運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究技術(shù)的發(fā)展與存在問題

王瑩 鄭州澍青醫(yī)學(xué)高等專科學(xué)校

對于學(xué)術(shù)界的研究來說，物理學(xué)家對生物體運(yùn)動(dòng)，尤其是人體運(yùn)動(dòng)有較高的研究熱情和積極性。但是從研究的現(xiàn)狀來說，運(yùn)動(dòng)包含了簡單的機(jī)械運(yùn)動(dòng)以及復(fù)雜的生命運(yùn)動(dòng)等。雖然專家學(xué)者對此展開了深入、全面的論述和分析，但是在研究過程中仍然還存在無法解決的問題。對于這部分問題，當(dāng)前甚至缺乏清晰、準(zhǔn)確的內(nèi)容表述。甚至對于部分情況而言，難以進(jìn)行問題的提出，也有很多沒有被發(fā)現(xiàn)的情況。這些也都使當(dāng)前生物力學(xué)研究處于初級(jí)階段，同時(shí)這些問題存在也是推動(dòng)我國核電技術(shù)飛速發(fā)展的原因所在。對于生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行解讀，本質(zhì)上是基于研究技術(shù)決定的。過去在進(jìn)行分析上，主要是基于測量技術(shù)的發(fā)展，而今則是基于分析技術(shù)發(fā)展。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究上，通過對技術(shù)發(fā)展的分析，能夠促使我們了解當(dāng)前學(xué)術(shù)界已經(jīng)完成了哪些研究、當(dāng)前正在開展的研究內(nèi)容以及未來要進(jìn)行怎樣的研究、如何進(jìn)行研究工作開展等。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究上，研究取得了一定能成績后，我們必須要充分意識(shí)到當(dāng)前技術(shù)發(fā)展過程中遭遇的問題，并重視對問題的優(yōu)化和改善，通過強(qiáng)化技術(shù)研究，能夠促使我們在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究上，取得較為出色的突破性進(jìn)展。

一、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的原理性分析研究階段

對于生物體運(yùn)動(dòng)力學(xué)問題的探討，事實(shí)上，從目前的研究現(xiàn)狀來說，公元前古希臘哲學(xué)家以及自然科學(xué)家亞里士多德對此也給予了較高的關(guān)注。早期在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究上，列奧納多·達(dá)·芬奇也立足力學(xué)以及人體解剖學(xué)視角出發(fā)，針對人體運(yùn)動(dòng)以及姿勢進(jìn)行了細(xì)致的探討。在這個(gè)階段的研究上，學(xué)者在進(jìn)行人體步態(tài)力學(xué)的探討上，和當(dāng)前近代身體運(yùn)動(dòng)學(xué)的研究有較高的相似性。而且，列奧納多·達(dá)·芬奇在研究的過程中，其通過大量的分析，也提出了所有能夠運(yùn)動(dòng)的物體在運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)上，都是基于力學(xué)定律達(dá)成的。1615年的時(shí)候，哈維在研究上，針對人體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了剖析，同時(shí)在研究上其引入了力學(xué)質(zhì)量守恒法則以及流體力學(xué)連續(xù)原理，通過分析指出，事實(shí)上對于人體而言，人體會(huì)有循環(huán)系統(tǒng)的存在。雖然哈維一生都沒有看到這個(gè)循環(huán)系統(tǒng)，但是從理論角度來說，無疑他的推論有較為突出的意義。后來經(jīng)過了半個(gè)多世紀(jì)，馬皮希通過實(shí)驗(yàn)的方式對列奧納多·達(dá)·芬奇給出的這個(gè)觀點(diǎn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。進(jìn)入到17世紀(jì)后，笛卡爾在研究中，嘗試將人體看作是一個(gè)機(jī)器，其在針對人體運(yùn)動(dòng)的研究上，立足純力學(xué)的觀點(diǎn)出發(fā)，完成了復(fù)雜人體結(jié)構(gòu)魔性的構(gòu)建。在其構(gòu)件的這個(gè)模型中，將神經(jīng)功能納入其中。毫無疑問，他的研究思想有較為出色的創(chuàng)造價(jià)值。當(dāng)前，依然有很多學(xué)者在針對其觀點(diǎn)進(jìn)行深入的分析，并進(jìn)行了理論的不斷豐富。通過大量的研究，促使我們在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究領(lǐng)域，也取得了較為出色的研究成績。此外，同樣是在17世紀(jì)，博雷利在研究的過程中充分的融合了解剖學(xué)和力學(xué)，從系統(tǒng)的視角出發(fā)，針對人以及動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了闡釋和研究，結(jié)合研究觀點(diǎn)的分析，博雷利成功完成了《論動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)》的編寫。《論動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)》是目全球首部運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)作品。

