擺臂技術對無支撐依柳辛轉體相姿勢控制的影響

梁穎 王藝蘭 Michael Hiley

摘 ?????要：通過比較無支撐依柳辛動作轉體過程中身體軀干和擺動腿所形成擺動平面的姿勢表現和單足支撐的平衡表現，研究不同擺臂技術對姿勢控制能力的影響，并確定哪種技術會更有利于完成特定姿勢的平衡控制。運用動作分析系統對2名世界優秀競技健美操運動員于洋洋和Suwabe分別使用對側擺臂和同側擺臂技術完成無支撐依柳辛動作進行三維運動學分析，結果發現：與同側擺臂技術比較，運用對側擺臂技術運動員在轉體相中身體擺動平面更接近去目標矢狀面（P<0.001）、擺動腿與支撐腿形成的夾角峰值顯著增大（P<0.01）、上體軀干和支撐腿形成的夾角顯著減小（P<0.001）;人體重心和足底壓力中心傾斜角在前后方向的擺動范圍顯著減小（P<0.001），在左右方向的擺動范圍和校正上均顯著減小（P<0.01、P<0.001）。研究表明：運用對側式擺動技術有利于運動員將身體肢段移動到目標位置，并保持較好的平衡。

關 ?鍵 ?詞：運動生物力學;運動控制;無支撐依柳辛;轉體相;擺臂技術;姿勢控制

中圖分類號：G808 ???文獻標志碼：A ???文章編號：1006-7116（2020）02-0139-06

Abstract： By comparing the posture performance of the swinging plane formed by the torso and the swinging leg and single foot supported balance performance during unsupported Ilyushin turning， the authors studied the effects of different arm swinging techniques on posture control ability， and determined which technique is more conducive to balance control for completing a specific posture. By using the movement analysis system， the authors carried out a 3D kinematic analysis on the Ilyushin movement completed by such 2 excellent competitive aerobic athletes in the world as YU Yang-yang and Suwabe respectively by using the ipsilateral and contralateral arm swinging techniques， and revealed the following findings： as compared to the ipsilateral arm swinging technique， as for the athlete who used the contralateral arm swinging technique in the turning phase， the body swinging plane was closer to the target sagittal plane （P<0.001）， the peak value of the included angle formed by the swinging leg and the supporting leg increased significantly （P<0.01）， the included angle formed by the upper torso and the supporting leg decreased significantly （P<0.001）; as for the inclination angle of the body mass center and sole pressure center， the rang of back and forth swinging decreased significantly （P<0.001）， the rang and correction of left and right swinging decreased significantly （P<0.01， P<0.001）. The said findings indicate that using the contralateral swinging technique is conducive to the athletes moving the body and limbs to the target position and maintaining better balance.

Key words： sports biomechanics;movement control;unsupported Ilyushin;turning phase;arm swinging technique;posture control

姿勢和運動動作之間相互作用的本質是運動神經科學領域長期懸而未決的問題[1]。無支撐依柳辛是藝術體操和競技健美操項目中使用頻率較高的難度動作，尤其在競技健美操中，以此為根命名的動作最高分值可達0.9分，體現運動員的平衡和柔韌素質。轉體相是完成無支撐依柳辛動作的關鍵，運動員從直體單足站立姿勢開始，完成垂地劈腿并保持上下顛倒的姿勢轉體360度，因此保持特定姿勢和維持動態平衡的穩定性是轉體相的中心焦點。然而，整個身體圍繞單足進行轉體是個特別復雜的動作，比如芭蕾舞中的腳尖旋轉，因為影響平衡的肢體調配和重心穩定的兩元素同時存在[2-3]。那么，直體圍繞復合軸轉體技術動作中身體姿勢和平衡的協調控制呈現什么特征呢？目前對于此類問題的研究成果非常少見。

