中国体育科技
CHINA SPORT SCIENCE AND TECHNOLOGY
1999年 第1期 No.1 1999



德国运动生物力学理论与方法学
研究概述及思考
李建设(浙江大学体育学系，杭州　310028)
　　摘要：考察、研究德国运动生物力学的学科任务与研究课题及测量技术与研究方法、研究现状与发展趋向，就我国运动生物力学的发展提出建议，主题是关于运动生物力学的理论研究、研究方法和参数测量。
　　关键词：德国∥运动生物力学∥理论∥方法∥综述
Thought and Review of Theory and Methodology
Research of Sports Biomechanics in Germany
Li Jianshe
Abstract：This article studied the subject task and research topics, measure techniques and research methods, research status and developmont trend of sports biomechanics in Germany. Thoughts after study were presented on development of sports biomechanies in China. The main topies were: theory research,method research and parameters measure of sports biomechanics.
Key words：Germany∥Sports biomechanics∥theory∥method∥review
　　根据杭州大学与维尔茨堡大学双边文化教育交流协议，对德国进行了学术访问。访问与研究的重点是德国的体育科学，尤其是运动生物力学领域。通过学习与研究发现，德国学者在运动生物力学基础理论和方法研究领域甚为活跃，成果颇丰。
1　运动生物力学学科任务与研究课题
1.1　学科任务
　　运动生物力学是生物力学的分支学科，从属于生物物理学，在教育和研究上均已取得长足的发展。然而，对运动生物力学的学科任务学界看法不一，分歧的关键在于纯机械力学，还是生物物理学。较长一段时间对运动生物力学的概念界定也一直处于纯机械力学与生物物理学之间，符合年轻学科发展特征。运动生物力学主要运用机械力学的基本原理与方法，但对于人体运动的生物学限制条件和机械力学原理的应用范围都提出了问题。巴尔雷希1988年定义：“运动生物力学是应用力学概念、方法、规律描述和解释人体、运动和器械的运动的科学。”
　　运动生物力学研究体育运动中的人体运动问题，主要任务是运用力学方法使复杂系统数学化，进而对人体运动现象进行客观而定量的描述和解释。其力学基础是经典力学和材料力学，其生物学基础是人体运动器系的结构与功能，如骨、韧带、腱的几何尺寸、强度特征及关节运动的自由度，也包括肌肉在各种收缩(向心、离心和等长)条件下的力学特征。据此而建立的生物力学原理以评价人体运动技术。这些原理部分源自力学的基本原理，部分则是在运动实践中得到的人体运动技术所应遵循的准则，如最大限度地减小能耗、最大限度地减小对运动器系的负荷、最大限度地增大协同肌肉的收缩等。需要指出的，是这些准则用于评价动作技术只是相对通用的，但它们对评价动作技术的合理性具有指导作用。运动生物力学以生物科学和物理科学为基础，研究人体运动器官和系统的结构与功能，以及人体整体的生物力学特性。关于人体运动器系的生物力学特征量主要有：长度、围度、宽度、表面积、体积、质量、质量分布；身体对基本轴的转动惯量和环节对关节轴的转动惯量；身体环节比例，杠杆臂比例；关节运动自由度，环节和环节链运动自由度。人体运动器系的力学基础是生物材料，尤其是肌肉和关节的生物力学特征，如它们在不同内、外条件下的粘滞力、弹性力以及推、拉、切、扭等负荷形式下的性态变化。需要指出的，是关于人体生物材料的力学性能的测量，包括统计评价都还少有进展，但在运动医学和生物物理学研究中有丰富的积累，对这些研究结果还需要论证。按运动生物力学的研究对象和研究内容，其学科结构可由3部分构成，或3个研究方向，即：运动技术生物力学、人体测量生物力学和预防康复生物力学。
