的活化水平對于肌肉力量的提升具有重要的作用，那么，要想產(chǎn)生新的突破性運動適應，就需要在實際訓練中不斷增加訓練方式、訓練強度及訓練量的可調節(jié)性[8]。然而，遺憾的是，傳統(tǒng)的訓練方法無法有效的滿足上述需要。因此，本文在前人已有研究的基礎上提出了神經(jīng)肌肉功能訓練方法，從體育工程的視角研發(fā)出新型訓練器械，以期在豐富運動訓練理論的同時提供科學的訓練方法與器械。

1 總體理論背景及研發(fā)思路

神經(jīng)性適應在力量訓練過程中發(fā)揮著重要作用。神經(jīng)系統(tǒng)通過改變激活運動單位的數(shù)量或者改變激活運動單位的程度來調節(jié)肌肉力量的大小，肌力增加決定于運動單位的活化或募集的多少和被激活運動單位的發(fā)放頻率的高低，或者是兩者共同作用的結果。實際上，神經(jīng)肌肉系統(tǒng)在肌肉力量調節(jié)過程中存在著興奮與抑制這兩個神經(jīng)控制回路(圖1)。在運動訓練過程中，高級中樞可以通過α-運動神經(jīng)元(Motor Neurcn,MN)自主支配或刺激肌肉產(chǎn)生一定的肌肉力量以克服負荷，當肌肉負荷受到干擾的時候能夠引起肌肉長度的改變，進而導致牽張反射，使得梭內肌興奮并刺激肌梭而產(chǎn)生一個具有正向強化循環(huán)特征的興奮神經(jīng)控制回路，增大肌肉收縮力量；當肌肉收縮的力量過大時，就會引起高爾基腱器發(fā)生腱反射，從而抑制α-運動神經(jīng)元興奮，并阻礙肌肉收縮，產(chǎn)生一個具有負向調節(jié)循環(huán)特征的抑制神經(jīng)控制回路，減弱肌肉收縮力量。如何利用神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的這種即可保證最大的力量輸出，又有自我保護的功能，成為本團隊設計訓練器材時思考的重點。

在實際人體運動過程中，肌肉的功能作用比解剖學定義的更為廣泛，一塊單關節(jié)肌肉可以對它沒有跨過的關節(jié)產(chǎn)生作用，例如，比目魚肌在下肢伸縮時除了具有伸踝作用之外，還具有伸膝和伸髖的作用。而一塊雙關節(jié)肌肉可以在關節(jié)處產(chǎn)生與解剖學定義相反的作用，例如，腘繩肌在起跳時在膝關節(jié)產(chǎn)生屈膝力矩，但它的作用卻可以是伸膝，即在膝關節(jié)產(chǎn)生伸膝角加速度，這種現(xiàn)象又被稱作“肌肉功能依動作而定原理”[5,27]。因此，力量與體能訓練中所選取的訓練動作應盡可能與比賽中使用的實際動作相一致，訓練方法或訓練器械必須能夠激發(fā)雙關節(jié)肌的潛能。傳統(tǒng)的訓練方法無法良好地滿足神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的多樣性適應要求。為了解決最大力量與爆發(fā)力訓練方法及其實現(xiàn)，肌肉協(xié)調與核心力量的訓練等科學問題，本團隊開展了神經(jīng)肌肉系統(tǒng)功能訓練方法的研究與新型訓練器械的研發(fā)。

2 負重超等長訓練系統(tǒng)的研發(fā)與應用

2.1 研發(fā)背景

1968年，前蘇聯(lián)田徑教練員Yuri Verkhoshnski在沖擊式訓練法中提出的一種增強肌肉爆發(fā)力的訓練方法——Plyometrics Training(PT)，更能適應動態(tài)運動表現(xiàn)[25]。自此以后，相關學科確立了Plyometrics Training的理論基礎與訓練原則。