在這個(gè)階段中，雖然有不少專家學(xué)者針對生物運(yùn)動(dòng)力學(xué)問題展開了豐富的探討，但是這些研究依然僅僅是立足原理視角來進(jìn)行問題的分析。在觀點(diǎn)研究的過程中，其核心的工作內(nèi)容僅僅是基于力學(xué)來進(jìn)行以前沒有被納入力學(xué)領(lǐng)域問題的探討和解決。在研究過程中，學(xué)者對人體運(yùn)動(dòng)力學(xué)問題給予了較高的關(guān)注。通過這些原理性問題的研究和探討，為后續(xù)深入進(jìn)行相關(guān)研究工作的深入推進(jìn)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

二、關(guān)于運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的實(shí)驗(yàn)測量技術(shù)研究階段

隨著學(xué)術(shù)界學(xué)者研究的不斷深入，學(xué)者在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究工作開展上，在研究的過程中，不再是單純停留在原理性分析階段，而是逐步開始進(jìn)入到實(shí)驗(yàn)測量階段。最早將運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)觀點(diǎn)引入到實(shí)驗(yàn)測量階段的學(xué)者是韋伯兄弟。其在1836年的時(shí)候，在研究的過程中針對計(jì)時(shí)方式引入發(fā)條時(shí)鐘方式，并針對人體運(yùn)動(dòng)過程中的基本位移運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行了研究，主要是人體在行走過程中的空間以及時(shí)間特點(diǎn)等。通過研究，其明確提到，要想確保有較快的行走速度，要求在過程中有盡可能少的支撐時(shí)間。另外，在該領(lǐng)域的研究中，繆勒的研究則是圍繞人體的走動(dòng)以及跑動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)和規(guī)律進(jìn)行了探討。繆勒在進(jìn)行具體的研究實(shí)驗(yàn)開展上，選擇人體在走動(dòng)以及跑動(dòng)過程中的特點(diǎn)進(jìn)行了研究，同時(shí)認(rèn)為人在走動(dòng)以及跑動(dòng)的過程中，人體下肢支撐期和擺動(dòng)期之間存在較為突出的時(shí)間、比例關(guān)系。但是在研究中，由于多方面因素的制約，致使其在相應(yīng)的研究工作開展上，比如真正實(shí)現(xiàn)對整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中影像的描記。對于運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究發(fā)展來說，在歷史進(jìn)程中，其中一個(gè)最關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)是麥布里奇在1877年的時(shí)候?qū)︸R奔跑動(dòng)作進(jìn)行了連續(xù)照片的拍攝。為了確保照片拍攝的效果，其在拍攝時(shí)共計(jì)使用了24架照相機(jī)，通過這種方式完成對馬連續(xù)奔跑時(shí)動(dòng)作的記錄。在完成了對馬屁奔跑動(dòng)作的記錄后，其又使用這些照相機(jī)針對人體的行走以及跑的動(dòng)作進(jìn)行了連續(xù)照片的拍攝。通過對這些資料展開深入的研究，其在1901年完成了《運(yùn)動(dòng)中的人體圖像》的撰寫并成功發(fā)表。通過麥布里奇的這些研究，為后續(xù)深入進(jìn)行影響測量方法的研究奠定了扎實(shí)的研究基礎(chǔ)。同時(shí)其研究也促使影響分析得以萌芽和發(fā)展。為紀(jì)念麥布里奇在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究領(lǐng)域作出的貢獻(xiàn)，在第11屆國際生物力學(xué)大會(huì)上專門設(shè)立了“麥布里奇杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”，對所有為推動(dòng)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)發(fā)展做出優(yōu)秀成績的專家和學(xué)者予以表彰。隨后，馬勒、德美尼等人給出了運(yùn)動(dòng)軌跡定片照相法和連續(xù)光點(diǎn)照相法，迄今還有不少學(xué)者在進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)研究時(shí)使用這些方法。在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究的進(jìn)程中，布拉溫以及菲舍爾通過尸體解剖測量技術(shù)的引入，對人體環(huán)節(jié)質(zhì)量以及環(huán)節(jié)質(zhì)心參數(shù)進(jìn)行了測量，并結(jié)合測量結(jié)果完成首個(gè)人體質(zhì)量分布模型構(gòu)建。這些研究為后續(xù)更好進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)數(shù)理分析奠定了堅(jiān)實(shí)的研究基礎(chǔ)支撐。

