运动生物力学的历史、现状及发展趋势

运动生物力学的历史、现状及发展趋势1、运动生物力学的历史回顾1.1运动生物力学的概念：运动生物力学是研究人体运动力学规律的科学，它是体育科学的重要组成部分。

运动生物力学研究体育运动中人体所进行的各种体育动作，以及在各种不同条件下，人体产生运动和运动状态改变的力学和生物学原因。

1.2运动生物力学学科的起源和形成：运动生物力学学科的形成时间并不长，但是人类注意、观察、分析、研究人体和生物的运动的历史却非常悠久。

运动生物力学史上3个特别重要的事件是：1)1877年美国摄影师麦布里奇(Muybridge)用24架照像机拍摄了马奔跑动作的连续照片，其后又拍摄了人体走、跑等动作的连续照片，从而奠定了影像测量与分析的方法基础。

2)20世纪初德国解剖学家布拉温(B ne)、菲舍尔(Fischer)采用尸体解剖测量了人体环节惯性参数，并基于此建立了第1个人体质量分布模型，从而奠定了人体运动定量分析的基础。

3)20世纪30年代英国生理学家希尔(Hil1)测量了肌肉收缩张力与速度的关系，并基于热力学原理建立了与实验结果相当一致的希尔方程。

古希腊哲学家亚里士多德( Aristotle, 公元前384—322) 就已关注人和动物运动。

曾经作过将“物理学”与生物学研究结合在一起的著名演说。

加仑( C. Galenus, 公元前131-200, 古罗马解剖学家) 通过动物实验证实了由脑发出冲动, 肌肉紧张收缩产生关节运动, 区分了原动肌和对抗肌, 使用了动关节与不动关节的术语。

达·芬奇(Leonardo Da Vinci，1452-1519)是著名的画家, 也是数学家、力学家和医生, 他从解剖学和力学的角度对人体姿态进行过详细的分析。

鲍列利(A. Borelli，1608-1679, 意大利数学家和天文学家) 进一步研究了人和动物运动。

著有《论动物的运动》, 他曾探索各种肌肉发力的数值, 利用杠杆原理测量人体重心的实验方案, 指出了人体重心的位置, 提出肌肉的作用符合数学、力学原理的论点, 并将人体在空间的主动位移动作分为3种主要运动方式, 即：蹬离支点(走、跑、跳)、推离他体(划行, 如游泳)、拉引(如攀登)。

18世纪人们发现了电现象，不久“生物电”的概念便被用来解释人体运动的调节功能。

伽伐尼（Luigi Galvani,1737～1798，意大利医学家）发现电刺激会引起肌肉收缩，完成了著名的论文《关于电对肌肉运动的作用》（1791），并得出了动物电与机器电完全一致的重要结论。

1841年，雷蒙德（Emil Du Bois Reymond, 1818-1896，德国生理学家）在前人研究的基础上确立了肌电测量的方法。

生物电的研究导致肌电图仪的发明。

肌电图目前已经广泛用来研究运动员运动时肌肉的工作状况。

19世纪初韦伯兄弟（Wihelm Weber, Eduard Weber，德国物理学家和解剖学家）用1/60s 的发条时钟计时法, 在研究走的实验中测量了躯干的倾斜以及垂直运动, 得出提高走速必须减少双支撑时间的结论。

著有《人体运动的力学》（1836）1871年麦布里奇（ Eadweard Muybridge）用24台固定照相机, 拍摄了一匹马的奔跑状态并测量出马的步长, 四足腾空的现象，其后又拍摄了人的走, 跑等动作的连续照片。

1901年, 麦布里奇发表了《运动中的人体的图像集》, 从而奠定了运动生物力学参数摄影分析测量的方法基础。

为了纪念他对生物力学的贡献, 从1987年第11届生物力学大会开始设立了“麦布里奇杰出贡献奖”以表彰在生物力学基础理论,研究方法和应用研究领域做出突出贡献的学者。

