生物力學(xué)在運動控制與協(xié)調(diào)研究中的應(yīng)用

雷兵兵

中圖分類號：G80-05 文獻標識：A 文章編號：1009-9328（2016）12-021-01

摘 要 肌肉的主動收縮和舒張控制之下動物會產(chǎn)生各種不同的運動形態(tài)，這屬于肌肉力矩的主動改變而肢體運動又會反作用于肌肉力矩。在不斷的進化中人類逐漸形成自身完善的神經(jīng)肌肉系統(tǒng)負責自身運動的控制與協(xié)調(diào)。除了主動的肌肉力矩之外，接觸力矩、重力力矩以慣性力矩也會對肢體運動的具體方式和表現(xiàn)產(chǎn)生影響，生物力學(xué)是研究人類運動控制機制的基礎(chǔ)，因而本文就生物力學(xué)在運動控制與協(xié)調(diào)研究中的作用進行了分析。

關(guān)鍵詞 生物力學(xué) 運動 控制協(xié)調(diào) 應(yīng)用

人體運動需要在多個部分的共同協(xié)調(diào)配合下完成，而單純運動學(xué)角度只針對物體的運動效果以及其他外作用力的影響進行研究，無法對人體肢體運動控制和協(xié)調(diào)的具體機制作出判斷。生物力學(xué)從關(guān)節(jié)力矩的角度并結(jié)合運動動力學(xué)方法可以對肢體運動的產(chǎn)生方式和作用機制進行科學(xué)合理的分析，推動人體運動控制機制理論研究的發(fā)展。

一、生物力學(xué)與運動控制的關(guān)系分析

肌肉的收縮是人類肢體運動最直接的動力，人體神經(jīng)系統(tǒng)可以對不同部位的新陳代謝速率和能量釋放方式進行調(diào)整，從而起到控制骨骼肌腱可控張力的效果，肌腱又將動力傳給關(guān)節(jié)、韌帶以及骨骼等，最終實現(xiàn)對各個運動單位的控制。神經(jīng)肌肉骨骼系統(tǒng)包括肌肉運動單位與神經(jīng)元之間的突觸連接、運動單位疊加與肌腱上的合力、肌肉骨骼系統(tǒng)的整合以及關(guān)節(jié)力矩整合協(xié)作四個層次。人體的骨骼、肌肉結(jié)構(gòu)都十分復(fù)雜，因而神經(jīng)中樞系統(tǒng)很難直接對每個運動單位進行控制，目前猜測中樞神經(jīng)系統(tǒng)對運動目標協(xié)作實現(xiàn)方式或者是關(guān)節(jié)水平運動方式進行控制，再由該環(huán)節(jié)傳達至各個運動單元。

二、運動控制的生物力學(xué)研究技術(shù)

（一）生物傳感器技術(shù)

目前生物傳感器技術(shù)在科學(xué)研究中的應(yīng)用已經(jīng)較為廣泛，包括力量、肌電圖、加速度以及位移傳感器等等，這些技術(shù)相關(guān)專業(yè)的教科書以及很多文獻中都有涉及到。隨著研究的深入和技術(shù)的發(fā)展三維陀螺儀運動測量技術(shù)應(yīng)運而生，在生物力學(xué)測量中可以對物體的運動速度、不同時間點的方位、角度等數(shù)據(jù)進行測量和記錄，因而可以應(yīng)用于疾病診斷和治療康復(fù)中，該技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也日益廣泛。

（二）生物力學(xué)建模與仿真

當人體運動時除了肢體的外部狀態(tài)，肌肉狀態(tài)、關(guān)節(jié)連接處軟組織的形狀等也會發(fā)生一定的變化，而對這種形變進行觀察和研究的難度較大，因而可以將整個人體作為一個完整的運動系統(tǒng)并以此為基礎(chǔ)建立相應(yīng)的人類肢體運動動力學(xué)研究方程，也可以將其稱為生物力學(xué)模型。研究方向以及研究切入點的不同都會對最終的模型構(gòu)建產(chǎn)生影響，一般來說任意運動的計算機模擬或者仿真需要應(yīng)用正向動力學(xué)知識和技術(shù)，而對肢體運動的外力因素進行測量時則需要應(yīng)用逆向運動學(xué)。

（三）運動學(xué)影像技術(shù)

影像技術(shù)在生物力學(xué)研究領(lǐng)域的應(yīng)用由來已久，隨著科技的進步和科研領(lǐng)域投入的提高，更多新型的運動學(xué)影像技術(shù)開始出現(xiàn)。高速熒光透視技術(shù)可以對人體運動狀態(tài)下的骨骼、關(guān)節(jié)的情況進行精確的分析，拍攝速度更快且由于無侵入性對人體的傷害也更小。將該技術(shù)應(yīng)用于人體醫(yī)療中將大大提高骨科檢驗的準確性。即時超聲波成像技術(shù)可以將人體運動狀態(tài)下的肌肉、肌腱等的形態(tài)包括肌纖維排列、肌肉羽狀角的情況進行成像。

三、運動控制的生物力學(xué)原理

運動控制涉及的生物力學(xué)原理較多，本文就其中幾個較為重要的原理進行分析闡述。人們在做出某個動作之前，為了提高動作的完成效果，往往會先做一個跟目標動作方向相反的動作，例如扣籃時先將手臂抬高，一方面下扣動作的幅度更大，另一方面肌肉的彈力也會有所增大，下扣的力量隨之提高，這就是反向動作最佳起始力原理的典型表現(xiàn)。人體神經(jīng)肌肉系統(tǒng)功能的完善性，以及個體肌肉力量和爆發(fā)力量對于體育競賽成績有著重要的影響，在某些體育活動中，人們?yōu)榱双@取運動速度的最大沖量會采取一些助力措施，例如對于跳遠運動員來說，他們在進行跳遠前都會有助跑，鐵餅投擲運動員在投擲鐵餅時，也會有身體的旋轉(zhuǎn)運動等等，以上各項體育運動都是通過延長加速度時間和距離來增加力的作用效果，這體現(xiàn)的是運動速度的最大沖量原理。物體之間的碰撞效果一般會受到以下兩方面因素的影響，即物體質(zhì)量和速度這兩方面的影響，質(zhì)量與速度的乘積稱之為動量，生物力學(xué)中有打擊碰撞動量保持原理，該原理在運動控制中的體現(xiàn)有：網(wǎng)球的擊球、拳擊等等，運動員為了提高碰撞效果在確保撞擊速度時還會提高撞擊的力度。因此，對于運動員來說，一定要掌握運動控制的生物力學(xué)原理，進而將其在實際運動中得到充分運用，這對提高運動員成績來說起著非常重要的作用。

四、結(jié)束語

綜上所述，生物力學(xué)的應(yīng)用可以在對關(guān)節(jié)力矩和分量進行分析的基礎(chǔ)上研究神經(jīng)肌肉系統(tǒng)對肌肉收縮力矩的調(diào)節(jié)模式，主動的肌肉力矩在神經(jīng)系統(tǒng)的控制之下對運動產(chǎn)生的被動力矩進行對抗，在平衡的狀態(tài)之下完成肢體運動動作要求，生物力學(xué)的應(yīng)用大大降低了運動控制協(xié)調(diào)相關(guān)問題的理解難度。

參考文獻：

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