1984年，“Plyometrics Exercise”一詞被引用到國內的運動生理學界，并被譯為“超等長練習”。國外對Plyometrics 這個術語也有爭議，有使用Plyometrics的，也有認為應該稱為Ballistic Exercise[11]的，Plyometrics Training 就是 Stretch Shortening Exercise Ballistic Training[20]。本研究中將Ballistics、Plyometrics訓練都稱為“超等長訓練”。Kritpet[18]認為，超等長訓練Plyometrics的工作形式是預先牽拉肌肉，使肌肉快速伸展(離心收縮)后，肌纖維被拉長，立即做強而有力的快速收縮(向心收縮)的一種訓練形態(tài)，使最終的向心收縮階段能產(chǎn)生更強而有力的收縮的一種爆發(fā)力訓練方式。其生物學基礎在于：預先牽拉肌肉，肌梭感知肌肉的長度變化，使運動神經(jīng)元產(chǎn)生興奮，使梭外肌產(chǎn)生反射性收縮動作，獲得肌肉的牽張-縮短-循環(huán)(Stretch-Shortening-Cycle，簡稱SSC)和牽張反射特性的利益，牽張反射使運動單位活化的數(shù)目增加及激活的頻率增加[13]，并充分利用了肌肉被拉長后的彈性能[24]，從而增加了肌肉的收縮力量和收縮速度，肌肉能在短時間里產(chǎn)生更大的力量[17,19]。高爾基腱器的作用是降低肌肉張力，以保護肌肉因過度快速伸展以避免運動損傷[12]。預先牽拉肌肉的同時提高了高爾基腱器的閾值，從而提高了肌肉所能承受的負荷，當力量的耐受性提高時，將可產(chǎn)生更強的收縮和伸展[10]。

原地垂直縱跳(Counter Movement Jump,CMJ)和跳深(Drop Jump)等是下肢超等長訓練的常用方法，可以增強下肢運動速度和肌肉爆發(fā)力。單純的阻力訓練雖對增加最大肌肉力量效果顯著，但因訓練過程中肌肉收縮速度較慢，因而提高肌肉爆發(fā)力的效果不理想。要想在最短時間內發(fā)出最大力量，需要著重考慮兩個因素：力量和發(fā)力速度(maximum Rate of Force Development，mRFD)。傳統(tǒng)的力量訓練注重以提高最大力量這一因素來實現(xiàn)爆發(fā)力的提高，往往忽略了發(fā)力速度的訓練，使得力量訓練對于爆發(fā)力的提高存在一定的局限性。力量訓練僅適用于那些力量不足的運動員，而當運動員力量素質較好時，力量訓練對于爆發(fā)力的改善作用就微乎其微了。事實上，劇烈運動時所需的動作時間往往低于300 ms，在如此短暫的時間內，最大力量根本來不及完全發(fā)揮(圖2)。因此，與高負荷力量訓練相比，低負荷力量訓練經(jīng)由改善發(fā)力速度而提升爆發(fā)力的優(yōu)勢得以凸顯[15]。鑒于此，運動訓練實踐中迫切需要發(fā)展一種既能提高肌肉最大力量，又能同時提高發(fā)力速度的訓練方法。

負重超等長訓練(Plyometric Weight Training,PWT)具有堅實的理論背景，它融合了傳統(tǒng)的阻力訓練可有效增進力量及超等長訓練可有效增進動作速度的雙重優(yōu)點，可作為一種綜合提高力量與爆發(fā)力的訓練方法[1,3,7]。

圖 2 力量和發(fā)力速度在力-時間曲線上的差異示意圖

綜上所述，爆發(fā)力是現(xiàn)代競技運動的關鍵性要素。研究發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的重量訓練是提高最大力量的有效方法，但不是提高肌肉收縮速度和爆發(fā)力的最佳選擇。超等長訓練是目前提高動作速度、增加爆發(fā)力的常用訓練方法，但對最大力量的發(fā)展不足。負重超等長訓練作為一種新的爆發(fā)力訓練手段，從理論基礎上認為，既能增加最大力量，同時，又能增加爆發(fā)力，能產(chǎn)生良好的力量適應，但負重超等長訓練最佳負荷的控制和神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的適應機制需要深入研究。

2.2 研發(fā)思路

本團隊利用負重超等長訓練的理論與實踐，融合了傳統(tǒng)阻力訓練增加最大肌力和超等長訓練增加爆發(fā)力及動作速度的優(yōu)勢，成功解決了阻力訓練和超等長訓練的實際應用，將訓練的動作主體規(guī)定為連續(xù)負重蹲跳(即CMJ)。訓練時，肩扛適宜重量的杠鈴，儀器上方裝載的安全減速裝置將連續(xù)CMJ動作快速下落過程中杠鈴的重量產(chǎn)生的沖擊力減少70%。訓練過程強調在適當負重條件下，整個向心收縮期的動作過程必須快速且無減速制動期，并在向心末期蹬離地面。

