基于逆向动力学的短跑下肢肌肉工作特征研究综述

基于逆向动力学的短跑下肢肌肉工作特征研究综述
王志强
【摘要】逆向动力学是运动生物力学中重要的研究方法.本文从净肌力矩和关节功率模式、各环节能量产生、消散和传递、步态模拟等方面,对以往逆向动力学研究方法在短跑技术研究的应用进行了评述,并探讨了未来的可能探索方向.
【期刊名称】《南京体育学院学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2010(009)002
【总页数】3页(P153-155)
【关键词】短跑;逆向动力学;肌力矩;关节功率
【作者】王志强
【作者单位】武汉体育学院田径教研室,湖北,武汉,430079
【正文语种】中文
【中图分类】G822.1
Author’s address:Wuhan Institute of Physical Education,Wuhan 430079,China
许多年来,短跑技术的生物力学的研究集中于运动学方面。

虽然运动学研究对于动作技术分析与诊断发挥了一定的作用,但由于其只讨论动作的外在表象,而不涉及产生运动的原因,如内力、外力等,因而不能深刻揭示运动技术的内在本质特征。

为了克服运动学研究的不足,人们开始使用动力学的方法(如用测力台测量短跑时的支撑反作用力,使用等动测试系统分析短跑运动员的关节肌肉活动特点)和肌电研究
探讨短跑运动员技术差异产生的原因。

但常用的动力学和肌电的方法依然均存在局限性:利用测力台得到的地面反作用力只是人体所有关节肌群作用的综合体现,而无法解析出主要关节肌群于运动中的具体力学特征,其所提供的有关人体运动方面的信息是有限的;而等速力量测试属于实验室测量方法的一种,只能就单个环节的肌肉力量进行测试,因而与真正运动实践的肌肉力量特征还不尽相同;而肌电研究虽然对于判断运动中主要参与工作肌肉的数量,以及这些肌肉工作的先后顺序和激活程度发挥了很大的作用,但由于神经肌肉的兴奋程度与肌肉力量的大小变化并不一一对应,用肌电来判断肌肉力量只能采用大致性的比较,而且不能判断肌肉工作的性质。

以上研究方法的局限性使人们转向另一种研究思路――逆向动力学。

所谓逆向动力学(inverse dynamics)是指根据物体的运动表象,利用力学定律来求解使物体运动发生变化的动力表达。

对于人体运动而言,即根据测量所得到的各种运动学数据来推算人体各关节的肌力矩或人体系统内、外部的约束力。

运用逆向动力学方法来计算运动中人体关节反作用力与合肌力矩,首先必须对人体各环节进行受力分析,根据牛顿定律及单个物体的动量矩定理列出运动方程,采取从肢体远侧关节开始逐步计算至近侧关节的运算步骤求得所有关节的反作用力及合肌力矩。

短跑时摆动腿的肌力矩计算是基于对运动图像进行解析后所获得的运动学数据来推算肌力矩的;对于支撑腿而言,则可以综合身体环节的运动学特征、地面反作用力、压力中心等信息,利用“半逆向动力学”的方法使我们可以了解关节的肌肉活动特点。

国外的短跑动力学研究早在本世纪 30年代就出现了。

Fenn(1930)曾尝试用机械能这个指标定量分析不同短跑技术的成因。

Elftman(1940)继承和发展了 Fenn的研究成果并测定了各关节周围的肌力矩。

虽然这两位先驱在测定中都有误差,但这些知识与经验至今还是可以借鉴的。

另外,Dillman(1971)测定了摆动腿的肌力矩,并对短跑中的摆动时期的下肢肌肉活动进行了研究。

虽然关节肌肉动力学分析是评价短跑技术效果更有效的途径,但由于只有少数研究中心具备相关测试条件,因而对
短跑的关节肌肉动力学研究依然较少(Ralph mann,1983)。

