擺臂方式對走路協調性及能量消耗的影響

李春蕾，周永平

（浙江大學 教育學院體育系，浙江 杭州 310028）

通常情況下，人體以5km／hr的速度行走就可以達到中等強度的鍛煉標準［1］。每天累計30min中等強度身體活動就足以為自身健康提供足夠保障［2］。在日常生活中，經常可以看見各個年齡層的鍛煉者采用走路的形式進行鍛煉。人體的正常行走會受到速度、擺臂、步頻、步幅、身高等諸多因素的影響。而這些因素在神經系統調控下彼此聯系又相互制約，從而共同完成行走過程中的各項指令。本文著重從手臂擺動角度切入，探討手臂擺動在人行走過程中的功能，限制、增加手臂擺動幅度及加載重量擺動對人行走模式和能量消耗的影響。

1 手臂擺動的功能

早先學者的研究集中在手臂擺動這一現象的解釋。Elftman［3］使用 Weber［4］等人的研究結果，通過計算得出結論“手臂在正常行走過程中并不是像鐘擺一樣附屬在軀干兩邊，而是由肩部肌肉運動帶動的結果。”隨著后來表面肌電技術的引入，越來越多的學者［5，6］通過肩部肌信號證實Elftman結論的正確性。

在手臂擺動功能的研究中。Elftman［3］認為在行走過程中，手臂擺動還起到抵消身體沿中軸扭轉力的作用，從而利于穩定走路協調性。Murry［7］發現手臂擺動的幅度會隨著速度的增加而增加，并推測手臂擺動幅度變化可以調整行走過程中的人體的重心偏移從而增加行走的效率。同樣，Jackson［8］等人也指出擺臂的結果是使行走時能量節省化。

幾乎所有早期的學者都認為手臂擺動在人體行走過程中姿勢控制、提高行走效率中起到積極作用。不僅如此，人體在最適宜速度、自然狀態擺臂條件下行走所消耗的能量值最低［8］。但如果人為改變手臂擺動方式，將會對人體行走過程中的各種參數及能量消耗產生一定影響，從而影響行走的效率。

2 限制手臂擺動對行走模式及能量消耗的影響

2.1 限制手臂擺動對行走模式的影響

走路過程中，支配上下肢肌肉的神經活動是在彼此任務獨立但又靈活聯系下完成行走的［9-11］。如果人為改變人體自然擺臂姿勢是否會改變人們正常行走模式呢？Delwaide［12］發現當上肢擺動位置發生變化時，下肢神經反射活動也會發生適應性的改變。雖然他的實驗結論是在靜態下而非實際的行走狀態下得到，卻表明這種上下肢交互影響在人體身上的可能。此外，Dietz［9］等人的研究也發現，作為人類行走中的一個附屬功能，上肢的擺動頻率、幅度的變化都會明顯影響下肢肌肉的肌電反應。同時，越來愈多的研究發現，限制手臂擺動會導致髖關節彎曲度下降、踝關節背屈增加［13］、步行速度、步幅降低以及步頻增加［14］。進一步證明了行走中上肢擺動對下肢活動的顯著影響。

2.2 限制手臂擺動對能量消耗的影響

在研究限制手臂擺動對行走過程中的能量消耗時，不同學者的實驗結果差異較大。Chapman［15］和 Hanada［16］等人就通過實驗發現:正常擺臂與限制擺臂行走的耗氧量并沒有顯著差別。但值得注意的是，Chapman的實驗所采用的測試速度范圍較小，而Hanada的實驗只是限制被試者一只手臂擺動。

隨后，在嚴格限制兩只手臂同時擺動的條件下。Ortega［17］和 Umberger［18］通過實驗證實，人為限制手臂擺動后行走時能量消耗增加不到10%。Steven［19］等人也通過讓被試者被動限制擺臂、主動限制擺臂與正常擺臂行走比較發現，兩種行走方式能量消耗顯著大于正常擺臂，分別比正常擺臂能量消耗多7%、12%。隨后，Ziva［20］等人也發現限制手臂擺動后行走耗氧量增加8%～34%，同時隨著步行速度的增加，步頻逐漸增大，步幅逐漸減小。