該系統(tǒng)是一種帶電腦控制的具有減速裝置的負重超等長訓練系統(tǒng)，負重超等長訓練器的儀器具有一般阻力訓練器的特點，能增加阻力負荷，同時，下落時也能減速制動，通過加裝電腦控制的安全減速裝置，可以減少杠鈴下落時的沖擊力。在杠鈴上安裝位移傳感器，計算杠鈴的位移、速度、加速度-時間曲線以及受試者施予杠鈴的力量以及爆發(fā)力的輸出，并監(jiān)控訓練強度和訓練量等指標[4]。

負重超等長訓練系統(tǒng)由訓練器、制動器、位移傳感器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)5個模塊組成(圖3)。

圖 3 本研究智能化負重超等長訓練系統(tǒng)示意圖

訓練器：訓練器是在現(xiàn)有的訓練器上加高、加寬，以保證訓練器的安全性。

制動器：本儀器的重量裝置是杠鈴,在訓練系統(tǒng)上加裝電腦控制的安全減速裝置磁粉制動器，可以減少杠鈴下落時的沖擊力；根據(jù)運動訓練的需要，即運動員的體重和負荷重量自動調節(jié)磁粉制動器的輸入電流，從而改變磁粉制動器的輸出扭矩；齒輪傳動裝置一端固定在齒輪傳動裝置上，另一端固定于杠鈴上，繼而達到調節(jié)杠鈴拉繩張力的目的。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括：位移傳感器、信號調理電路、數(shù)據(jù)采集卡和計算機等。應用軟件開發(fā)環(huán)境包括支撐平臺(操作系統(tǒng))和軟件開發(fā)系統(tǒng)兩部分[4]。

從功能上主要分為：1)數(shù)據(jù)的實時采集與顯示；2)歷史訓練數(shù)據(jù)的診斷分析。本系統(tǒng)提供開放的同步信號傳輸平臺，可以配合肌電圖(EMG)、肌動圖(MMG)、心電圖(ECG)、電子關節(jié)角度計(Goniometer)等進行多種運動生物信號的同步采集與測量。完成訓練過程中的動態(tài)力量、位移等信號采集、轉換與分析，由位移-時間曲線求微分得出速度-時間曲線，再次微分得到加速度-時間曲線。已知質量和加速度即可求出運動員作用于杠鈴的力量-時間曲線。由于功率=力×速度[Power=F(t)·V(t)]，因此，該系統(tǒng)既可測量與計算出杠鈴的位移、速度、加速度以及運動員作用于杠鈴的力與爆發(fā)力。歷史訓練數(shù)據(jù)的診斷分析結果將以曲線形式顯示在屏幕上。數(shù)據(jù)分析軟件從模塊上分為系統(tǒng)校零、信息錄入、測試和數(shù)據(jù)瀏覽4部分。

2.3 實證研究

2.3.1 負重超等長訓練系統(tǒng)對下肢生物力學特征的影響

為了測試負重超等長訓練方法的科學性、實踐性以及探討針對所訓練的目標肌肉選取的最佳負重標準，田石榴和井蘭香等人[1,2,7,8]分別對16名某大學男性籃球運動員進行8周下肢負重超等長訓練，采用VICON和三維測力臺同步測量采集每個動作的運動學和動力學數(shù)據(jù)，計算關節(jié)角速度及角加速度值，經(jīng)逆向動力學方法計算下肢凈關節(jié)力矩(net joint moment,NJM)，并由此推導下肢各關節(jié)角沖量及做功。根據(jù)彈簧-質量模型計算下肢剛度及下肢各關節(jié)剛度。以最大等長肌力MVC作為標準力量，對運動員進行不同重量的負荷加載到杠鈴桿，運動員杠負不同的杠鈴重量進行垂直跳，完成負重超等長訓練過程。記錄測力臺及肌電數(shù)據(jù)，分析不同負荷的力學特征和神經(jīng)生理學特征。然后，進行8周的負重超等長訓練，要求籃球運動員在進行每周3次的負重超等長訓練，與負重深蹲起進行對比，注意訓練前、運動過程中、訓練后的監(jiān)控，比較負重訓練和負重超等長訓練后垂直跳的高度，爆發(fā)力、最大等長力量等肌肉力量表現(xiàn)和肌電圖、H-反射及T反射的神經(jīng)適應特征，探討負重超等長訓練的力量訓練效果和神經(jīng)適應的特征，從而研究訓練效果獲得的可能機制。