由于测试条件的不便、计算过程的复杂性或对逆向动力学本身计算精度的顾虑,国内通过逆向动力学计算来探讨运动过程人体关节动力学特点的研究相当少。

对短跑的相关研究则仅见殷金生等(1983)和施宝兴(2003)。

快速向前跑进的实现和控制基于高水平的神经肌肉系统功能。

肌肉的力是身体环节运动的动力机制,但当前的技术条件下,我们还不能直接测量这些力。

因此我们须求助关节周围所有肌肉的净肌力矩(RJM)来量化肌肉力量的输出,并了解下肢各关节的肌力矩模式和关节肌肉工作方式。

在给定的关节,关节功率为关节净力矩与关节角速度的乘积。

当肌力矩与环节角速度方向相同时,关节肌群向心收缩做正功;如方向相反,关节肌群离心收缩做负功。

从慢跑到最高跑速,许多研究者都报道了不同跑速的关节净肌力矩(RJM)模式。

除了几个例外,人们多把注意力集中于髋、膝、踝三个关节。

虽然不是所有肌力矩数量的改变都是由于跑速造成的,但随着跑速的增加,关节肌力矩一般会有所增大。

Cavanagh et al(1977)、Mann&Sprague(1983)和W inter(1983)的研究发现,在同一跑速下,运动员间的肌力矩模式和量度的大小有相当大的不同。

这种不同可能是由于不同的着地距离造成的,也可能是受着地之初压力中心的确定以及着地过程中关节运动学参数的平滑难度的影响。

比较集中的短跑动力学研究是 1979年开始的。

其中,较经典的是 Ralph
mann&Sprague(1983)的研究。

其研究通过对 15名短跑运动员的运动学、动力学指标的同步测试,分析了一个单步周期中髋、膝、踝、肩、肘的关节肌力矩模式并指出:最大跑速取决于下肢产生大的肌力矩的能力;对短跑起最大作用是髋关节周围的肌肉活动;发挥下肢肌肉功率的能力对跑速的获得是非常重要的。

此外,他们还比较了疲劳与非疲劳状态下支撑腿肌力矩的变化,并认为保持肌肉活动水平的能力对最大跑速的维持有重要的作用,它与运动员掌握高效率的正确技术有密切关系。

丘巴(1981)分别研究了加速跑与途中跑时下肢的肌力矩模式与关节功率,结果表明,
以最大速度跑时,短跑运动员主要的缓冲装置和动力装置是踝关节;支撑腿的肌肉是
在退让——作功状态中进行工作的;在一个跑的周期中,髋关节周围肌群完成的机械功是 455焦耳,膝关节 31焦耳,踝 192焦耳;由于髋的能量再生能力更小,因而较其
肌肉易更早出现疲劳,在增强踝关节肌肉力量的同时,须注意髋关节的肌肉力量的发展。

为了探索更准确地计算肌力矩的方法,施宝兴 (2003)他通过一系列改进措施研究了途中跑支撑腿下肢三关节的肌肉活动特点并指出,只要能直接测量约束力与压心位置,采用逆向动力学的方法来研究运动技术中关节肌肉力量的变化规律还是可行的。

从功—能的角度讲,肌力矩所做的功将影响系统的机械能。

对于一定的肌力矩做功
而言,能量可以以各种不同的路径(环节间的转移)分配,或以不同的形式(如潜在的能量,导致转移的动力学,导致旋转的动力学)传递。

能量在环节中的分配和环节能量的表达可以看作是肌力矩及关节反力对任一环节做功的功能。

1980年,Robertson&W inter就能量在身体环节链系统中的功—能关系进行了详细的论述。

他们解释了通过关节反力的做功,以及能量是如何在相邻的环节实现转
移的。

当关节净力矩与关节角速度一致时关节功率为正值,关节肌群向心收缩做正功,这个功率在整个收缩期间内的积分值便是肌肉做的总功,这意味着肌肉产生能量
和能量向肢体的传递;当关节净力矩与关节角速度不一致时关节功率为负值,关节肌
群离心收缩做负功,这时外力对肌肉所做的功为总功,体现着能量由肢体环节流向肌肉,肌肉吸收能量(W inter,1983)。

