運動生物力學研究方法綜述

摘要：采用文獻資料法、邏輯分析法，對運動生物力學研究方法及測量手段進行回顧總結。根據現代運動生物力學發展的規律與特點，對現代運動生物力學研究方法及測量手段進行一定層次的歸納分類，并對今后運動生物力學研究方法的發展進行展望。

關鍵詞：運動生物力學；研究方法；測量手段

中圖分類號：O3文獻標志碼：A文章編號：1673-291X（2011）04-0240-02

一、運動生物力學的發展過程

1.運動生物力學的啟蒙階段。公元前384—322年，古希臘的哲學家和科學家亞里士多德就注意觀察在日常生活中人和動物運動的力學問題。15世紀末，意大利科學家列奧納爾德·達·芬奇（LeonaardoDavid）用人的尸體研究解剖學，并在此基礎上借助力學研究人體的各種姿勢和運動，指出人體的運動服從于力學定律，運動生物力學的雛形。

2.運動生物力學的初步形成。20世紀，德國的布拉溫（Braune）和菲舍爾（Fisher）利用解剖尸體的實驗方法測定人體各部分相對重量和重心位置，并開始用動力學的方法研究人體運動。20世紀30年代，英國生理學家希爾（Hill）取青蛙的離體縫匠肌進行實驗，得出著名的Hill方程，即肌肉收縮的力速方程，并由此獲得諾貝爾獎，從而奠定了肌肉力學的基礎。

3.運動生物力學的快速發展階段。1972在美國賓夕法尼大學召開的第四屆國際生物力學會議上將運動生物力學從生物力學中劃分出來。近三十年運動生物力學得到了迅速的發展，20世紀80年代到達鼎盛時期。運動生物力學除了與解剖學、生理學結合較多外，與醫學、康復結合也逐漸密切，研究成果的水平有了很大的提高。現在攝影測量已發展到三維高速錄像（如美國Pea5系統），測力系統已發展到6分量測力臺（如瑞士Kistler系統）、關節肌力矩測量系統（如美國Cybex系統）等，已基本形成了相對完善并互相支持的運動學、動力學和肌電測量三大系統[1-2]。研究內容已經由為奧運戰略服務向競技體育上擴展，對人體的研究，已由對人體整體運動的研究，逐漸發展到不同環節和結構的深入研究；由對人體運動的描述性研究，發展到探討運動時神經肌肉的控制以及運動系統和感覺系統的整合。

二、運動生物力學研究方法的分類

從研究的形式上，可分為理論研究方法和實驗研究方法兩大類，實驗研究方法又分實驗室測量法和運動測量法。從研究的領域上，可分為物理學研究方法、生物學研究方法和系統研究方法。從研究材料的來源上可分為原始資料數據的采集整理和資料分析方法。研究運動項目主要以運動學和動力學研究方法為主，生物學的研究方法為輔，綜合運用多種實驗手段[3]。

美國的理查德·C.尼爾森把運動生物力學的研究方法大致概括為如下五種：（1）研究特定的運動項目或其中的某一環節的生物力學，這種主要對于運動員、尤其是只對某一運動專項感興趣的教練員非常有用。（2）研究多個運動項目中共同包含的運動動作（如著地、起跑等動作）的生物力學。最大好處是建立一種一般性的理論，這個理論是建立在經典力學定律之上，或是建立在共同的神經控制模式之上。（3）被稱為運動生物力學的評定方法，如從能耗觀點去評價運動技術的優劣等。（4）指對某一專項運動所涉及的生理學、運動學、動力學以及專項特點等有關方面進行綜合考慮。（5）討論在運動中人體器官的生物力學。

中國的周里將研究的方法分為高速攝影（二維與三維）、錄像、測力、肌電、肌力測試系統、同步測試、理論分析和CT、核磁共振其他方法[4]。

三、運動生物力學研究方法的現狀分析

1.理論研究方法。運動生物力學理論研究方法的關鍵是建立人體運動的力學模型。理論研究方法主要是探索人體運動的規律，它的研究對象、研究目的、研究方法和研究成果均不同于實驗方法。理論研究方法的研究對象是抽象的人體模型，目的是揭示運動規律，核心是經典數學力學的推導運算，結論是揭示運動的內在機理。人體運動數學模型方法是理論研究常用的主要方法。自20世紀80年代后，數學模型方法有了許多新的突破和進展，但人體運動數學模型方法在中國尚未得到廣泛應用[5]。

目前運動生物力學主要是研究人體內部運動器系和表現于外部的人體整體機械運動特征。為了便于研究，運動生物力學理論方法的關鍵是建立人體運動的模型來描述運動。大體有兩種方法：第一種方法是人體系統仿真研究方法，其代表人物是南非的力學專家Haze；第二種方法是應用多剛體系統動力學理論建立力學模型，代表人物是美國力學專家Kane。在運動生物力學研究中，大多數力學系統的運動都受牛頓運動定律控制，所以建立的模型都是牛頓力學系統的數學形式。但牛頓力學對于活體顯然是不適合或不完全適合，這已被理論或實踐所證實。因而牛頓力學對肌肉、骨骼、關節系統的力學特征及在解決人體運動器系和整體運動之間的因果關系，把握人體運動行為生物力學規律的體質方面還有相當困難。模型建構是指對數學力學分析所研究問題的模型建構。建構模型的基本標準是代表性、簡單性和實效性。模型按其功能可分三個層次：描述性模型、解釋性模型和預測性模型[5]。數學模型目前有（1）Hanavan的人體測量數學模型；（2）Santschiw L等的環節集合分布模型；（3）Zatsiorsky的數學模型；（4）中國人體模型；（5）邱亞君和李建設建立的人體二維轉動慣量數學模型。