20世纪初, 布拉温(C. W. Braune) 和菲舍尔(O. Fischer) 用实验方法测定了人体各环节相对重量和人体重心等惯性参数, 这些材料时至今日仍被生物力学理论和实践广泛采用。

1916年，阿玛尔(Amar，法国) 研制了第一台可以测定垂直、水平力的二维测力台，为动力学分析提供了测试手段。

谢切诺夫（I. Sechenov, 1829-1905，俄国生理学家）在所著《人体功能运动概论》一书中详尽阐述了“人体运动装置的结构是骨杠杆, 产生杠杆运动的是肌肉张力及其神经支配”等问题。

列斯加夫特（ПётрФранцевичЛесгафт，1837～1909，俄国教育家、解剖学家、医生、体育科学体系的创始者）把人体形态结构功能与体育动作结合起来, 著有并讲授了《身体运动的理论》（后更名为《体育练习生物力学教程》）。

伯恩斯坦（ Nikolai Aleksandrovich Bernstain，1896—1966，前苏联心理和生理学家）从20世纪30年代开始注意用神经控制论的观点来研究人体运动, 著有《论动作的结构》。

他的理论成功地应用于康复器械的设计、运动心理学和苏联宇航员的训练上。

伯恩斯坦关于人体动作系和运动行为结构的思想原则, 以及运动感觉反馈修正的理论对运动生物力学的学科发展具有重要的意义。

在此基础上形成的“动力系统理论”成为目前生物力学的一个可能的突破点。

20世纪30年代,英国生理学家希尔（ A. V. Hill ）取青蛙的缝匠肌为试样, 通过测量肌肉在缩短过程中的肌张力,肌缩短速度, 肌肉产生的热量及肌肉维持挛缩状态所需的热量, 并按热力学第一定律建立了与实验结果相当一致的希尔方程。

他因为肌肉力学的经典性工作成就获得了诺贝尔生理学和医学奖。

赫胥黎(H. E. Huxley, 1954, 英国生理学家) 提出肌丝滑移学说。

20世纪40年代开始的以信息技术为标志的现代科学技术革命是运动生物力学学科形成的加速剂。

20世纪60年代微型计算机的诞生为运动生物力学带来了革命性的变化，带来了运动生物力学测试仪器本质上的进步，促进了这一学科的理论与实践的不断融合与发展。

运动生物力学的测量技术和研究方法2、运动生物力学的研究现状2．1运动生物力学的现代测量技术及研究方法：运动生物力学的现代测量技术，以三维动态测力、三维高速影像解析、等动肌力测量、多道肌电测量以及它们的同步测量技术为标志，系统的测量精度已能使人体运动在三维空问建立清晰的力学图像．根据测最参数的自然属性可将生物力学测量技术分为：运动学参数测量技术、动力学参数测量技术、人体参数测量技术和肌电参数测量技术．测量技术的分类也可根据实验物理学原理将运动生物力学测量技术分为：力学、电学和光学测量技术．力学和电学测量过程，通常需采用接触测量技术以测量人体或身体环节的运动过程，仅适合在实验室和训练中广泛采用．光学测量过程，可采用非接触测量技术以测量人体的运动过程，因而可在比赛中广泛采用．运动生物力学的研究方法基本沿用物理学和生物学的研究方法，对于活体研究，物理学方法的不完备性和生物学方法的不充分性已被认识到，牛顿力学理论应用于活体有其机械局限性，生物材料的黏弹性理论对于人体运动器系建立本构方程还缺乏边界条件的可靠性，人体运动器系的力学特性的深入研究必然涉及生物学研究领域，如肌肉的张力特性不仅与肌纤维结构、类型有关，而且还与受神经系统控制的生物电特性有关．因此，对人体运动的生物力学研究，需要物理学方法和生物学方法互相渗透、融合．适用于机能解剖学、运动生理学和生物化学的生物学研究方法，对于研究生物力学中的人体运动是基本不适用的，惟有“走出系统”的研究方法，才适合于对人体运动的生物力学研究．[1]2.2我国运动生物力学的研究现状：自2O世纪8O年代以来，我国运动生物力学的研究领域逐渐扩大，既涉及竞技体育，也涉及社会体育，但我国竞技体育优势项目所占比重较高，健身、康复等方面的研究相对薄弱。