通过研究关节和环节有关角量的机械功率的变化,能够了解关节肌群的功能和其重要性,确定肌群对环节运动的作用。

而基于能量
输出率、输入率和传递率进行定量分析则可有效地鉴别导致不同水平运动员技术不同的本质原因(VallilisVardaxis,1989)。

许多研究着眼于解释跑进时环节能量的产生、转移和消散以评价肌力矩模式的功能
意义和环节间的相互作用 (W inter, 1980、1983;Chapman,1983;Martin,1985):
髋肌力矩被认为是最重要的产能环节,髋肌力矩的产生的能量是人体总能量的限制
因素并决定着短跑时对摆动腿能量的输入。

膝关节首要的角色是吸收能量,在短跑
的摆动阶段末期,该肌力矩对能量的吸收能力被认为是步频和跑速最大的限制因素。

踝背伸肌在着地之初最重要的作用是能量消散(dissipation),并在支撑阶段后期扮
演产能角色;该肌力矩做的正功是膝伸力矩所做的正功的三倍,这表明,这些肌肉对推动人体向前和向上发挥着重要作用。

Chapman(1983)研究了能量是如何通过关节反力实现转移的。

他指出髋部的关节反力是摆动腿与身体其它部位尤其是支撑腿实现能量转换的途径,并认为在前支撑
阶段,髋部的关节反力是摆动腿重要的能量源,在后蹬阶段髋部的关节反力又是摆动
腿能量重要的“驱散器”。

VallilisVardaxis(1989)研究了不同水平短跑运动员途
中跑下肢环节机械功率的变化。

他从能量的输出、输入和传递角度分析了关节反力和肌力矩在短跑摆动阶段对下肢各关节和环节功率变化的影响,并比较了高级和中
级运动员在功率峰值以及变化方面的区别。

研究结果表明,大腿环节在离地和着地
阶段主要功率来源是髋、膝关节反力和髋关节肌力矩;小腿环节总功率是由膝关节
功率提供,踝关节肌群仅提供很小功率;足在整个摆动过程中仅受踝关节处的环节功
率的影响。

进而他指出,摆动过程中,髋关节肌群是输出功率的主要来源,而膝关节肌群却相反,它只是输入功率 (控制)。

优秀运动员在髋、膝关节的合关节功率、合肌
力矩和相对角速度的峰值均大于中级运动员。

阿江通良(1991)研究了短跑时下肢各环节的肌力矩与关节功率特点,并从能量在身
体各环节间传递的角度对最高跑速时下肢各环节的功能特征进行了分析:为了获得
最高跑速,发挥下肢特定肌群的关节功率是必不可少的,尤其是髋与膝的关节功率;在提高肌群专门功率的同时,合理发挥身体各部分间能量传递的作用也具有重要意义。