當今世界重大賽場上流行兩種技術用于無支撐依柳辛動作，一種是滑動式，一種是埋入式。前者要求運動員支撐腿對側肩引領同側肩，依次貼靠支撐腿內側進行擺臂完成轉體;后者要求運動員雙肩同時貼靠支撐腿內側進行擺臂完成轉體。滑動式無支撐依柳辛和埋入式無支撐依柳辛主要區別就在于擺臂技術上，一種是對側擺臂，一種是同側擺臂。有研究指出走路時轉體的方向不同，身體肢段的空間位置也會不同[4]。因此，在動作技能實施過程中，運動員使用不同身體肢段配置完成同一動作會采用不同的姿勢控制策略，而這種策略又存在何種程度風險就是一個很值得研究的問題，尤其在圍繞混合軸轉體過程中，肢段移動到目標位置的策略不同是否影響維持特定姿勢的平衡控制。或者說不同的肢段調配是否會影響姿勢的穩定性。

Dieterich等[5]在研究中指出維持動作穩定是綜合多種感覺運動皮質系統而非僅僅前庭系統完成姿勢控制，但是還沒有研究證明在維持動力性單足平衡中何種姿勢對平衡控制有功能性作用[6-8]。盡管目前國外有少數學者已將姿勢控制研究轉移到簡單動作中，比如伸手去抓、拿和舉東西，著重探討了頭、軀干、手和膝蓋等肢段移動到目標位置的姿勢和任務動作中協調對維持平衡的影響。但是，缺乏技能準確性要求的動作，放大了各肢段的自由度，對于對身體肢段移動到目標位置作為獨立姿勢控制功能的評價上還是存在局限性。因此，研究有技能準確性要求的動力性動作中身體姿勢和平衡的協調控制機制，對闡述運動過程中身體各肢段位置和維持身體平衡功能變化規律，提出復雜動力性運動技能學習方法，有重要的理論價值和現實意義。

根據國際體操聯合會競技健美操規則，成套動作都必須表現出正確的身體姿勢（FIG，2017-2020）。就無支撐依柳辛動作而言，理想的姿勢控制是在維持單足平衡的基礎上，軀干和擺動腿的擺動平面在人體正中矢狀面上同時旋轉360°，否則動作不得分。然而，理論上運用同側式擺臂技術會使軀干與支撐腿各所在平面之間形成較大夾角，這不僅僅要求較大的髖關節伸展以使其擺動腿停留在矢狀面上，同時會為保持平衡帶來更大風險。動力性平衡是指調整身體重心（center of mass，CoM）在足底支撐平面內或者足底壓力中心內（center of pressure，CoP）而達到穩定狀態的能力[9]，這種維持穩定平衡的能力主要是依靠肌肉收縮力和協調調節能力[10]，大腦中樞神經系統會針對不同靜力性或動力性任務采取不同神經支配策略來維持身體平衡[11]。Horak等[12]曾提出動力性動作任務下的身體平衡是需要前饋控制的參與[12]，有了前饋控制，姿勢干擾才會被預測，引發預見性姿勢調整來維持其穩定性[13]。然而，不同技術任務下對同一動作的運動員身體呈現何種平衡控制特征目前還沒有被廣泛研究。

因此，本研究目的是通過比較擺動平面（軀干和擺動腿）的姿勢表現和單足轉體過程中的平衡表現研究不同擺臂技術對無支撐依柳辛動作擺動相姿勢控制的影響，并確定哪種技術會造成較少的姿勢偏差以獲得更好的平衡，即更有利于特定姿勢的平衡控制。本研究假設，對側式擺臂技術在維持特定姿勢的表現上要優于同側式擺臂技術，同時對側式擺臂技術對動力性平衡的影響要小于同側式擺臂技術。