2.3.1.1 不同負重超等長訓練動作下肢各關節(jié)貢獻度

為了比較不同負重超等長訓練對下肢肌肉產(chǎn)生的不同效應，首先計算了該訓練動作的下肢各關節(jié)做功/下肢做功的比值和各關節(jié)NJM/下肢支撐力矩的比值，獲得了各關節(jié)的貢獻度，探討不同目標肌肉負重超等長訓練時負重與關節(jié)力矩的關系。無負重時膝關節(jié)貢獻度最大，隨著負重增加，膝關節(jié)貢獻度逐漸減小，髖關節(jié)貢獻度逐漸增加(圖4左)。而各關節(jié)力矩對下肢支撐力矩的貢獻度與做功貢獻度具有一定的一致性，關節(jié)肌力矩研究發(fā)現(xiàn)，無負重蹲跳時膝關節(jié)貢獻最大，負重跳時變成髖關節(jié)貢獻最大，踝關節(jié)次之，膝關節(jié)最小(圖4右)，這一結果說明負重后髖關節(jié)作用最明顯[1,2]。

圖 4 不同負重超等長訓練動作下肢各關節(jié)貢獻度示意圖

2.3.1.2 負重超等長訓練對下肢各關節(jié)肌肉力量、爆發(fā)力以及剛度的影響

井蘭香等[2,3]圍繞負重超等長訓練前后下肢髖、膝、踝關節(jié)肌肉力量、爆發(fā)力以及剛度的變化進行了研究，通過給予16名不間斷常規(guī)力量訓練的男子籃球運動員為期8周、每周3次30%1 RM負荷的負重超等長訓練后發(fā)現(xiàn)，與訓練前相比，8 周負重超等長訓練后運動員縱跳高度和最大地面反作用力顯著增加(分別由0.45±0.02 m 升至0.53±0.14 m，由2.24±0.63 BW 升至2.73±0.79 BW)；髖、踝關節(jié)峰值力矩、峰值功率、做功均顯著提高，下肢剛度和髖、踝關節(jié)剛度顯著提高；訓練前、后膝關節(jié)峰值力矩、峰值功率和剛度無顯著改變(表1)。隨即推斷8 周負重超等長訓練能提高縱跳成績及下肢肌肉力量。然而，當從各關節(jié)動力學角度來看，髖、踝關節(jié)動力學和關節(jié)剛度訓練后明顯提高，膝關節(jié)無顯著變化，說明負重超等長訓練主要通過提高髖、踝關節(jié)動力學指標和剛度提高整個下肢肌肉力量和爆發(fā)力。關節(jié)動力學分析結果也提示，負重超等長訓練的主要目標肌肉是髖、踝關節(jié)肌，而對膝關節(jié)肌肉力量的需求程度較小，由此再次印證了髖、踝、膝關節(jié)貢獻度的差異的客觀性。

2.3.2 負重超等長訓練系統(tǒng)對神經(jīng)肌肉適應的影響

田石榴等[8]研究顯示，8周的負重超等長訓練后，Hmax/Mmax降低，顯示負重超等長使α-運動神經(jīng)元終池興奮性降低，使反射興奮性降低(圖5)。造成Hmax/Mmax 降低的原因可能與突觸前抑制有關。突觸前抑制的發(fā)生與軸突-軸突型突觸的功能有關。抑制性中間神經(jīng)元對 Ia 傳入運動神經(jīng)末梢的作用，導致Ia/α-運動單位突觸內釋放的神經(jīng)傳導物質減少，使運動神經(jīng)元去極化作用下降。來自肌梭、高爾基腱器、關節(jié)或皮膚感受器的Ⅲ和Ⅳ感覺神經(jīng)的神經(jīng)沖動激活抑制性中間神經(jīng)元，導致Ia傳出神經(jīng)末梢的突觸前抑制或多突觸路徑的神經(jīng)元抑制，降低運動神經(jīng)元終池興奮性。8周負重超等長訓練的T-反射的振幅值顯著增加，顯示高爾基腱器敏感性的降低，用以補償運動神經(jīng)元終池興奮性的降低，促進周圍神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)適應。

表 1 以30%MVC負荷進行負重超等長訓練前后關節(jié)力矩、爆發(fā)力及剛度的變化情況一覽表Table 1 Comparison of Pre-and Post-PWT on Net Joint Moment,Joint Power and Joint Stiffness during the Load of 30%MVC

圖 5 負重組與負重超等長組實驗前、后Hmax/Mmax變化情況示意圖

在后續(xù)的實驗研究中，神經(jīng)適應結果顯示，增加不同負荷下的股二頭肌的離心力量和股外側肌的向心力量，增加機體的全身爆發(fā)力。經(jīng)過8周的負重超等長訓練后，降低Hmax/Mmax幅度，顯示負重超等長訓練對肌梭敏感性具有適應性，降低α 運動神經(jīng)元終池興奮性，增加突觸前抑制的作用。負重超等長訓練會使 T-reflex 振幅顯著升高，顯示負重超等長訓練使高爾基腱器的敏感性顯著降低，也彌補肌梭敏感性降低的適應性，產(chǎn)生良好的神經(jīng)適應。