肌肉组织产生或消散能量的总量以及能量在环节间的传递效果被认为是跑的经济性
的标志。

Aleshinsky(1986)建议,须更好地通过高度协调的运动方式以及能量转换机制(转移及变形)减少由于肌肉收缩而产生的能量消耗。

已有研究表明,对于一个给定的跑速,较高的环节内部及环节间的能量转移与较低的氧耗有关。

刚度(stiffness)通常被认为是神经肌肉系统的控制方式的体现(Sami Kuttunen,2002)。

关节的肌力矩——角度关系可以解释为一个转矩弹簧,在外部力矩的作用下,该弹簧发生相应的扭转。

关节的刚度通常被定义为肌力矩——角度关系的斜率,其单位为N.m/°或N.m/rad。

此刚度并不是真正机械意义上的刚度,只是以关节肌力矩与关节角度变化之商作为关节的“类刚
度”(Latash&Zatsiorsky,1993)。

对支撑腿下肢刚度的研究有助我们理解支撑腿下肢关节的功能意义。

为了比较不同的运动方式对踝关节刚度的影响,Darren J.Stefanyshyn(1998)比较了慢跑和短跑时踝关节的肌力矩——角度的关系。

研究结果表明,无论是慢跑还是短跑,踝关节均表现为背伸肌力矩,在支撑过程的前半段吸收能量,而后半段产生能量,类似于弹簧先被压缩后又伸展。

在慢跑时踝关节的刚度为5.68N.m/°,在短跑时其刚度为7.38N.m/°。

进而他指出,踝关节的刚度并非个体特征,而是取决于不同运动方式对踝关节的要求;对于改善成绩而言,踝关节刚度的提高可能对提高跑速有益。

Sami Kuttunen(2002)以 10名短跑运动员为对象,探讨了不同跑速时
(70,80,90,100%的最高跑速)膝、踝关节的刚度变化。

研究结果表明,跑速增加时,踝关节的刚度比较稳定(7N. m/°)。

而膝关节的刚度则随着跑速的增加从17 N.m/°增至24 N.m/°(P<0.01)。

作者认为,短跑时支撑腿的“类弹簧”的行为主要通过膝关节刚度的调节实现的。

计算机仿真(模拟)技术已在航天、制造等众多领域得到了广泛的应用,并取得了巨大的成功。

70年代以后,国内外陆续报道了有关体育运动中人体运动计算机模拟的一些研究成果(Hatze H,1975,1981;Dapena,1981,1996;S.McGuan,1996;魏文
仪,1983;洪嘉振,1989;伍勰,2002)。

从长远的观点看,运用力学的原理,根据不同人
的个体特点,借助计算机进行人体运动的力学仿真和动作研究,是从生物力学角度研
究体育运动最先进、最具前景的一种方法。

在跑的过程中,我们对肌肉角色的理解大多数源于实验的测量。

而仿真则是以环节
最初的角位置、速度和肌力矩——时间模式为控制变量,通过一种算法来模拟跑的
运动过程。

由于它无需运动员重复试验就可使我们看到技术修改后的效果,因而模
拟技术对加深我们对跑的力学理解有很大潜力。

Phillips et al(1983)通过在运动的某些阶段膝肌力矩减少到零模拟了摆动腿的运动。

他们证明了在摆动初期膝伸肌力矩在制止膝屈的重要性、在摆动末期膝屈力矩在制止膝伸的重要性,以及在膝肌力矩为零时,在膝关节反力的作用下大腿对小腿的影响。

Wood et al(1985)模拟了腾空阶段摆动腿的不同方式的前摆所导致的腾空时间的
减少并指出,通过减少腾空时间来提高短跑速度会增加肌肉受伤的可能性。

对短跑技术的研究已经有相当长的历史,但我们对短跑技术的认识主要是来源于运
动学研究。

对于回答是什么原因致使运动员运动学参数的不同,并由此造成运动成
绩的差异这样的基本问题的相关研究却相当少。

未来短跑运动生物力学分析将从原来单纯的描述性研究 (动作分析)深入到内在机理的探讨。

尽管依然存在方法学上的局限性,但以往对短跑的逆向动力学研究,使我们初步了解
了短跑时下肢各关节净肌力矩和关节反作用力的变化规律,以判断引发环节运动的
下肢和躯干肌群的角色,进而认识短跑运动中下肢各关节肌群的用力大小、收缩性
质和时序性。

基于逆向动力学的能量转换分析将深化我们对跑的效率和经济性以及跑步过程中肌肉角色的认识。

如果把最小能耗作为评价标准,功——能的研究方法是非常适合对
跑进行分析的。

但是,功和能均是标量,并不是人体系统运动学的唯一决定因素。

因而,如果以提高成绩或改善技术为标准,那么该方法还是有局限的。

而借助计算机进
行短跑技术的力学仿真和动作研究,将是从生物力学角度研究短跑技术最先进、最具前景的一种方法。

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