1 ?研究對象與方法

1.1 ?實驗對象

于洋洋：世界冠軍（有氧舞蹈、有氧踏板和團體項目），中國健美操國家隊隊員，主要競賽項目是女子單人和混合雙人。

Kazuya Suwabe：亞洲冠軍（男子單人項目），日本健美操國家隊隊員，主要競賽項目是男子單人和混合雙人。

兩名運動員在競技健美操領域中均以卓越的專項柔韌素質和平衡素質著稱，比賽套路中一直有采用以無支撐依柳辛為根命名演化的動作，成功率很高。

實驗程序獲得早稻田大學體育科學人類研究倫理審查會的同意。

1.2 ?實驗儀器

實驗運用配有8個高速攝像頭的動作分析系統（Motion Analysis Corp.，Santa Rosa，CA）對兩名優秀運動員各運用對側擺臂和同側擺臂技術完成無支撐依柳辛動作進行拍攝，采樣頻率1 000 Hz。根據人體骨性標志，在受試者身上貼附45個反光球，如圖1所示[14]，赤腳站在1臺Kistler三維測力臺上完成動作，采樣頻率200 Hz。

1.3 ?實驗場地與控制

于洋洋的實驗是在北京體育大學科研中心完成;Kazuya Suwabe的實驗是在早稻田大學運動人體科學實驗室完成。兩次實驗的前期準備、操作、記錄均為相同人員完成。

1.4 ?實驗過程

1）實驗前準備。

準備實驗器材，調試實驗儀器;向受試者講解實驗流程、注意事項，簽署實驗知情同意書;引導受試者進行中強度慢跑熱身、拉伸，循序漸進進行專項準備活動;貼附反光球。

2）實驗。

要求受試者目視前方，靜止站在測力臺前，聽到motion系統數據收錄指令后，上步至測力臺上完成動作;完成動作過程中要求受試者盡自己最大能力維持平衡，并在動作完成后保持安靜狀態直至數據收錄結束。測試10次，每次動作之間間歇30 s。

1.5 ?數據分析

由競技健美操國際級裁判根據視頻選取6次完美完成的動作進行數據解析。數據指標選取擺動平面角（身體擺動平面和目標矢狀面的夾角）α、擺動角（擺動腿和支撐腿的夾角）β、軀干角（軀干和支撐腿的夾角）γ、CoM和CoP傾斜角在左右方向和前后方向的移動范圍η和θ（見圖2、3）[15]。

2 ?結果與分析

2.1 ?轉體相姿勢調整對比

由表1可以看出，運用對側式擺動技術的運動員在轉體相中其擺動平面更靠近目標矢狀面，同側式擺動技術下運動員身體擺動平面與目標矢狀面的夾角平均約75.7°，相比較對側式下的64.9°，偏大約11°;轉動相中兩種擺動技術下的擺動腿和支撐腿之間的最大角度也存在非常顯著性差異，同側式是164.8°，較對側式169.2°偏小4.4°;同時，上體軀干與支撐腿之間的夾角在兩種擺動技術下也存在非常顯著性差異，同側式是29.7°，相比較對側式下的18.2°偏大約11.5°。

2.2 ?轉體相平衡調節的對比

圖4是不同擺臂技術下運動員在轉體相中身體重心和足底壓力中心在左右（前后）方向上隨時間變化的軌跡波動圖。在左右方向上，兩種技術下的平衡調整明顯，但呈現不一樣特征。運用對側式技術的運動員身體質心波動幅度較大于足底壓力中心，而運用同側式技術的運動員足底壓力中心軌跡波動較明顯。在前后方向上，運用對側式技術的運動員身體質心和足底壓力中心軌跡隨時間的波動幅度極為相近，而運用同側式技術的運動員足底壓力中心的軌跡在轉動相后半部分的調整更為明顯。

由表2可以看出，運用兩種擺動技術的運動員在左右擺動范圍上無顯著性差異，但運用對側式擺動技術運動員在轉體相中維持身體平衡的校正度數（19.3°）顯著性小于同側式擺動技術的運動員（25°）;與運用同側式擺動技術的運動員比較，運用對側式擺動技術的運動員在前后方向上的擺動范圍和校正度數上差異顯著，分別偏大3.7°和14°。