通過進一步的統計分析研究步頻、步幅、速度、手臂擺動四因素之間交互影響對能量消耗的關系時，Ziva［20］發現:①速度變化是影響行走過程中耗氧量的主要因素；②速度與限制手臂擺動兩因素會對能量消耗產生更大影響；③在速度和限制手臂兩因素同時存在條件下，步頻因素的作用更多是走路步調的“調節器”，而對能量消耗沒有顯著影響，但人體在最適宜頻率時行走時所消耗的能量最低；④限制手臂擺動作為單一因素，對能量消耗影響不大；⑤同樣，步幅作為單一因素時，對能量消耗也不能產生較大影響，在速度與限制手臂兩因素同時存在的情況下，步幅的改變才會對能量消耗產生顯著影響。從上述結論中可以得出:除速度因素外，其它幾個因素并不能單獨地對能量消耗產生顯著影響，能量消耗的改變往往是其中兩三個因素協同改變的結果。

雖然限制擺臂在部分實驗研究中被證實可以提高能量消耗，但是對于大多數人來說，限制擺臂的行走方式并不是常見的運動方式。甚至這種運動方式可能引起人體感覺上的不適。因此目前對于限制擺臂的研究較少，而且研究成果很難推廣。

3 手臂加載重量對行走模式及能量消耗的影響

3.1 手臂加載對行走模式的影響

在行走過程中肢體協調性的研究實驗中，許多學者發現:對稱或同源的肢體（如左右手、左右腳）神經控制的穩定性和協調性要好于不對稱或非同源的肢體（如左手和右腳）［21，22］。在此基礎上，Jeka［23］、Serrien［24］等早前進行手臂加載實驗的學者發現，手臂的加載會影響走路過程上下肢的協調性。具體表現為降低擺臂頻率和速度。但值得注意的是，Jeka和Serrien等人的實驗被試都是在坐位上進行實驗的，距離真實的走路環境有顯著的差異性。

在后來研究，Donker［25］等人總結前人研究不足，在真實走路環境下，在速度0.5～5.0km／hr范圍內加載1.8～3.6kg，發現手臂加載既沒有降低步行速度，也沒有改變步頻、步幅。但無論兩邊同時加載還是只加載一邊，手臂擺動的幅度和連續性都會受到顯著影響。表現為加載端手臂擺動幅度降低，另一端手臂擺動幅度代償性增大，以此來維持上肢運動的對稱性。總之，不同于限制手臂擺動的實驗結果，手臂加載并沒有顯著影響行走過程中上下肢的協調性，卻對上肢的擺動幅度產生顯著影響。這也間接驗證了前面提到的的觀點:即控制行走過程的神經系統任務上的獨立性，配合上的靈活多樣性［9-11］。

就產生上述現象的原因，由于早前的實驗已經證實了手臂擺動對維持行走過程中能量節省、重心穩定的重要作用。并且已經通過實驗證明了加載對側手臂甚至腿部都會使手臂肌肉活動加強。在此基礎上，Donker［25］認為手臂加載之所以沒有影響行走過程的穩定性，是因為中樞控制指令在加載刺激下控制手臂代償性的擺動，從而維持走路過程的協調性及能量節省化。

Donker等人的研究與早前Jeka等人的研究結果存在較大差異，但在后來的手臂加載對行走中能量消耗的影響的實驗研究中，一些實驗結果似乎更偏向于Donker的結論。

