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篇1

關(guān)鍵詞：運(yùn)動損傷；防護(hù)服裝；運(yùn)動生物力學(xué)；防護(hù)模型

中圖分類號：TS941.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

A Study on Protective Cloths Based on Sports Biomechanics

Abstract： Based on introducing sports biomechanics as well as current study on protective equipment and protective clothes， the article draws the conclusion that it is very important to study protective clothes by using sports biomechanics and puts forward the theoretical basis， technical problems and technical route for using sports biomechanics in garment applications.

Key words： sports injury； protective clothes； sports biomechanics； protective model

近年來，我國參與體育運(yùn)動或日常鍛煉的人口越來越多。在對全國體育人口比例的調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，1996年的體育人口在總?cè)丝谥兴嫉谋壤秊?1.4%，2000年增加到33.9%，而到2007年又增加到37.1%，短短10多年的時間里增加了5.7個百分點(diǎn)。

但是在運(yùn)動中，由于人們并未太多地注意保護(hù)自己，常常會引起相應(yīng)的關(guān)節(jié)、肌肉、韌帶的意外損傷。網(wǎng)球運(yùn)動常常會導(dǎo)致肘部、肩袖部損傷，范？克拉莫（Von Kramer）對網(wǎng)球運(yùn)動中出現(xiàn)的損傷進(jìn)行過調(diào)查，結(jié)果表明，網(wǎng)球運(yùn)動中肘關(guān)節(jié)損傷占全部損傷的41%，是最容易損傷的部位；肩袖損傷占其全部損傷的39%，僅次于網(wǎng)球肘。在跑步運(yùn)動中，常常會發(fā)生小腿肌肉拉傷，有研究顯示，有高達(dá)35% ～ 65%的健身者與專業(yè)運(yùn)動員曾經(jīng)發(fā)生過下肢損傷。老年人、小孩以及肢體殘疾人在日常的行走過程中，由于自身缺乏一定的平衡能力，往往會因為磕碰、摔倒等突發(fā)狀況而意外導(dǎo)致肌肉和骨骼損傷。有國外學(xué)者曾做過相關(guān)的研究，該研究揭示了在老年人的摔倒中，將近53%是因為行走、站立的不穩(wěn)定所導(dǎo)致的。

運(yùn)動損傷已經(jīng)給運(yùn)動員、業(yè)余愛好者、老年人、小孩等帶來了傷害，也是人們生命安全的重要隱患之一。也有不少人缺乏自我保護(hù)意識，認(rèn)為在業(yè)余的體育鍛煉和比賽中，做準(zhǔn)備活動，然后再多加注意一些，受傷的幾率也就小了，其實這種想法是不正確的。因為這種損傷，比如說扭傷、摔傷、各種磕碰傷，在運(yùn)動損傷里只占到了2%，它的名稱叫做意外傷，而將近98%的損傷是那種運(yùn)動技術(shù)性傷。所以基于運(yùn)動的生物力學(xué)，研制減少骨骼與肌肉損傷的防護(hù)性服裝，是一個很大的趨向。

1 運(yùn)動生物力學(xué)的研究

運(yùn)動生物力學(xué)是生物力學(xué)的分支學(xué)科，是研究體育運(yùn)動中人體機(jī)械運(yùn)動規(guī)律的科學(xué)。其主要任務(wù)是運(yùn)用生物學(xué)和力學(xué)的理論和方法研究人體從事各種運(yùn)動、活動以及勞動的動作技術(shù)，使復(fù)雜的人體動作技術(shù)奠基于最基本的生物學(xué)和力學(xué)規(guī)律之上，并以數(shù)學(xué)、力學(xué)、生物學(xué)以及動作技術(shù)原理的形式加以定量描述。運(yùn)動生物力學(xué)的發(fā)展與研究，為提高體育運(yùn)動的成績、預(yù)防運(yùn)動損傷、設(shè)計研發(fā)防護(hù)器材奠定了理論基礎(chǔ)。

1.1 運(yùn)動生物力學(xué)的實際應(yīng)用

對于運(yùn)動生物力學(xué)的研究，特別是在應(yīng)用上，具有自己的特色，大致可歸結(jié)為以下幾點(diǎn)：

（1）在競技體育運(yùn)動動作的技術(shù)方面，根據(jù)人體的體態(tài)、素質(zhì)、機(jī)能等情況，研究適合個人的最佳運(yùn)動和活動技術(shù)的動作方案，并通過動作技術(shù)診斷使之逐步完善；

（2）從預(yù)防運(yùn)動損傷的觀點(diǎn)出發(fā)，對各種體育、活動以及生產(chǎn)勞動進(jìn)行生物力學(xué)分析，找出致傷因素，并設(shè)計出相應(yīng)的預(yù)防與治療措施；