3 ?討論

姿勢控制系統有兩個主要功能：（1）有反重力的功能，從而建立姿勢;同時，身體平衡也依靠這種反重力的功能，在靜態條件下要求重心投影必須保持在支撐表面里。（2）作為一個對外部世界進行感知和反應的參考系（身體肢段比如頭、軀干或胳膊的位置和方向可以形成一個參考系，用于計算外部目標位置以及組織身體移動到這些目標）。也就是說，姿勢控制的目的是在重力環境中維持平衡和方向[16]。體操等技巧類項目運動員被證實具有優秀的平衡能力，在動作表演過程中可以靈活地、穩定地移動他們的重心完成動作。然而，如何提高運動和感覺功能來提高動力平衡目前還沒有確定。Hrysomallis在研究中推測專項運動神經適應性有利于肢體間的協調運動，可以更有效和更穩定地完成動作[17]。許多之前關于運動技能學習的研究指出，人在完成專門動作中的注意力將決定怎樣流暢地、一致地完成動作，產生怎么樣準確的效果，籠統地說就是決定怎么樣表現好一個運動技能[18]。因此，不同注意力下完成同一運動技能而采用的姿勢控制策略就非常值得研究。

本實驗2名優秀運動員運用不同運動技術完成同一運動技能，裁判根據臨場經驗均判得分，然而經運動生物力學分析得出有趣結果。垂地劈腿是無支撐依柳辛在轉體相中需要重點保持的姿勢，根據FIG競技健美操規則（2017—2020年）兩腿間最低完成開度需要達到170°，2名運動員的柔韌性都是優秀的，尤其日本男運動員Suwabe以柔韌性出名，然而其在轉體相中的兩腿開度只有約165°。造成這一結果的原因有兩種假設，一是生理性柔韌不足，二是技術限制了柔韌動作的發揮。顯然他屬于后者。有研究指出當重心必須移動很快時人體會使用髖關節策略來維持身體平衡，即在髖關節處施加一個力矩從而迅速移動人體重心[19-20]。此外理論上，運用同側式擺臂技術，即支撐腿同側肩引領上體軀干開始轉體，那么上體軀干不可避免地和下肢形成一定夾角;而運用對側式擺臂技術，即支撐腿異側肩引領上體貼服支撐腿，通過依次劃肩進行轉體，基于生理構造的限制上體軀干與下肢還是會形成一定夾角，但較同側式要小。實驗證明兩種技術下運動員最小軀干角的差異性顯著，相差約12°。轉體相中另一重要的姿勢考量指標是擺動腿形成的擺動平面是否停留在初始地目標矢狀面上，表1顯示運用同側式的Suwabe在轉體相中下肢擺動平面與目標矢狀面形成的夾角大于于洋洋近11°，約等于兩者上體軀干和支撐腿形成的角度差。因此，從特定身體肢段移動至其目標位置的準確性角度上來說，運用對側式擺動技術運動員在維持垂地劈腿姿勢的轉體效果要優于同側式擺臂技術運動員，對側式擺動技術能夠使運動員在轉動相中身體擺動平面更靠近目標矢狀面，這和本實驗的假設是一致的。

平衡是人綜合視覺、本體感覺和前庭感覺系統的反饋信息[10，20-21]，迅速、連續、協調地完成神經肌肉收縮以維持人體重心垂直于支撐地面的過程[22]。身體重心或足底壓力中心的相關指標一直被運用來評價靜立性和動力性平衡能力。姿勢控制的效果取決于人體重心和足底支撐面的關系[23]。有研究指出，人體重心受到體格的影響[24]，高個人的重心較矮個人高，即使兩種人重心擺動相同大小，得到的結論也是不同的，因此用人體重心來評價平衡能力就有了限制。Winter DA[9]研究指出足底壓力中心可以給研究平衡控制的過程中提供新的見解，因為其直接關聯于人體重心的運動。然而，人體體格和足的大小在對組間進行比較得出的結果影響較大[24-25]。因此，Lee & Zhou[15]研究出用CoM_CoP傾斜角來研究人維持動力性平衡的能力。