3 慣性杠鈴與慣性啞鈴的研發(fā)與應用

3.1 研發(fā)背景

研究認為，核心力量是一種以穩(wěn)定人體核心部位、控制重心運動、傳遞上下肢力量為主要目的的力量能力。核心力量的水平直接影響身體遠端肢體的運動，它同上下肢力量一樣，是人們日常生活、工作以及運動健身時不可缺少的力量能力[22]。傳統(tǒng)負重抗阻訓練由于過分注重提高大肌群力量，往往忽視了小肌群的協(xié)調發(fā)展，容易導致運動損傷。因此，加強核心力量訓練及評估對于提高運動訓練、大眾健身的效果、預防運動損傷等具有重要意義。

近年來，運動訓練理論不斷推陳出新，很多新的方法逐漸應用到力量訓練領域，以滿足力量發(fā)展的全面、均衡和精細化需求，其中，針對核心力量訓練的新方法更是層出不窮。例如，應用各種動作徒手肌力訓練法，借助器具如平衡軟踏、泡沫軸、抗力球、平衡墊、健身球、平衡半球、懸吊訓練器械、核心板、普拉提、Bodyblade振動棒、飛力仕、彈力帶等加強核心力量的訓練法[21]等。這些訓練主要強調在不穩(wěn)定環(huán)境下的訓練，其理論依據(jù)為動態(tài)不穩(wěn)定的支撐環(huán)境增加了對中樞神經(jīng)系統(tǒng)的刺激，提高了中樞神經(jīng)系統(tǒng)動員肌纖維參與收縮的能力(即中樞激活)，進而增加了力量訓練動作的數(shù)量和范圍，提高了力量訓練的難度和復雜性，彌補了傳統(tǒng)負重抗阻訓練法的力量與平衡、力量與協(xié)調、力量與靈敏不足。然而，以上這些訓練方法由于在不穩(wěn)定條件下進行訓練外部負荷很難加大，絕對力量提高幅度也并不理想，因此，總是或多或少存在一定的局限性。從理論上講，如果能夠在訓練時既可以對人體核心訓練創(chuàng)造較大的不穩(wěn)定環(huán)境，又能加大外部負荷，將成為核心力量訓練的理想狀態(tài)。

3.2 研發(fā)思路

為了解決上述諸多核心力量訓練方法中存在的瓶頸制約，實現(xiàn)肌肉協(xié)調與核心力量訓練的“雙提高”，本研究團隊在吸取和借鑒普通啞鈴和普通杠鈴動作特點的基礎之上，充分利用人體對不穩(wěn)定性的控制，將上肢、下肢以及全身腰背部肌肉整合動員，開發(fā)研制了新型訓練器材慣性啞鈴和慣性杠鈴。

慣性啞鈴，又稱具有可調式慣性阻力負荷特征的啞鈴，它與普通啞鈴力學機理上的區(qū)別是其在舉動過程中內有擺輪旋轉，產(chǎn)生慣性力。慣性啞鈴內部有可旋轉的偏心擺，偏心擺旋轉產(chǎn)生周期性的慣性力，使使用者手臂和全身產(chǎn)生附加的周期性振動，全身肌肉產(chǎn)生周期性肌緊張，不僅訓練了上下肢肌肉的協(xié)同，對全身的肌肉力量及協(xié)調亦有訓練效果(圖6左)。其優(yōu)點在于體積較小，可以開發(fā)出不同動作形式，且極具有趣味性和自我競技性，適宜辦公室、居家以及工作間隙使用，隨時隨地運動。與此類似，慣性杠鈴是一種具有可調式慣性阻力負荷的杠鈴，內部同樣配有可旋轉的偏心擺，調節(jié)擺錘重量、擺錘到主軸的距離及兩個擺錘桿的夾角來調節(jié)慣性力的大小(圖6右)，當其晃動時可以造成軀干及全身的不穩(wěn)定，利用人體對這種不穩(wěn)定性的控制使核心部位力量得到訓練。