（3）運(yùn)動生物力學(xué)不僅研究人體，而且也研究與運(yùn)動相關(guān)的器械的運(yùn)動規(guī)律，按照人體形態(tài)、結(jié)構(gòu)和機(jī)能的生物力學(xué)特征，設(shè)計和改進(jìn)運(yùn)動器材、設(shè)施、服裝與用具以及勞動機(jī)器、工具等。

1.2 運(yùn)動生物力學(xué)與防護(hù)器材

從運(yùn)動生物力學(xué)的角度出發(fā)，對體育運(yùn)動或健身鍛煉中用于防護(hù)人身安全、避免運(yùn)動損傷的器材，提出設(shè)計和改進(jìn)的設(shè)想及要求，是一項非常艱巨的學(xué)科任務(wù)，當(dāng)前基于運(yùn)動生物力學(xué)研制的防護(hù)用品主要有護(hù)具、運(yùn)動鞋。

新型橄欖球頭盔與傳統(tǒng)頭盔相比有著本質(zhì)的區(qū)別，新型頭盔的外層覆蓋了一種新型樹脂吸振緩沖材料，它可以有效地防止運(yùn)動員以頭盔作為進(jìn)攻武器沖撞對手。在運(yùn)動的過程中，人體的各個關(guān)節(jié)肌肉常常由于過多的運(yùn)動量或瞬間的揮擊、拉伸發(fā)生拉傷或震傷。戴上護(hù)具后，就可以對相應(yīng)部位的肌肉、韌帶加壓舒服，減緩可能的過度拉伸，并協(xié)助肌肉動作，對關(guān)節(jié)部位起到支撐作用。對于關(guān)節(jié)出現(xiàn)不同程度勞損的老人以及正在發(fā)育期的小孩來說，進(jìn)行遠(yuǎn)足郊游或體育鍛煉時，很有必要選擇一定的護(hù)具。

國內(nèi)外一線運(yùn)動品牌，其運(yùn)動鞋技術(shù)的每一項進(jìn)步都離不開生物力學(xué)研究，結(jié)構(gòu)設(shè)計和技術(shù)創(chuàng)新都遵循人體運(yùn)動生物力學(xué)原理。國際一線運(yùn)動品牌都擁有自己的核心技術(shù)，如Nike的air氣囊鞋底科技和足跟穩(wěn)定技術(shù)、Adidas的HUG環(huán)抱系統(tǒng)和智能芯片技術(shù)、李寧新一代單弦弓減震技術(shù)等。無論核心技術(shù)如何創(chuàng)新變化，結(jié)構(gòu)設(shè)計必須遵循運(yùn)動生物力學(xué)的原理，其主要的生物力學(xué)原理是緩震減震、能量回歸、足跟控制、模擬踝足和回歸自然。

2 防護(hù)服裝的研究

伴隨著運(yùn)動的普及，傳統(tǒng)的防護(hù)服裝基本上從舒適性、結(jié)構(gòu)設(shè)計、功能材料等角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計研究，通過研究改變或加強(qiáng)面料的性能來達(dá)到服裝吸濕排汗透氣、防火、防水等效果，或者從服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，采用多開口寬松式設(shè)計，在前胸、腋下、前后衣片采用連續(xù)開口散熱功能設(shè)計，設(shè)計了一套具有散熱功能的籃球比賽服裝。而在運(yùn)動過程中能真正地起到對人體防護(hù)作用的，往往都是要通過佩戴護(hù)具來達(dá)到目的，從拳擊的頭盔到籃球的護(hù)足，每一個易受傷的關(guān)節(jié)都有相對應(yīng)的護(hù)具來產(chǎn)生防護(hù)的效果。

但是現(xiàn)階段基于運(yùn)動生物力學(xué)研究的運(yùn)動防護(hù)僅限于護(hù)具以及運(yùn)動鞋，而客戶對防護(hù)服裝的要求卻逐漸從原來的吸濕排汗等舒適性方面提升到舒適、功能、美觀、防護(hù)一體化上來，更多地希望可以通過服裝本身就可以達(dá)到防護(hù)人體的目的。

所以，有必要從人體出發(fā)，通過測量人體各關(guān)節(jié)點(diǎn)運(yùn)動的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)的變化，將其轉(zhuǎn)化為人體關(guān)節(jié)運(yùn)動的生物力學(xué)參數(shù)，通過分析生物力學(xué)參數(shù)數(shù)據(jù)，建立人體防護(hù)模型，明確服裝面料與防護(hù)模型相互之間的關(guān)系，并結(jié)合服裝材料學(xué)、服裝結(jié)構(gòu)設(shè)計、人體工效學(xué)等相關(guān)知識，設(shè)計具有防護(hù)性能的服裝。