3.2 手臂加載對行走中能量消耗的影響

手臂加載，因可增大上肢肌肉運動強度已經被廣泛用于多種體育運動中。在早前的許多實驗中已經證實，手臂加載確實可以增加行走過程中的能量消耗。Peter［26］等人在研究手臂兩側加載2.7kg，速度6.4km／hr的條件下，測得耗氧量比正常擺臂行走多5%。Auble［27］等人在加載不超過1.8kg的條件下行走，測得耗氧量增加36%。Miller［28］等人在加載4.5kg條件下，測得耗氧量增加34%。以上三組實驗均在恒定步頻狀態下測得。雖然擺臂要求、加載重量、步頻、步幅、速度的要求不同，但加載確實對耗氧量產生了顯著影響，表現為增加5%到36%不等。

接下來的研究者在前人研究基礎上不斷細化，發現并不是在所有條件下，手臂加載都能引起能量消耗的顯著增加。Daijiro［29］等人測試了從 2.4km／hr到 7.2km／hr速度范圍內，手臂加載3～9kg能量消耗的變化。結果發現在較低速度范圍（2.4kmhr—3km／hr）內，加載行走的能量消耗顯著低于正常行走組。而在相對較高速度范圍（5km／hr～7.2km／hr）內時加載組能耗又顯著高于對照組。Owens［30］等人在加載重量所占體重比例相似、測試速度范圍4.8km／hr—9.6km／hr的情況下，也得到了相似的實驗結論:即速度小于6.4km／hr時，手臂加載行走與正常行走能量消耗并沒有顯著差別；但當速度大于8km／hr的時候，加載組能量消耗顯著大于正常組；同時，對于健康成人來說，只有當加載重量達到2.27kg以上，才能達到顯著提高能量消耗的目的。

對于產生這種現象的原因，Daijiro［29］認為行走過程中的能量消耗主要是由支配運動過程的較大肌肉群（大腿部肌肉）產生的，并且隨著速度的增加呈線性增加趨勢。而其他小肌肉群（上肢部分）消耗的能量可以忽略不計，即使在上肢負重的情況下，也不會消耗過多的能量。換句話說，上肢加載在快速行走過程中能量消耗之所以會顯著增加主要是上肢肌肉為維持加載物體的動能而產生的，而當速度較低時，上肢肌肉主要保持加載物體勢能的穩定，更容易產生能量節省的現象，因此不會消耗過多得能量。

可見，手臂加載行走雖然可以增加能量消耗，但這種增加是需要在一定速度、一定重量的條件下才能達到的。同時，由于行走過程中肢體協調性的改變是導致能量消耗增加的內部原因［8，18］。因此可以推斷，Daijiro［29］的觀點間接驗證了上文中Donker［25］等人的假設:即在慢速行走過程中，雖然手臂加載一定重量，但通過調整手臂擺動頻率可實現穩定協調性和能量節省化的結果。

4 增大擺臂角度對行走模式和能量消耗的影響

通常，在緩慢悠閑的行走過程中，手臂會自然下垂成180°不彎曲直臂慢速向前行走。這種擺臂行走是人體最放松的一種行走姿態，當行走速度加快時，手臂同樣也會采用這樣的直臂擺臂方式。但在健走過程中，若以180°角度擺臂，此時的人體手臂擺動的半徑最大，這樣不僅會增加肩頸部肌肉用力程度；同時，如果長時間甩手，血液會隨著重心力的緣故聚集在手掌，使手掌產生酸脹感。因此，在科學的健走過程中，通常建議采用肘部彎曲90°擺動（或80°～100°之間），在減少手臂運動軌跡的同時，在曲臂的過程中，還能使手臂血液很好的回流，減少手掌發脹發酸的現象［31］。

基于上述結論，許多學者均采用在肘部彎曲90°或80—100°之間的基礎上，通過增大手臂擺動的幅度，研究其對行走模式和行走過程中能量消耗的影響。研究表明，增大擺臂角度會使步頻降低、步幅增加［26］。