對于運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)測量技術(shù)的研究而言，其中還有一個(gè)突出的節(jié)點(diǎn)是希爾在研究中通過使用青蛙的縫匠肌，針對肌肉縮短過程中的肌張力、肌縮短速度、肌肉產(chǎn)生的熱量及肌肉維持?jǐn)伩s狀態(tài)所需熱量進(jìn)行了分析，并引入熱力學(xué)第一定律，完成希爾方程的構(gòu)建。方程獲取的結(jié)果和具體實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果之間有較高的一致性，其也因此成為肌肉力學(xué)理論研究基礎(chǔ)的奠基者。通過大量的實(shí)驗(yàn)分析，證實(shí)了在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究上，正式步入到實(shí)驗(yàn)測量技術(shù)階段。

三、運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的現(xiàn)代測量技術(shù)階段

隨著技術(shù)的升級(jí)和發(fā)展，促使當(dāng)前在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究上也取得了較為出色的突破和成績，當(dāng)前也已經(jīng)逐步步入到現(xiàn)代測量技術(shù)階段。對于現(xiàn)代測量技術(shù)階段而言，其是源于當(dāng)前信息技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，此時(shí)在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究上，有了更豐富的研究技術(shù)支撐。其中最突出的研究技術(shù)就是智能分析技術(shù)。

在研究歷程中，阿馬爾經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)分析和探討，完成了全球首臺(tái)兩分量測力平臺(tái)的構(gòu)建。通過該平臺(tái)的研發(fā)，能夠推動(dòng)運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究步入到全新階段。后萊曼德通過研究提出了肌電測量技術(shù)。阿馬爾和埃弗特曼等在研究的過程中，通過圍繞人體運(yùn)動(dòng)效率進(jìn)行深入的分析和探討，并結(jié)合獲取的研究結(jié)果提出了力能學(xué)測量技術(shù)。在該技術(shù)的基礎(chǔ)上，也有不少學(xué)者對其展開了深入研究，完成了肌力優(yōu)化技術(shù)和能量優(yōu)化技術(shù)的研發(fā)。現(xiàn)代科技的發(fā)展，促使傳感、高速影像等不同技術(shù)出色的應(yīng)用，為此在這種背景下，學(xué)術(shù)界在進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)研究上，也步入到三維運(yùn)動(dòng)學(xué)以及空力學(xué)空間研究階段。隨著計(jì)算機(jī)信息技術(shù)的發(fā)展，人們可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)的模擬，在這種情況下，促使在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究上也取得了突破性的研究進(jìn)展，研究者在進(jìn)行人體運(yùn)動(dòng)研究上可以借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行人體慣性參數(shù)的測量和模擬，從而在這個(gè)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)人體質(zhì)量分布模型的構(gòu)建。

所以進(jìn)入到全新的研究階段后，在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究上，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化研究技術(shù)的引入，促使在進(jìn)行研究過程中能夠有更豐富的研究技術(shù)支撐，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)清晰力學(xué)圖像的構(gòu)建。當(dāng)前，在學(xué)術(shù)界的研究過程中，學(xué)術(shù)界的學(xué)者們也已經(jīng)意識(shí)到高新技術(shù)引入對運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究的價(jià)值和意義，并能夠不斷進(jìn)行相應(yīng)研究理論的拓展，重視在當(dāng)前運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究過程中技術(shù)難題的合理剖析，并運(yùn)用技術(shù)來實(shí)現(xiàn)問題的解決。唯有如此，方可確保在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的相關(guān)研究上，能夠取得質(zhì)的突破。

四、結(jié)論

總之，隨著時(shí)代的進(jìn)步和發(fā)展，當(dāng)前我們在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究領(lǐng)域也取得了較為出色的研究成果和研究成績。但是在看到當(dāng)前學(xué)者在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究領(lǐng)域取得較為出色的研究突破同時(shí)，我們也必須意識(shí)到，對于運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究而言，當(dāng)前依然還存在一些需要解決的問題，主要是對于運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究過程中，如何實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)學(xué)習(xí)與控制、肌力與肌電二者之間的關(guān)系以及力學(xué)量如何實(shí)現(xiàn)體內(nèi)傳遞等。在未來關(guān)于運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究工作開展上，既要重視對既有研究成果的充分尊重，同時(shí)還要在研究的同時(shí)，不斷發(fā)展運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究過程中存在的問題，并結(jié)合這些問題，引入更多先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究的不斷深入，促使我們在運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)研究領(lǐng)域能夠取得更具突破性的研究成績。