劉教授和他的“人體物理學”

■本報記者 彭德倩

誰能想到，一雙外形普通的運動鞋，可以用來精確估測體力能量消耗，如今已被成功應用於我國青少年體質增強項目中﹔更少人知道的是，這一估值模型隨后還被國際頂尖的運動裝備公司參考採用。
這神奇的數字化運動鞋，背后的科研團隊領頭人，就是上海體育學院“運動健身科技”教育部重點實驗室主任、運動科學學院院長劉宇。近日，他剛成為教育部“長江學者”特聘教授，這在國內體育類院校中尚屬首次。

測能耗比計步器精確

據了解，數字化運動鞋的功能主要是通過測算步行距離、步行速度等，來計算行進間消耗的能量。此前，基於我國青少年人群中普遍存在的體力活動不足、體質水平下降等突出問題，這一能量測算模型成為科技部科技支撐項目的關鍵問題之一。
不少人曾質疑，市場上那麼多計步器，難道不行嗎？答案是真的不能類比。原來傳統計步器主要依靠壓電晶體或單晶硅體上置一個質量塊，當加速度變化時(比如震動)對晶體的壓力值改變，從而輸出一個電訊號，進而通過模型測算能量消耗，這一加速度傳感器作為核心的器件日常使用尚可，若用於青少年體質增強研究，精度顯然遠遠不夠。
劉宇教授帶領上海體育學院的科研團隊，與中科院合肥智能研究所合作，將可感受壓力壓強的特殊印刷芯片做成“鞋墊”，當人穿著這樣的特殊運動鞋活動時，前后腳掌的施力、受力，腳底支撐時間、騰空時間，精准記錄，同時數據無線傳輸至專門設備，通過獨創的運動科學計算模型化為對每一個受測者能量消耗的准確評估。近幾年來，通過這一新技術積累的海量數據為增強青少年體質提供有力的理論和應用指導。這一模型隨后被國際頂尖的運動裝備公司參考並用於新上市的移動游戲數字鞋運動能耗的推估。相關成果也發表在國內外專業期刊上。
值得一提的是，劉教授的這份“鞋之緣”並未止步於此。自2007年以來，他帶領的課題組分別與業內頂尖品牌建立橫向課題研究，更促成上海體育學院成為國際高端運動裝備公司13個全球合作伙伴之一，雙方產學研合作，主要針對亞洲運動員的腳型與足部運動的生物力學特征研發網球運動鞋、羽毛球運動鞋等運動裝備。如何令羽毛球運動員的急停轉身更敏捷？怎樣令網球選手滑步時各關節受到更好地保護？籃球鞋是不是鞋幫越高，對腳踝保護越好……都成了科研攻關的重要項目。

助中國“飛人”飛起來

“想要跑得快，首先要了解人體究竟是如何跑的”，劉教授介紹。他領銜的國家自然科學基金項目“制約短跑速度能力的神經力學探討”和“肌肉損傷機制的神經肌肉骨骼系統建模與仿真研究”，針對優秀短跑運動員進行測試，採集運動學、動力學以及神經肌肉動作控制等一系列數據，建立起下肢神經肌肉骨骼系統動力學模型……若將專業術語翻譯成科普語言，這相當於拍出一部“透視電影”，運動員跑動時的肌肉運動、關節運轉、受力方向，纖毫畢現。
就在這時，劉教授有了個有趣的發現。常識中，我們總覺得跑步腳掌著地時，由於地面的反作用力，下肢關節是受到壓縮的﹔然而在“慢鏡頭”播放“透視電影”時，可以發現，在腳著地的初期，膝關節受力是相當復雜的，肌肉力矩不是我們想象中那樣，抵抗外力壓縮，而是主動向內屈的。換句話說，人體高速跑動時腳掌支撐期約為100毫秒，那前10毫秒膝關節受到外力作用的是伸展力矩，而非壓縮力矩。這一發現看似微小，卻可為下肢肌肉鏈找到更為高效的運動方式，據此改善訓練方法，可令運動員更好地挖掘人體潛能，跑得更快、更安全。
如今，劉教授這位人體物理學家的研究又進一步，他與清華大學的李慶教授合作，針對我國目前最優秀的短跑運動員張培萌、孫立冰等9名選手進行專門分析，並結合本體感覺、神經傳導速度、神經反射、下肢髖膝踝以及跖趾關節力量，探尋其與運動成績的因果關系，希望能為我國短跑運動員突破技術瓶頸，提供一分助力。令人欣喜的是，該研究目前已完成了第二次實驗測試，預計今年完成。

為老年人設計專用啞鈴

這神奇的“人體物理學”隻服務於基礎研究和競賽成績嗎？在運動科學中探索了30多年的劉教授對此並不認同。在繁忙的基礎科研工作以外，他帶領團隊根據對人體神經肌肉系統的了解，以及生物力學領域的原創性成果積累，設計出專門針對老年人鍛煉的器材——老年專用慣性啞鈴。
劉教授介紹，普通啞鈴鍛煉時，我們用到的，主要是其上下位置變化后產生的阻力，人體肌肉與阻力對抗，獲得鍛煉。而經過特殊設計的慣性啞鈴，在使用時，不僅產生重力阻力，還因自身轉動產生大量轉動阻力與慣性，這一特別的轉動慣性阻力可傳遞至使用者的手臂及全身，鍛煉肌肉力量的同時，對肌群協調能力、人體平衡能力的鍛煉，尤為有效。據悉，這一應用性成果已在美國獲得專利，更已轉化為產品，遠銷國外。劉教授看來，以生物力學為重要支撐的運動科學，更應該服務於大眾健康，令生活更美。

(來源:解放日報)