运动生物力学运用于设计生产防护服的探讨

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论文摘要

  近年来,我国参与体育运动或日常锻炼的人口越来越多。在对全国体育人口比例的调查中发现,1996年的体育人口在总人口中所占的比例为31.4%,2000年增加到33.9%,而到2007年又增加到37.1%,短短10多年的时间里增加了5.7个百分点。
  但是在运动中,由于人们并未太多地注意保护自己,常常会引起相应的关节、肌肉、韧带的意外损伤。网球运动常常会导致肘部、肩袖部损伤,范 克拉莫(Von Kramer)对网球运动中出现的损伤进行过调查,结果表明,网球运动中肘关节损伤占全部损伤的41%,是最容易损伤的部位;肩袖损伤占其全部损伤的39%,仅次于网球肘。在跑步运动中,常常会发生小腿肌肉拉伤,有研究显示,有高达35% ~ 65%的健身者与专业运动员曾经发生过下肢损伤。老年人、小孩以及肢体残疾人在日常的行走过程中,由于自身缺乏一定的平衡能力,往往会因为磕碰、摔倒等突发状况而意外导致肌肉和骨骼损伤。有国外学者曾做过相关的研究,该研究揭示了在老年人的摔倒中,将近53%是因为行走、站立的不稳定所导致的。运动损伤已经给运动员、业余爱好者、老年人、小孩等带来了伤害,也是人们生命安全的重要隐患之一。也有不少人缺乏自我保护意识,认为在业余的体育锻炼和比赛中,做准备活动,然后再多加注意一些,受伤的几率也就小了,其实这种想法是不正确的。因为这种损伤,比如说扭伤、摔伤、各种磕碰伤,在运动损伤里只占到了2%,它的名称叫做意外伤,而将近98%的损伤是那种运动技术性伤。所以基于运动的生物力学,研制减少骨骼与肌肉损伤的防护性服装,是一个很大的趋向。

  1 运动生物力学的研究

  运动生物力学是生物力学的分支学科,是研究体育运动中人体机械运动规律的科学。其主要任务是运用生物学和力学的理论和方法研究人体从事各种运动、活动以及劳动的动作技术,使复杂的人体动作技术奠基于最基本的生物学和力学规律之上,并以数学、力学、生物学以及动作技术原理的形式加以定量描述。运动生物力学的发展与研究,为提高体育运动的成绩、预防运动损伤、设计研发防护器材奠定了理论基础。

  1.1 运动生物力学的实际应用

  对于运动生物力学的研究,特别是在应用上,具有自己的特色,大致可归结为以下几点:
  (1)在竞技体育运动动作的技术方面,根据人体的体态、素质、机能等情况,研究适合个人的最佳运动和活动技术的动作方案,并通过动作技术诊断使之逐步完善;(2)从预防运动损伤的观点出发,对各种体育、活动以及生产劳动进行生物力学分析,找出致伤因素,并设计出相应的预防与治疗措施;(3)运动生物力学不仅研究人体,而且也研究与运动相关的器械的运动规律,按照人体形态、结构和机能的生物力学特征,设计和改进运动器材、设施、服装与用具以及劳动机器、工具等。

  1.2 运动生物力学与防护器材

  从运动生物力学的角度出发,对体育运动或健身锻炼中用于防护人身安全、避免运动损伤的器材,提出设计和改进的设想及要求,是一项非常艰巨的学科任务,当前基于运动生物力学研制的防护用品主要有护具、运动鞋。新型橄榄球头盔与传统头盔相比有着本质的区别,新型头盔的外层覆盖了一种新型树脂吸振缓冲材料,它可以有效地防止运动员以头盔作为进攻武器冲撞对手。在运动的过程中,人体的各个关节肌肉常常由于过多的运动量或瞬间的挥击、拉伸发生拉伤或震伤。戴上护具后,就可以对相应部位的肌肉、韧带加压舒服,减缓可能的过度拉伸,并协助肌肉动作,对关节部位起到支撑作用。对于关节出现不同程度劳损的老人以及正在发育期的小孩来说,进行远足郊游或体育锻炼时,很有必要选择一定的护具。
  国内外一线运动品牌,其运动鞋技术的每一项进步都离不开生物力学研究,结构设计和技术创新都遵循人体运动生物力学原理。国际一线运动品牌都拥有自己的核心技术,如Nike的air气囊鞋底科技和足跟稳定技术、Adidas的HUG环抱系统和智能芯片技术、李宁新一代单弦弓减震技术等。无论核心技术如何创新变化,结构设计必须遵循运动生物力学的原理,其主要的生物力学原理是缓震减震、能量回归、足跟控制、模拟踝足和回归自然。