1.2　研究课题
　　目前，运动生物力学的研究课题有：人体运动过程的运动学和动力学测量与分析，人体运动时肌肉力学参数以及与这些参数有关的人体运动器系负荷的分析，肌肉收缩成份的力学和电学特征的研究，生物力学参数个体化特征的研究，体育运动动作技术的分析和改进，紧张对运动器系力学性态影响的分析，运动器械对人体运动和身体负荷影响的分析，体育设备、器械、服装的工效学研究，运动训练辅助设备的研究，生物力学基本原理的数学化，生物力学测量方法的研究，电子计算机模拟技术的研究和应用，肌肉生物物理学研究结果的进一步论证。
2　运动生物力学测量技术与研究方法
2.1　测量技术
　　鲍曼(Baumann)认为，运动生物力学研究以力学参数的测量为基础，这些力学参数应能表征人体运动状态的力学本质。物理学测量技术是生物力学方法学的基础。根据测量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。4类测量技术是互相补充的，其中又以人体参数测量最为复杂。因为，人体并非理想的刚体，在人体运动过程中身体各环节都发生形变，并都将对运动功能产生影响，但这种功能分析是相当困难的。此外，离体(尸体)测量和在体(活体)测量技术是不可偏颇的两种基本测量技术。
　　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。
2.2　研究方法
　　任一发展完善的学科，必须具备两个条件，既要有自身的学科理论体系，还要有自身独特的研究方法。生物力学研究方法基本沿用理论物理学和实验物理学的研究方法，即首先对研究对象或现象提出生物力学问题，并建立相应的结构模型和数学模型。
　　运动生物力学模型一般可定义为“设运动行为状态的数学模型为Y，根据影响因素X的变化量dx，确定状态的变化量dy，据此建立dy与dx的关系，进而从理论力学或实验力学求得Y与X的关系”。关于模型的概念，阿希里斯(Achilies)指出，同一生物力学问题，可以用不同的模型来表达。这就牵涉到模型参数的选取，模型物理结构和数学结构的建立。模型的概念在运动生物力学研究方法中占突出地位，对复杂的人体运动建构能反映人体运动本质力学规律的简化模型是进行定量研究，实现系统优化的基础。建立模型的3个主要标准是相似性、简化性和客观性。现有的模型主要是“数据模型”(如人体质量分布模型)和“理论模型”(如流体阻力模型)。前者的理论基础是大样本观测值或测量值的统计学，后者的理论基础是牛顿经典力学。这两类模型在运动技术生物力学、人体测量生物力学和预防康复生物力学中应用得很普遍，但这两类模型都是不完备的。首先，人体结构和质量分布的个体差异、人体功能指标的不可重复和极限指标的不可计测使统计数据具显著的不稳定性；其次，切断生物反馈通路的人体运动器系的力学功能指标，如经典的Hill肌肉收缩力――速方程，尚不足以描述在体肌肉收缩的实际过程。因此，在生物力学研究方法上需考虑应用生物控制论的思想。此外，经典力学的理论基础也限制了理论模型的发展，而这种限制需要数据模型的帮助来克服。
3　运动生物力学研究现状与发展趋向
3.1　测量技术的现状与前景
　　生物力学测量过程是否对运动过程造成影响，这在选择测量技术、设计测量过程时需特别注意。非接触测量系统在这方面具有优势，因而在运动技术生物力学分析中广受欢迎，如多维摄影和摄像系统。接触测量系统虽对运动过程有所影响，但在训练中、在实验室仍可广泛采用，是人体测量生物力学、预防康复生物力学，乃至生物力学研究运动技术中获取基本参数的主要测量手段。如鞋底压力分布的测量，测力平台对人体走、跑、跳时支持力的测量，特殊项目如划船、滑雪等动力学参数的测量等。遥测技术和肌肉动力学测量技术(包括离体或在体肌肉动力学测量过程)在今后将有重要发展，主要趋向是遥测无线部分数据发射与数据采集装置的小型化和测量过程及结果分析的快速化。