2.實驗研究方法。比較成熟的測量方法有兩種：一種是在實驗室條件下，采用各種類型的測力計和先進的多功能肌力測量系統，對與運動有關的主要肌群進行定量測量，此法可簡稱為“實驗室測量法”。另一種是在運動場上通過訓練器械或反映運動員專項力量的訓練手段，測定運動員的專項力量訓練水平，此法可稱為“運動測量法”。實驗研究方法與理論研究方法相比較略顯成熟，主要有以下特點：（1）在檢測手段上隨著工程技術的進步，手段越來越多樣化。從“傳統”的攝影技術發展到三維立體攝影，已經能更精確反映事物的運動特征，而且許多新的現代化技術裝備也被應用到運動生物力學研究上，例如激光瞄準測試分析系統、愛捷運動圖像分析系統、六維測力平臺SAEMS-T、四導遙測肌電儀、萬能材料試驗機等。（2）實驗室測量方法與運動場測量方法相結合[6]。

四、運動生物力學研究方法的發展趨勢

未來數年運動生物力學的研究方法發展趨勢可歸納為：

1.競技體育技術測試研究方法的發展趨勢，是向著適合于各個運動項目需要的、能現場及時反饋測試分析結果的儀器設備與方法和提供詳細測試分析報告的儀器設備與方法兩條并行的途徑發展。（1）三維跟蹤攝像、攝影測量方法的推廣；（2）攝像、攝影精度逐步提高；（3）三維攝像、攝影測量逐步普及；（4）影像測量點識別、采集的自動化；（5）足底壓力分布測試三維化；（6）運動技術測試儀器專項化、反饋快速化；（7）數學力學模型和人體運動仿真使用化等[6]；以后主要是對經典力學分析、力學模型研究、運動技術最佳化、人體運動仿真、肌肉力學模型等方面進行重點研究，使研究方法和測量手段進一步向科學化和合理化發展[7]。

2.關于模型參數的選擇和確定，取決于參數的功能，即區分敏感參數和常規參數，并且使這些參數定量化和具有可比性。關于數據采集，首先是數據采集的標準化，然后是對數據進行力學分析和評價，更重要的是對所采集的數據進行模型模擬，因為模型模擬可以產生有關自變量對應變量影響的系列信息，并建立兩類變量之間的數—力關系，從而為技術分析、技術控制和技術最佳化提出預測，為運動損傷、康復手段的選擇提供方案[8～9]。

3.運動器系的力學負荷、負荷分布和負荷能力以及運動器官、組織和系統的材料力學是預防生物力學的基礎。重力、支持力、相互作用力、介質阻力以及摩擦力可作為對運動器系的負荷。通常使用但并未充分證明是否可靠的指標有最大力、最大加速度、最大力矩、最大力梯度以及沖量、角沖量和它們的持續時間。所謂“最大”值也只是相對極限值。人體機能代償能力的儲備性決定了絕對最大值是不可計測的。近年來關于運動器械，包括鞋、服裝方面的生物力學研究已引起人們的重視，這將是一個很有吸引力且富有商業價值的領域[10]。

4.測量技術、遙測技術和肌肉動力學測量技術（包括離體或在體肌肉動力學測量過程）將成為今后發展的重點，實驗方法與理論模型相結合的綜合研究日趨增加，主要趨向是遙測無線部分數據發射與數據采集裝置的小型化和測量過程及結果分析的快速化。

5.運動損傷的研究將是生物力學新的研究領域。成都體育學院周繼和教授針對運動性急性損傷或慢性損傷的腕關節，采用INSTRON 8874生物力學測試系統進行人體腕關節軟骨盤“壓縮—扭轉”試驗，觀察其組織結構的變化，有助于了解損傷的機制，并提出有效的防治方法。南京體育學院錢競光教授撰寫的“股骨頸受載的計算機模擬及其骨折的生物力學機理研究”通過計算機模擬方法研究不同頸干角在相同骨質條件、相同載荷下，其股骨頸的應力變化規律，探討頸干角、骨密度與股骨頸骨折的關系。

隨著運動競技水平和運動訓練科學化程度的提高，運動生物力學研究的方向也將從簡單的對人體動作技術分析深入到對內在機理的探討，隨著醫學科學和康復科學的發展骨科生物力學、臨床生物力學、康復生物力學以及生物工程中的生物力學等將得到迅速發展，逐漸成為國際運動生物力學的主要研究領域。

參考文獻：

[1]鄭秀瑗.現代運動生物力學[M].北京:國防科技出版社，2002:2-4.

[2]周思紅.運動生物力學研究的回顧與21世紀展望[J].山西師大體育學院學報，2000，(1):73-77.

[3]劉海斌.從三維體育觀看運動生物力學研究[J].吉林體育學院學報，2004，(2):74-75.

[4]周里.中國運動生物力學研究現狀分析[J].上海體育學院學報，1997，(1):23-26.

[5]趙煥彬.中國運動生物力學的研究現狀與發展趨勢[J].河北師范大學學報，2001，(3).

[6]武漢體育學院.第六屆全國體育科學大會論文摘要匯編[G]，2000.

[7]卡斯達斯.第二十屆國際運動生物力學會議論文集[C].阿根延：阿根延大學，2002.

[8]李建設.運動生物力學學科發展的幾個理論問題[J].體育科學，1997，(6):77-80.

[9]R·Ballreich.Sports sciencein Germany verlag Karl Holfmann[J].Journal of Biomechanics Online，1992，(2):14-15.

[10]王今越.國內運動生物力學發展現狀思考[J].天津體育學院學報，2003，(4):33-36.[責任編輯 王曉燕]