圖 6 本研究團隊研發(fā)的慣性啞鈴(左)和慣性杠鈴(右)示意圖

3.3 實證研究

孫明運[6]通過利用本團隊自主研發(fā)的慣性杠鈴對上海某高校26名大學男生進行了腰腹部核心力量訓練，采用3T西門子磁共振儀對腰腹部肌肉的橫斷面積(CSA，圖7)、體積進行了測試，結合壓力生物反饋儀(The STABILIZERTM Pressure Bio Feedback)測試腹橫肌收縮壓力變化特征，以驗證慣性杠鈴對于核心肌肉的訓練效果。將受試者隨機分為慣性杠鈴訓練組和普通杠鈴訓練組，分別安排1 h/次、3次/周，共計8周的訓練后發(fā)現(xiàn)，慣性杠鈴組與普通杠鈴組相比腰腹部肌肉右側的腹直肌、腹外斜肌、腹內斜肌、腹橫肌、多裂肌CSA、體積增量百分比具有非常顯著性差異(P<0.01，圖8)。

腰腹部肌肉分為腹直肌、腹外斜肌、腹內斜肌、腹橫肌和腰部脊柱的肌肉。同樣的訓練負荷配比、密度或者量，如果是靜態(tài)情況下，二者作用相同或相近；但當運動起來后，由于器械的結構不同，慣性杠鈴擺錘具有一定的旋轉半徑，慣性力的力臂較大，對腰腹部的干擾力矩較大，隨著人體作用力的增加，該慣性力力矩作用更大，致使訓練強度更大，對腰腹部肌肉的激活作用更明顯。同樣的靜態(tài)負荷能產(chǎn)生較大的動態(tài)負荷，同時又具有普通杠鈴的簡便、易于裝卸、體積小的特性，慣性杠鈴作為一種新型的訓練器械，顯然具有自身的優(yōu)勢。

圖 7 第四腰椎(L4)MRI肌肉橫斷面圖

不僅如此，雖然慣性杠鈴組和普通杠鈴組腹橫肌收縮壓力均較訓練前有顯著提高，但慣性杠鈴組較普通杠鈴組提高的幅度更為顯著(P=0.04，圖9)。由此可見，慣性杠鈴與普通杠鈴訓練相比，慣性杠鈴對于腹橫肌的橫斷面積、體積及肌肉活性具有更大的增強作用，驗證了慣性杠鈴對于核心力量訓練具有較好的效果。

圖 8 實驗組、對照組CSA(左)、體積(右)增量百分比比較圖

圖 9 慣性杠鈴組(實驗組)和普通杠鈴組(對照組)腹橫肌收縮壓增量比較示意圖

4 新型訓練器械的應用與推廣價值

現(xiàn)階段，我國教練員已將超等長訓練廣泛應用于各個運動項目中，如籃球、足球、柔道等，取得了一定的成績，但也存在著許多問題，主要表現(xiàn)在：一是，離心收縮和向心收縮的脫節(jié)，導致儲存的彈性能不能被充分有效地利用；二是，練習手段和要求不符合專項技術的需要；三是，超等長力量的耐力訓練被忽視。在發(fā)展下肢的爆發(fā)力訓練方法中，多數(shù)教練員采用大負荷的杠鈴負重下蹲伴隨不同深度的蹲起的練習方法，訓練效果主要體現(xiàn)在最大力量的增加上，同時，由于訓練手段的不合理和訓練輔助器材的缺乏，有相當一部分運動員出現(xiàn)不同程度的膝關節(jié)勞損。運動員在負重的情況下進行超等長訓練，或者在超等長訓練過程中加以負重，如利用負重杠鈴進行半蹲跳或者跳深，落地時運動員會受到較大的地面沖擊力，加大了訓練的難度和危險度，運動員的安全性和訓練心理都將受到影響。因此，在訓練過程中，負重超等長訓練系統(tǒng)既具有一般阻力訓練器的特點——增加阻力負荷；又能使運動員負重超等長訓練過程中下落過程的地面反作用力的沖擊減小，因此，具有減速制動的特點——減輕下落的慣性沖擊力。從而幫助運動員起跳時完成動作，增加動作的速度，達到既有效增加了爆發(fā)力，又有效增加了最大力量的訓練效果。慣性啞鈴與傳統(tǒng)啞鈴相比主要是上肢肌肉參與、腰背部等其他部位活動不明顯的特征，在周期性振動運動中有效地訓練了肌肉的協(xié)調能力，應用潛力巨大。