  2 防护服装的研究

  伴随着运动的普及,传统的防护服装基本上从舒适性、结构设计、功能材料等角度出发进行设计研究,通过研究改变或加强面料的性能来达到服装吸湿排汗透气、防火、防水等效果,或者从服装结构设计出发,采用多开口宽松式设计,在前胸、腋下、前后衣片采用连续开口散热功能设计,设计了一套具有散热功能的篮球比赛服装。而在运动过程中能真正地起到对人体防护作用的,往往都是要通过佩戴护具来达到目的,从拳击的头盔到篮球的护足,每一个易受伤的关节都有相对应的护具来产生防护的效果。
  但是现阶段基于运动生物力学研究的运动防护仅限于护具以及运动鞋,而客户对防护服装的要求却逐渐从原来的吸湿排汗等舒适性方面提升到舒适、功能、美观、防护一体化上来,更多地希望可以通过服装本身就可以达到防护人体的目的。
  所以,有必要从人体出发,通过测量人体各关节点运动的三维坐标数据的变化,将其转化为人体关节运动的生物力学参数,通过分析生物力学参数数据,建立人体防护模型,明确服装面料与防护模型相互之间的关系,并结合服装材料学、服装结构设计、人体工效学等相关知识,设计具有防护性能的服装。

  3 运动生物力学在服装上的应用

  在体育运动、日常活动以及生产劳动中骨骼和肌肉损伤是难以避免的问题,解决这一难题,必须以人体运动为目标,运用人体解剖学、人体生理学、力学的理论与方法来探索人体运动规律,根据骨骼和肌肉的变化,建立外部防护模型,获取防护服装所需达到的力学参数,为开发运动防护服装提供理论依据。

  3.1 理论依据

  在运动过程中,骨骼及肌肉功能模型的研究比较成熟,是确定肌肉长度、肌肉拉力线、肌力臂、肌力矩、肌力等关键因素,但却没有明确指出骨骼及肌肉损伤的临界值,建立外防护模型是解决该问题的关键途径。
  基于人体骨骼与肌肉的动力学模型,模拟在外部约束条件下骨骼和肌肉的变化,通过逆向动力学方程式和有限元模拟获取相关参数,建立外防护机制,即防护模型;在外加反应实验的作用下,明确服装材料的性能与外防护模型之间的关系,为研制高质量的运动防护服装、减少运动过程中骨骼及肌肉的损伤提供理论依据。

  3.2 技术问题

  (1)建立骨骼及肌肉的模型,需要运用动态捕捉系统捕捉关键点的运动信息,测量人体在空间的位置和方向,即人体骨骼、关节的运动轨迹。动态捕捉系统通常分类为 3类:机械式、电磁式和光学式,价格不菲。
  (2)结合人体运动轨迹的数据,通过人体建模仿真软件进行模拟,并推导出骨骼及肌肉的最优化的防护机制。
  (3)通过实验验证分析,明确防护模型与服装面料的性能特征之间的关系,为研发防护性能最优的服装提供依据。

  3.3 研究方案

  针对一项具体的运动,主要研究内容有以下几个方面:
  (1)运用动态捕捉系统捕捉人体关键部位的空间运动轨迹;(2)借助人体建模仿真软件,将空间运动轨迹的数据转化为生物力学参数,如各关节的位移、速度、加速度及肌肉长度、肌力臂、肌力矩等,进而计算出有关人体防护力学参数;(3)基于骨骼及肌肉模型,运用逆向动力学的方法,建立人体外部防护机制;(4)根据各种服装材料的性能,通过有限元的模拟,确定材料的性能与防护模型相互之间的关系,获取防护服装所需的防护参数;(5)人体建模仿真软件对所获取的服装防护参数进行模拟,以进一步获得最优防护的服装。
  技术路线如图 1 所示。

  技术路线图
   4 结语

  运动损伤常常给运动员、体育爱好者、老人、小孩等带来意想不到的身体伤害,然而,传统的防护服装基本上从服装的舒适性角度进行研究,通过改变面料的特性来达到服装的防湿透气、吸湿排汗等,或从服装的结构设计出发,改变服装衣下间隙、开口特征等来提高服装的着装舒适性。国外对于运动防护服及装备的研究则比较深入,从人体的头部到脚的各个器官都配有特定的防护用具,所以基于运动生物力学研究防护服装必将是未来的研究热门。
  外防护模型的建立是运动生物力学应用到服装领域的关键,也是制约防护服装研发的主要因素。防护模型的研究处于起步阶段,只有建立起防护模型,才能进一步明确服装材料与防护力学参数之间的相互转化关系,也为研制减少运动损伤的运动装备奠定技术基础。

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