我国运动生物力学研究领域有如下特点：1)肌肉生物力学特性研究是生物力学领域的热门课题．近几年来，运动医学、运动生物力学对肌肉损伤病理、病变及力学特性变化进行了更加深入的研究．骨骼肌损伤后的力学特征变化规律已成为运动生物力学研究的热点之一．探讨肌肉损伤的力学机制，认识损伤肌肉’恢复过程中的力学变化特征，对预防肌肉损伤和重复性损伤以及损伤肌肉的康复训练安排等有重要意义．2)竞技体育方面的研究仍占相当大的比重，但与以往相比更加注重训练实践，其研究结果能更好地为竞技体育服务．侧如，射击运动中瞄准技术是关键．瞄准虽是一复杂过程、但有规律可循．利用激光瞄准分析系统对优秀运动员的瞄准技术进行量化研究，归纳、总结出运动员瞄准技术的规律，为训练提供定量的参考依据，指导训练．这种方法为我国运动员在世界大赛中取得多枚该项目的金牌起到了关键作用．3)研究内容更加广泛．自国家颁布《全民腱身计划纲要》以来，大众健康已成为体育界研究的热点问题．比如，利用运动生物力学的理论研究正常人体动作结构与运动功能的相互关系；研究评价动作指标对人体的健身功能；关于影响青少年生长发育因素的研究等．运动健身器村、体育科研仪器和体质测定仪器的研制也成为热点课题．我国健身器材产品由20世纪80年代初期模仿照搬国外不适应中国人体型特征产品的初级阶段，进入到自行开发引导市场的芨展阶段，部分产品现已达到国际水平．[2]2.3运动生物力学面临的若干基本问题1)运动学习与控制。

在运动技能的学习与控制中，神经肌肉系统是通过肌肉收缩力矩的调节与控制达到对外力矩和被动的反作用力矩的平衡与适应，进而完成或发展有目的的、高效的、协调的人体动作。

然而，单一肌肉力或肌肉力矩的在体测量是不可能的。

不解决这一问题，运动生物力学离指导运动实践，尤其是评价与指导肌肉力量训练尚远。

直接测量面临生物壁垒的拒测性，间接测量面临复杂的肌肉功能群协作与对抗，理论计算则需实验测量值作为其边界或约束条件。

2)肌力与肌电关系。

肌力的测量是一个十分经典的问题。

离体肌肉力学的研究成果已十分丰富，但离体肌肉力学的研究结论断然不可简单地应用于在体。

离体意味着肌肉的失神经支配，并藉此可能动摇肌丝滑移学的成立假设，这也是生物力学与力学的区别。

因此，肌电测量被很多学者尝试着用来评定肌力，然而，肌力与肌电间的数量关系是很难确定的，不同肌肉问的肌电干扰，肌电幅值与肌力的即时对应关系，我们还基本不清楚。

肌电对肌力的影响，即肌肉募集肌电使肌肉收缩的过程，我们虽已有所认识，但其逆过程，即肌力对肌电的影响，我们还几乎一无所知。

运动控制理论提示，这一逆过程是存在的，这就演绎成为一个因果循环，即既要用肌电评价肌力，又要将肌力作为肌电的初条件。

3)力学传递函数。

力学量在人体内的传递是通过肌肉、骨骼、关节链状系统之间的相互作用完成的。

力学传递函数是这类系统的较好描述，但这类函数是相当复杂的，牵涉到许多材料力学问题。

生物力学中“生理刚化”的目的就是增大传递效果，但只在活体状态下出现。

将传感器置入关节或人工假肢内，可以直接测量人体运动时的骨骼应力变化。