Peter［26］等人在規定向前擺臂肘部彎曲90°，向后擺臂最后時刻肘關節角度必須達到170°，手臂高度過肩的條件下，測得行走中的耗氧量比正常擺臂增加10%。而當增大擺臂配合手臂加載后，耗氧量可繼續增加達到33%。證明相同速度下增大擺臂確實能夠提高行走中的能量消耗。同樣，Auble［27］和 Miller［28］等人在采用與Peter相似的擺臂要求下，采用增大擺臂附帶手臂加載的方式，測得耗氧量比普通擺臂健走方式增加24%和34%。但遺憾的是，Peter等人忽略了其他影響因素對能量消耗的影響，并沒有證明能量的增加主要是因為上肢肌肉的運動強度增加還是主要由于增大擺臂所導致的步幅增加所引起的。因此后續的實驗應在前人研究的基礎上全面考慮，因為手臂擺動的細微改變都會引起整個行走模式的巨大改變，因此除了考慮手臂擺動因素外，也應考慮其他因素對能量消耗的影響大小。

5 結 論

本篇綜述初步介紹了限制、加載、以及增大手臂擺動對行走模式以及能量消耗的影響。由于手臂擺動是走路過程中神經控制調節人體行走模式的重要途徑，因此限制手臂擺動會顯著影響走路的協調性，并且增加能量消耗；相反，手臂加載并不會顯著影響走路過程的協調性，并且只有在達到一定負重、一定速度的情況下才會顯著增加走路過程中的能量消耗；而在增大擺臂幅度的研究中，已經證實增大擺臂對走路協調性會產生一定影響，同時也證實了在同時增大擺動幅度并加載重量的情況下，能量消耗會顯著增加。

手臂擺動是維持人體正常行走步態的最基本因素。通過研究非常規的手臂擺動對行走及能量消耗的影響，不僅可以提高單位時間相同速度下正常人行走的能量消耗，而且對于手臂功能障礙者（如帕金森綜合癥患者）異常手臂擺動與正常人行走過程中能量消耗異同的研究也有積極的意義。

［1］Ainsworth B，Haskell W，Whitt M，Irwin M，et al.Compendium of physical activities:an update of activity codes and MET intensities［J］.Medicine and Science in Sports and Exercise，2000，32（9suppl）:S498-516.

［2］Pate R，Pratt M，Blair S，.Haskell WL，et al.Physical activity and public health:a recommendation from the Centers for Disease Control and Prevention and the A-merican College of Sports Medicine［J］.Journal of the American Medical Association，1995，273（5）:402-407.

［3］Elftman，H.The functions of the arms in walking［J］.Human Biology，1939（11）:529-535.

［4］Ballesteros M，Buchthal P，Rosenfalk，P.The pattern of muscular activity during the armswing of natural walking［J］.Acta Physiogogia，1965，63（3）:296-310.

［5］Hogue R.Upper-extremity activity at different cadences and inclines during normal gait.［J］.Physical Therapy，1973，47:272-284.

［6］Murry MP，Sepic SB，Barnard EJ.Patterns of sagittal rotation of the upper limbs in walking［J］.Physical Therapy，1967，47（4）:272-284.

［7］Jackson KM，Joseph J，Wyard J.The upper limbs during human walking part 2:function.［J］.Electroencephalogr Clinical Neurophysiology，1983，23:435-446.

［8］Dietz V，Fouad K，Bastiaanse CM.Neuronal coordination of arm and leg movements during human lomocation［J］.European Journal of Neuroscience，2001，14:1906-1914.

［9］Wannier T，Bastiaanse C，Colombo G and Dietz V.Arm to leg coordination in humans during walking，creeping and swimming activities［J］.Experimental Brain Research，2001，141（3）:375-379.

［10］Haridas C，Zehr EP.Coordinated interlimb compensatory responses to electrical stimulation of cutaneous nerves in the hand and foot during walking［J］.Journal of Neurophysiology，2003，90（5）:2850-2861.