5 結語

重量訓練可以有效地提高最大力量，但對提高動作速度與爆發(fā)力效果有限；超等長訓練可以有效地提高動作速度、增加爆發(fā)力，但對最大力量的發(fā)展不足。本研究所研發(fā)的負重超等長訓練系統(tǒng)結合兩者的優(yōu)勢，對提高最大等長肌肉力量和爆發(fā)力具有顯著的效果，特別是髖關節(jié)和踝關節(jié)的力量和爆發(fā)力，對膝關節(jié)的力量和爆發(fā)力提高不明顯。此外，負重超等長訓練引起肌梭敏感性產(chǎn)生適應，提高了α-神經(jīng)終池興奮性與抗疲勞能力，改善了神經(jīng)肌肉系統(tǒng)的功能。

慣性啞鈴與慣性杠鈴是一種具有可調式慣性阻力負荷的啞鈴或杠鈴，內部配有可旋轉的偏心擺，調節(jié)擺錘重量、擺錘到主軸的距離及兩個擺錘桿的夾角可調節(jié)慣性力的大小。當舉起與轉動慣性啞鈴或慣性杠鈴時，其晃動可以造成軀干及全身的不穩(wěn)定，利用人體對這種不穩(wěn)定性的控制使上肢以及軀干核心部位力量得到訓練。研究顯示，慣性杠鈴對于腰腹肌的訓練有較好效果，使腰腹肌肌肉形態(tài)和力量明顯改變，一定程度上提高了核心力量。

誠然，負重超等長訓練系統(tǒng)和慣性杠鈴也不可避免地存在一些局限性，如負重超等長訓練系統(tǒng)的使用需要輔助人員在旁輔助，對最大等長肌肉力量的訓練效果沒有傳統(tǒng)力量訓練大；而慣性杠鈴在訓練方法及訓練量方面不易于掌握等。盡管如此，上述提到的新型訓練方法及器械對于神經(jīng)肌肉功能及適應水平的改善還是具有極大的挖掘潛力與應用前景。

[1]井蘭香,劉宇,田石榴.負重超等長練習下肢各關節(jié)作用分析[J].體育科學,2009,29(5):50-53.

[2]井蘭香,劉宇.籃球運動員8周負重超等長訓練后下肢及髖、膝、踝關節(jié)動力學和剛度的變化[J].中國運動醫(yī)學雜志,2010,29(4) :417- 420.

[3]井蘭香,劉宇.超等長阻力訓練對下肢關節(jié)角動力學的影響[J].體育學刊,2012,19(5):140-144.

[4]肖毅,劉宇.基于位移傳感器的超等長重量訓練系統(tǒng)研究[J].體育科學,2009,29(4):84-88.

[5]劉宇.生物力學在運動控制與協(xié)調研究中的應用[J].體育科學,2010,30(11):62-73.

[6]孫明運.慣性杠鈴訓練對腹橫肌活性影響的研究[J].中國體育科技,2013,49(1):140-144.

[7]田石榴,劉宇,井蘭香,等.男子籃球運動員不同負荷負重蹲跳的力學特征和肌電圖表現(xiàn)[J].中國運動醫(yī)學雜志,2012,31(11):967-972.

[8]田石榴.負重超等長力量訓練的神經(jīng)肌肉適應機制研究[D].上海體育學院博士學位論文,2009.

[9]BLOOMFIELD J,BLANKSBY B,ACKLAND T,etal.The influence of strength training on overhand throwing velocity of elite water polo players[J].Aus J Sci Med Sport,1990,22:63-67.

[10]BOSCO C,ITO A,KOMI P,etal.Neruomuscular function and mechanical efficiency in human leg extensor muscles during jumping exercises [J].Acta Physiol Scand，1982,114:543-550.

[11]BOSCO C,KOMI P V,ITO A.Prestretch potentiation of human skeletal muscle during ballistic movement [J].Acta Physiol Scand,1981,106:467-472.

[12]CHU D A,PLUMMER L.The Language of Plyometrics [J].National Strength Conditioning Association J,1984,6:30-31.

[13]CLUTCH D,WILTON M,MCGOWAN C,etal.The effect of depth ump and weight training on leg strength and vertical jump [J].Res Q Exe Sport,1983,54(1):5-10.

[14]FRY A C,KRAEMER W J,WISEMAN C A,etal.The effect of an off-season strength and conditioning program on starters and non-starters in women’s intercollegiate volleyball[J].J Appl Sports Sci Res,1991,5(4):174-181.

[15]HOKKINEN K,KOMI P V.Change in electrical and mechanical behavior of leg extensor muscle during heavy resistance strength training [J].Scand J Sport Sci，1985,7(2):55-64.

[16]HARTMAN K,TUNEMAN P.Effect of different combined concentric and eccentric muscle work regimens on maximal strength development [J].Human Mov Stu,1986,7:33-44.