　　用于人体运动学特征和动力学特征的生物力学测量系统的精确性包括测量装置本身机械、电子部分的精确性和用这些装置进行测量时其测量方法和分析方法的精确性。目前，在运动技术力学分析中广泛采用的影像测量技术和支持力测量技术，就其测量装置的机械、光学、电子部分的精度已能满足测量要求，但所采用的测量方法尤其是分析方法，其精度还几乎没有进步。如影像测量图像的数字化处理过程基本上还处在人工判读的水平，其测量精度完全取决于人眼的判断精度。此外，还有人体质量分布的个体差异问题，关节点的识别和判读方法。因此，测量信息数字化过程的分析方法的进步应是提高测量精确性的主要发展趋向。
　　鲍曼认为，运动生物力学取得的最大进步在于电子测量技术和计算机辅助测量的广泛应用，未来的计算机辅助测量，尤其是运动技术分析的自动化将会发展得更快，应用得更广泛。计算机辅助测量和计算机模拟技术在运动技术生物力学和预防康复生物力学分析中已有很多优秀的研究报道，未来运动生物力学的发展为计算机的应用提供了充满活力的研究领域。
3.2　模型研究的现状与前景
　　关于模型的功能，在运动技术生物力学分析中的发展趋向，是描述模型向解释模型并向预测模型的方向发展。描述模型的一般特征，是在模型的所有描述参数中没有自变量和应变量之分，以至在自变量与应变量之间没有确定的功能或统计关系，而建立这种关系是解释模型和预测模型所必须的。解释模型使用理论推算和实验数据以识别运动动作中的各种可能的描述量，并将这些量划分为自变量(原因变量)和应变量(结果变量)，并建立两类变量之间的数学、力学和统计关系，因此，解释模型具有预测的功能。
　　模型的建构需考虑，建模的方法、模型参数的选取和数据的采集方法。关于建模的方法，一是理论模型，建模依据是生物力学基本原理；二是数据模型，建模依据是生物力学实验测量。理论模型需数据模型的支持才能应用，数据模型需相应的数学化才具有理论价值。
　　关于模型参数的选择和确定，取决于这些参数的功能，即区分敏感参数和常规参数，并且应使这些参数定量化和具有可比性。如步长指数(步长／身高)显然比步长更具有可比性。因为，建立模型的目的在于通过模型的比较从而进行评价。因此，选择模型参数的标准就是参数的可比性和数学化。
　　关于数据采集，首先是数据采集的标准化，然后是对数据进行力学分析和评价，但更重要的是对所采集的数据进行模型模拟，因为模型模拟可以产生有关自变量对应变量影响的系列信息，并建立两类变量之间的数力和统计关系，从而为技术分析、技术控制和技术佳化提出预测，为运动损伤、康复手段的选择提供方案。
3.3　预防康复生物力学
　　运动器系的力学负荷、负荷分布和负荷能力以及运动器官、组织和系统的材料力学是预防康复生物力学的基础。重力、支持力、相互作用力、介质阻力以及摩擦力都可作为对运动器系的负荷。力对运动器系的作用效果取决于力学负荷的量、负荷的分布以及运动器系的负荷能力。而负荷量、负荷分布和负荷能力都与运动过程中身体各环节的相对位置有关，从力学的观点看，就是动作结构决定其运动功能。
　　关于运动器系负荷分析的主要困难，是力学负荷分析的评价指标是什么?通常使用但并未充分证明是否可靠的指标有：最大力、最大加速度、最大力矩、最大力梯度以及冲量、角冲量和它们的持续时间。问题是对同一研究对象，这些指标本身是变化的，而且所谓“最大”值也只是相对极限值，人体机能代偿能力的储备性决定了绝对最大值是不可计测的。此外，体育器械和运动场地对运动过程的影响是一种不可忽视的负荷因素，然而，要测定这种负荷对运动的作用是很困难的，原因是影响因素极为复杂。这些年来，关于运动器械，包括鞋、服装方面的生物力学研究已引起人们的重视，这将是一个很有吸引力且富有商业价值的领域。
4　学习与思考