實驗中運用不同擺臂技術運動員在左右方向表現出的平衡調整范圍上無顯著性差異，然而運用同側式擺動技術運動員在維持平衡狀態的身體搖擺校正上明顯大于運用對側式擺動技術運動員，這就是說其實施了較多控制才能保持較好的平衡狀態，也證明此項技術對其左右方向的身體控制帶來較大的平衡干擾。運動員在前后方向表現出的平衡控制差異顯著，運用同側式擺動技術運動員前后擺動幅度較大，這進一步證明了該運動員運用髖關節策略維持身體平衡。正如Horak[12]提出移動髖關節產生剪切力，從而在前后方向上移動身體質心。當人體在運動時的動態狀態下，工作肌肉產生的力和動量會隨著動作的變化而調整[26-27]。從動力學角度出發，雙臂同時快速下擺在相同時間內產生的肌肉收縮力要大于單臂快速下擺，人體所受的沖量也較大，那么需要保持身體處于穩定狀態抵抗破壞平衡沖擊力帶來的影響也較大。CoM_CoP傾斜角的校正指標可以看出，運用對側式擺臂技術運動員在前后方向的平衡控制上優于運用同側式擺臂技術運動員，符合本研究的假設即對側式擺臂技術對動力性平衡的影響要小于同側式擺臂技術。

運動技能的習得和表現需要運動員對其實施有效的姿勢控制，比如職業芭蕾舞蹈選手在成套編排中體現身體極致位置和姿勢上[28]，同時需要在正確的方向和面對鏡子、舞臺和觀眾的空間位置上完成，展示高水平的空間方位感，這主要依靠訓練經驗和精細運動協調性[29]。Teasdale[30]在研究中提出，姿勢控制是中樞神經系統在綜合多種感覺信息分析整合后下達指令，通過適宜的肌肉協同作用來維持平衡。無支撐依柳辛動作要求運動員在單足支撐下圍繞矢狀軸和垂直軸快速地進行轉體，在轉體過程中既需要穩定姿勢也需要維持身體平衡。研究者們普遍認為，快速動作的控制是開環回路控制，即利用前饋控制預先規劃運動指令，因為運動感覺反饋回路太慢不能實施有效調整。前饋控制是涉及在動作開始前肌肉的激活以及這些肌肉γ運動神經元活動時肌梭敏感性的增加，提高了反射性神經肌肉控制能力[31]。因此，在對復雜動力性快速動作的訓練過程中，教練應該決定哪一種技術方法更有利，并且運用這個知識制定訓練計劃以提高運動員的運動成績。同側式擺臂技術在動作實施過程中，運動員在前后、左右方向上均進行較大的姿勢調整，感知覺反饋信息在維持姿勢的穩定中會重新賦權[32-33]，小腦的平衡能力會被不同策略分散[34]，運動損傷的風險也相對較大。Hrysomallis[35，17]研究證明，維持平衡能力和運動損傷的風險關系甚為密切。未來研究將測量人體圍繞矢狀軸和垂直軸旋轉的力矩，也許可以提供更多信息來評價擺臂技術對無支撐依柳辛動作轉體相姿勢控制的影響。

本研究是針對身體圍繞復合軸轉體的動力性動作，從姿勢控制的兩個主要功能出發研究不同轉體技術在轉體相中身體肢段的有效移動和維持平衡的協調控制策略。研究結果表明，運用對側式擺動技術，即運動員支撐腿對側肩引領同側肩，依次貼靠支撐腿內側進行擺臂完成轉體的技術，有利于運動員將身體肢段移動到目標位置，并保持較好的平衡。

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