运动生物力学：历史回顾与简明指南

古人云:“以铜为镜,可以正衣冠;以史为镜,可以知兴替;以人为镜,可以明得失。”了解过去是为了更好地把握未来,了解和研究运动生物力学的发展历史,可以在前人所走过的历史中吸取经验和教训,得到启发,少走弯路,更有针对性地研究和解决主要矛盾,使工作事半功倍。运动生物力学的发展历史与人体机能学的发展历史是分不开的。

1.萌芽时期（第二次世界大战前）

生物力学一词虽然在20世纪60年代才出现,但它所涉及的一些内容,却是古老的课题,该学科萌芽于人们在很早以前就想知道的活的有机体运动,尤其是人类的运动,这是运动生物力学的萌芽背景。

1582年前后,伽利略得出摆长与周期的定量关系,并利用摆来测定人的脉搏率,用与脉搏合拍的摆长来表达脉搏率等;1616年,英国生理学家哈维根据流体力学中的连续性原理,从理论上论证了血液循环的存在;1661年,马尔皮基在解剖青蛙时,在蛙肺中看到了微循环的存在,证实了哈维的论断;1680年,博雷利在《论动物的运动》中讨论了鸟飞、鱼游和心脏以及肠的运动;1775年,欧拉写了一篇关于波在动脉中传播的论文;1898年,兰姆预言动脉中存在高频波,现已得到证实;材料力学中著名的杨氏模量就是英国物理学家托马斯·杨为建立声带发音的弹性力学理论而提出的。

1733年,英国生理学家黑尔斯测量了马的动脉血压,并寻求血压与失血的关系,解释了心脏泵出的间歇流如何转化成血管中的连续流,在血液流动中引进了外周阻力概念,并正确指出:产生这种阻力的主要部位在细血管处。其后,泊肃叶确立了血液流动过程中压降、流量和阻力的关系;弗兰克解释了心脏的力学问题;斯塔林提出了透过膜的传质定律,并解释了人体中水的平衡问题。

克罗格由于在微循环力学方面的贡献获得1920年诺贝尔奖,希尔因肌肉力学的工作获得1922年诺贝尔奖。他们的工作为20世纪60年代开始的生物力学的系统研究打下了基础。

到了20世纪60年代,一批工程科学家同生理学家合作,对生物学、生理学和医学的有关问题,用工程的观点和方法,进行了较为深入的研究,使生物力学逐渐成为一门独立的学科。其中有些课题的研究也逐渐发展成为生物力学的分支学科,如以研究生物材料的力学性能为主要内容的生物流变学等。

2.形成及发展时期（第二次世界大战后）

1939年以后,第二次世界大战爆发,生物力学研究处于暂时停滞不前的状态。1955年由约翰·邦恩所写的《运动训练的科学原理》一书,是体育科学领域第一本强调力学在运动训练中的应用多于解剖学的教科书。(www.xing528.com)

20世纪60年代,生物力学这个概念越来越流行,而且有更多的人开始参与运动生物力学的研究。1967年,第一届国际生物力学学术研讨会在瑞士苏黎世举行,会上发表的论文大多是有关人体运动生物力学的研究。此后国际生物力学学术研讨会每两年举办一次。1968年,国际上第一份《生物力学杂志》创刊,创刊号中有数篇文章是关于运动生物力学的研究。1973年在美国宾夕法尼亚州成立了国际生物力学学会(International Society of Biomechanics,ISB),并且每两年召开一届国际生物力学研讨会。1975年在芬兰于韦斯屈莱会议上改称为“国际生物力学学会大会”,该名称一直沿用至今。国际生物力学学会大会主要研究讨论运动中的生物力学,内容有肌肉—骨骼力学、人类工效学、运动生物力学、临床生物力学等。1977年美国生物力学学会成立。20世纪80年代早期,一些对运动生物力学研究有兴趣的学者成立了国际运动生物力学学会,并于1985年创刊了《国际运动生物力学杂志》(1992年该刊改名为《应用生物力学杂志》)。

20世纪70年代至90年代,运动生物力学的发展越来越蓬勃,参与运动生物力学研究的人数也急剧增加。计算机的普及,使得利用高速摄影机以及测力装置来收集和分析运动数据资料变得更简单、更快速。没有计算机辅助时,精确计算从摄影资料中所获得的测量数据以及量化生物力学的研究需要花费大量的时间,这也是20世纪60年代运动生物力学研究人员较少的原因之一。

3.快速发展时期（20世纪90年代后）

20世纪90年代以来,随着科学技术的飞速发展,现代运动生物力学也进入了快速发展时期,并且在未来一段时间内,运动生物力学将会向着方法更加先进、多种测试手段与分析方法融合的方向发展。

从运动生物力学的研究领域来看,相关学科的移植与创新有新的突破。例如,在运动器材研究方面,简便易测的生物力学器材为科研人员进行运动生物力学研究提供了前提和保障。例如,2016年美国帕斯科PS-2142便携式测力台的研制成功及其校准研究,解决了测力台移动的难题,为测力研究提供了极大方便(质量只有6.4 kg),而且在垂直方向小于4 400 N和水平方向小于1 100 N的冲量测量上,具有极高的效度和准确性。基本运动器材的更新换代是运动员个性化和科技进步的标志,运动鞋是运动员参加训练和比赛的基本器材,一些运动鞋生产厂家投入很多的精力,为新闻传播效应极高的运动明星量身定做运动鞋已经成为一种时尚,为特定运动项目和特定运动技术制作适宜的运动鞋也是未来运动生物力学研究的长期任务。

从运动生物力学的研究方法来看,新的研究方法不断出现,一些方法的综合运用成为研究的趋势。例如,运用3-D扫描、风洞实验与计算机液体模拟三者结合的综合性研究方法。借助目前流行的运动标记点捕捉系统(如VICON、MOTION等红外捕捉系统)提供的三维运动学数据,转换成不同仿真系统数据,继而转化成不同的数据模型,模拟运动神经肌肉系统的协调工作的人体肌肉骨骼仿真运动理想模型。

从运动生物力学的研究队伍来看,从事运动生物力学的研究者的规模和水平快速提升。早期大多由力学、生物学及体育学的研究者构成,现在则打破了传统的学科界限,大批其他学科的研究者如工程力学、计算力学、电子科学和医学工程的人才的加入很好地丰富了学科交叉,充实了学科的内涵,提升了生物力学的学科研究水平。