　　比较德国与我国运动生物力学的研究进展，值得欣喜的是经过改革开放10余年的快速发展，我国运动生物力学的研究水平和研究能力已取得长足的进展。在应用研究领域，尤其是对优秀运动员的技术诊断，我们已具备相对完善的检测条件，并积累了比较丰富的实验数据，其中不乏优秀的、富有创造性的研究成果，受到了竞技体育界的普遍好评。比较而言，运动生物力学的理论研究和研究方法的研究，我们还积累甚少，研究内容既不够丰富，又不够深入，这种理论基础和方法基础的相对薄弱可能成为制约我国运动生物力学发展的瓶颈。
4.1　关于理论研究
　　德国《体育科学辞典》定义：运动生物力学是生物力学的分支学科，从属于生物物理学。因此，从学科属性上看，运动生物力学主要是研究人体运动的生物力学规律的科学，它首先研究人体内部运动器系运动和外部人体整体运动的力学特性；其次研究人体内部运动器系运动和外部人体整体运动间的力学关系，从而构成对人体运动行为生物力学规律的本质把握。目前，我们的运动生物力学研究大多属于第一类研究，且主要研究的也只是人体内部运动器系和外部人体整体的机械运动规律。毫无疑问，机械运动只是人体运动中最简单、最低级的一种运动形式，将人的运动简化为机械运动来处理是有严格约定的。虽然，基于牛顿分析力学理论，我们可以基本解决第一类研究，然而牛顿分析力学理论对解决第二类研究并非理想。目前仍惟一奠基于牛顿分析力学的运动生物力学要解决这些问题，还有相当困难。
　　目前，对人体运动的外部行为特征和内部行为的宏观特征已有比较清晰的认识，而对人体运动时内部各运动器系的运动方式如何对外部人体环节和整体运动结果产生功能性的影响还缺少理论指导，这是人体运动与机械运动的本质区别，如果在理论上我们没有新的突破，则运动生物力学还只能处于研究人体机械运动规律的水平。
4.2　关于研究方法
　　学科的完善依赖于研究方法的研究和学科理论体系的建立。依据新的研究方法，采用新的测量技术往往是进行新理论探索的有效途径，对运动生物力学这样一门尚显年轻的学科尤其如此。运动生物力学发展史表明，每一次研究方法上的进展和测量技术上的进步都极大地推动了学科的发展。
　　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学界认识到，牛顿力学理论应用于活体有其机械局限性，生物材料的粘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。系统研究方法也为研究复杂的人体运动提供了可靠的研究方法。研究方法作为方法论，具有思想库的性质，对复杂的人体运动行为的研究，既需传统研究方法的有机综合，又需不断探索新的研究方法。然而，在这方面的研究我们还投入不够且努力不够。
4.3　关于参数测量
　　描述人体运动的生物力学参数区别于机械力学有两个显著特征：其一，是参数众多而复杂，且这些参数多具下列基本特征，即非线性特征，包括静态非线性和动态非线性；时变性特征，即使其统计性质也是不稳定的，即具有张落性和不可重复性；相对性特征，人体功能代偿能力的储备性决定了人体功能极限指标的相对性；生物拒测性，活体检测的生物壁垒，使得生物学参数和力学参数之间存在着类似量子力学中测不准原理的关系。其二，是各参数之间关系复杂，分析研究生物力学参数间的相互关系，首先是区别参数间的平行关系和因果关系，其次是区分常规参数和敏感参数。
　　由于人体运动的复杂性，使得准确测量生物力学参数变得非常困难。就目前通用的影像和测力技术，其机械、电子技术的精度已能基本满足要求，需要提高的是测量参数数字化过程的分析方法的进步和参数采集与测量的标准化。然而，这方面的研究我们还滞后，有不少问题，如人体关节点自动识别技术，人体质量几何分布的个体差异，力学量在人体内的传递函数等问题远未解决。因此，提高测量精度还有许多方法和技术上的基础工作有待研究。
主要参考文献
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