3 運(yùn)動生物力學(xué)在服裝上的應(yīng)用

在體育運(yùn)動、日常活動以及生產(chǎn)勞動中骨骼和肌肉損傷是難以避免的問題，解決這一難題，必須以人體運(yùn)動為目標(biāo)，運(yùn)用人體解剖學(xué)、人體生理學(xué)、力學(xué)的理論與方法來探索人體運(yùn)動規(guī)律，根據(jù)骨骼和肌肉的變化，建立外部防護(hù)模型，獲取防護(hù)服裝所需達(dá)到的力學(xué)參數(shù)，為開發(fā)運(yùn)動防護(hù)服裝提供理論依據(jù)。

3.1 理論依據(jù)

在運(yùn)動過程中，骨骼及肌肉功能模型的研究比較成熟，是確定肌肉長度、肌肉拉力線、肌力臂、肌力矩、肌力等關(guān)鍵因素，但卻沒有明確指出骨骼及肌肉損傷的臨界值，建立外防護(hù)模型是解決該問題的關(guān)鍵途徑。

基于人體骨骼與肌肉的動力學(xué)模型，模擬在外部約束條件下骨骼和肌肉的變化，通過逆向動力學(xué)方程式和有限元模擬獲取相關(guān)參數(shù)，建立外防護(hù)機(jī)制，即防護(hù)模型；在外加反應(yīng)實驗的作用下，明確服裝材料的性能與外防護(hù)模型之間的關(guān)系，為研制高質(zhì)量的運(yùn)動防護(hù)服裝、減少運(yùn)動過程中骨骼及肌肉的損傷提供理論依據(jù)。

3.2 技術(shù)問題

（1）建立骨骼及肌肉的模型，需要運(yùn)用動態(tài)捕捉系統(tǒng)捕捉關(guān)鍵點(diǎn)的運(yùn)動信息，測量人體在空間的位置和方向，即人體骨骼、關(guān)節(jié)的運(yùn)動軌跡。動態(tài)捕捉系統(tǒng)通常分類為 3類：機(jī)械式、電磁式和光學(xué)式，價格不菲。

（2）結(jié)合人體運(yùn)動軌跡的數(shù)據(jù)，通過人體建模仿真軟件進(jìn)行模擬，并推導(dǎo)出骨骼及肌肉的最優(yōu)化的防護(hù)機(jī)制。

（3）通過實驗驗證分析，明確防護(hù)模型與服裝面料的性能特征之間的關(guān)系，為研發(fā)防護(hù)性能最優(yōu)的服裝提供依據(jù)。

3.3 研究方案

針對一項具體的運(yùn)動，主要研究內(nèi)容有以下幾個方面：

（1）運(yùn)用動態(tài)捕捉系統(tǒng)捕捉人體關(guān)鍵部位的空間運(yùn)動軌跡；

（2）借助人體建模仿真軟件，將空間運(yùn)動軌跡的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為生物力學(xué)參數(shù)，如各關(guān)節(jié)的位移、速度、加速度及肌肉長度、肌力臂、肌力矩等，進(jìn)而計算出有關(guān)人體防護(hù)力學(xué)參數(shù)；

（3）基于骨骼及肌肉模型，運(yùn)用逆向動力學(xué)的方法，建立人體外部防護(hù)機(jī)制；

（4）根據(jù)各種服裝材料的性能，通過有限元的模擬，確定材料的性能與防護(hù)模型相互之間的關(guān)系，獲取防護(hù)服裝所需的防護(hù)參數(shù)；

（5）人體建模仿真軟件對所獲取的服裝防護(hù)參數(shù)進(jìn)行模擬，以進(jìn)一步獲得最優(yōu)防護(hù)的服裝。

技術(shù)路線如圖 1 所示。

4 結(jié)語

運(yùn)動損傷常常給運(yùn)動員、體育愛好者、老人、小孩等帶來意想不到的身體傷害，然而，傳統(tǒng)的防護(hù)服裝基本上從服裝的舒適性角度進(jìn)行研究，通過改變面料的特性來達(dá)到服裝的防濕透氣、吸濕排汗等，或從服裝的結(jié)構(gòu)設(shè)計出發(fā)，改變服裝衣下間隙、開口特征等來提高服裝的著裝舒適性。國外對于運(yùn)動防護(hù)服及裝備的研究則比較深入，從人體的頭部到腳的各個器官都配有特定的防護(hù)用具，所以基于運(yùn)動生物力學(xué)研究防護(hù)服裝必將是未來的研究熱門。

外防護(hù)模型的建立是運(yùn)動生物力學(xué)應(yīng)用到服裝領(lǐng)域的關(guān)鍵，也是制約防護(hù)服裝研發(fā)的主要因素。防護(hù)模型的研究處于起步階段，只有建立起防護(hù)模型，才能進(jìn)一步明確服裝材料與防護(hù)力學(xué)參數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)化關(guān)系，也為研制減少運(yùn)動損傷的運(yùn)動裝備奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

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