［11］Delwaide PJ，Figiel C，Richelle C.Effects of postural changes of the upper limbs in the reflex transmission in the lower limbs in the reflex transmission in the lower limbs［J］.Journal of Neurosurgery and Psychiatry，1977，40（6）:616-621.

［12］Sigg JA，lces JA，Gaba JC，Sforzo GA.Effects of arm position on parameters of normal gait in older persons［J］.Clinical Kinesiology，1997，51（4）:33-36.

［13］Eke-Okoro ST，Gregoric M，Larsson LE.Alterations in gait resulting from deliberate changes of armswing amplitude and phase［J］.Clinical Biomechanics，1997，12（7-8）:516-520.

［14］Chapman MW，Ralston HJ.Effects of Immobilization of the Back and Arms on Energy Expenditure during Level Walking.Biomechanics Laboratory，University of California.1964.

［15］E Hanada，DC Kerrigan.Energy consumption during level walking with arm and knee immobilized［J］.Archives of Physical Medicine and Rehabilitation，2001，82（9）:1251-1254.

［16］Ortega JD，Fehlman LA，Farley CT.Effects of aging and arm swim on the metabolic cost of stability in human walking［J］.Journal of Biomechanics，2008，41（7）:1417-1426.

［17］Umberger B.Effects of suppressing arm swing on kinematics，kinetics，and energetics on human walking［J］.Journal of Biomechanics，2008，41（11）:2575-2580.

［18］Collins SH，Adamczyk PG，Kuo AD.Dynamic arm swinging in human walking［J］.Proceeding-s of the Royal Society（Biological Science）2009，276（1673）:3679-3688.

［19］Yizhar Z.，Boulos S，Inbar O，Carmeli E.The effect of restricted arm swing on energy expendit-ure in healthy men［J］.Internatinal Journal of Rehabilitation Research，2009，32（2）:115-123.

［20］Baldissera F，Cavallari P.Neural compensation for mechanical loading of the hand during coupled oscillations of the hand and foot［J］.Experimental Brain Reaearch，2001，139（1）:18-29.

［21］Kelso JA，Jeka J.Symmetry breaking dynamics of human multilimb coordination［J］.Journal of Experimental Psychology:Human Perception and Performance，1992，18（3）:645-668.

［22］Jeka J，Kelso J.Manipulating symmetry in the coordination dynamics of human movement［J］.Journal of Experimental Psychology:Human Perception and Performance，1995，21（2）:360-374.

［23］Serrien DJ，Swinnen SP.Load compensation during homologous and non-homologous coordi-nation［J］.Experimental Brain Research，1998，121（3）:223-229.

［24］Donker S，Daffertshofer A，Beek PJ.Effects of velocity and limb loading on the coordination between limb movements during walking［J］.Journal of Motor Behavior，2005，37（3）:217-230.

［25］Maud PJ，Stokes GD，Stocks LR.Stride frequency，perceived exertion and oxygen cost response to walking with variations in arm swing and hand-held weight［J］.Journal of Cardiopu l-monary Rehabil，1990，10（8）:294-299.

［26］Auble T，Schwartz L.Robertson R.Aerobic requirements for moving hand weights through various ranges of motion while walking［J］.Physician and Sportsmedicine，1987，15（6）:133-140.

［27］Miller J，Stamford B.Intensity and energy cost of weighted walking vs Running for men and women［J］.Journal of Applied Physiology，1987，62（4）:1497-1501.

［28］Abe D，Yanagawa K，Niihata S.Effects of load carriage，load position，and walking speed on energy cost of walking［J］.Journal of Applied Ergonomics，2004，35（4）:329-335.

［29］Owens SG，Al-Ahmed A，Moffatt RJ.Physiological effects of walking and running with hand-held weights［J］.Journal of S ports Medicine Physical Fitness，1989，29（4）:384-387.