[17]HOEGER W K,HOEGER S.Principles & Labs for Physical Fitness and Wellness (3rd ed.) [M].Colorado:Morton Publishing Company，1994：129-135.

[18]KRITPET TT.The Effects of Six Weeks of Squat and Plyometric Training on Power Production[D].USA:Oregon State University，1989.

[19]LUNDIN P.A Review of Plyometric Training [J].Strength Cond,1992,7:69-74.

[20]MARTEL G F,HARMER M L,LOGAN J M,etal.Aquatic plyometrics training increases vertical jump in female volleyball players [J].Med Sci Sports Exe,2005,37:1814-1819.

[21]MORESIDE J M,VERA-GARCIA F J,MCGILL S M.Trunk muscle activation patterns,lumbar compressive forces,and spine stability when using the Bodyblade [J].Phys Ther,2007,87:153-163.

[22]PEATE W F,BATES G,LUNDA K,etal.Core strength:a new model for injury prediction and prevention [J].J Occup Med Toxicol，2007,Doi:10.1186/1745-6673-2-3.

[23]RUTHERFORD O,GREIG C,SARGENT A,etal.Strength training and power output:Transference effects in the human Quadriceps muscle [J].J Sports Sci，1986,4:101-107.

[24]SCHMIDTBLEICHER D.Training for Power Events [A].In P.V.Komi (Eds):Strength And Power In Sport[M].Oxford Blackwell Sci Publications，1992:381-395.

[25]VERKHOSHANSKI Y.Perspectives in the improvement of speed-strength of jumpers [J].Yesis Rev Soviet Physical Edu Sports,1968,3:28-34.

[26]WILSON G,NEWTON R,MURPHY A,etal.The optimal training load for the development of dynamic athletic performance [J].Med Sci Sports Exe,1993,25:1279-1286.

[27]ZAJAC F E.Muscle coordination of movement:a perspective [J].J Biomech,1993,26(1):109-124.

InnovativeInstrumentsDevelopmentBasedontheTheoriesandMethodsofNeuromuscularFunctionalTraining

LIU Yu1,LI Hai-peng1,LIU Cui-xian1,TIAN Shi-liu1,JING Lan-xiang2,SUN Ming-yun3

Abstract：Both scientific training methods and instruments play the key roles in either sports or exercise.Nowadays,traditional training methods cannot completely meet the requirements for diverse development of neuromuscular function.In this study,two innovative training methods and instruments were developed:1) Plyometric Weight Training has been proposed based on plyometric training and weight training to gain the maximum muscle strength and power; 2) dumbbell and barbell having adjustable inertial resistance load characteristic have been developed by means of the disturbance control of human body to improve core strength and coordination of muscles.Experimental results indicated that these training-modes significantly enhanced the training effects of neuromuscular strength and function from scientific point of view.

neuromuscularfunction;plyometricweighttraining;dumbbellhavingadjustableinertialresistanceload;barbellhavingadjustableinertialresistanceload

1000-677X(2014)02-0000-00

2013-12-18；

：2014-01-15

國家自然科學基金資助項目(11372194);國家體育總局體育科技創(chuàng)新與成果轉化項目(2013B008)。

劉宇(1959-),男,河北張家口人,教授,博士,博士研究生導師，主要研究方向為運動生物力學、體育工程,E-mail:yuliu@sus.edu.cn;李海鵬(1982-),男,山西臨汾人,講師,博士,主要研究方向為老年人運動健康促進, E-mail:ecnudoctor@126.com;劉翠鮮(1968-),女,江蘇淮安人,副教授,在讀博士研究生,主要研究方向為動作技術分析與體育工程,E-mail:liucuixian@126.com;田石榴 (1972-),女,湖北鄂州人,副教授,博士,研究方向為神經(jīng)控制的理論與方法,E-mail:tianshiliu@126.com;井蘭香(1972-),女,河北滄州人,副教授,博士,研究方向為運動生物力學,E-mail:jinglanxiang123@163.com;孫明運(1972-),男,陜西藍田人,講師,博士,研究方向為運動生物力學,E-mail:smy0072008@21cn.com。

1.上海體育學院 運動健身科技省部共建教育部重點實驗室，上海 200438;2.河北滄州醫(yī)學高等?？茖W校，河北 滄州 061001;3.安慶師范學院，安徽 安慶 246133 1.Key Laboratory of Exercise and Health Sciences of Ministry of Education,Shanghai University of Sport,Shanghai,200438,China;2.Cangzhou Medical College,Cangzhou 061001,China;3 Anqing Normal University,Anqing 246133,China.

G????

：A