专家视点丨运动生物力学与体育科技促进学术研讨会（一）

5月22日，首届运动生物力学与体育科技促进学术研讨会在首都体育学院举办。会议旨在研讨促进力学与体育学两个学科的深入交叉融合以产生新的学科增长点，同时激发原始创新以服务国家重大工程需求。

主题报告环节，近二十位国内体育学、生物力学、人工智能等相关领域专家学者围绕运动康复指导体育科研发展、生物力学助力体育科研发展、可穿戴设备提升运动训练表现等前沿问题作了精彩的发言，专家们畅谈科技助力体育的未来，为运动生物力学与体育科技发展提出了具有前瞻性的发展建议和规划。

今起将分两期为大家介绍此次学术研讨会上专家们带来的前沿学术视点。

主题报告1：运动与康复：从基础到应用

樊瑜波

北京航空航天大学

大会报告的主要内容总结：

报告首先介绍了当前我国老龄化形势及失能情况，我国老龄化人口到2030年将达到4亿人，康复辅助器具、康复训练系统都将越来越重要。康复的本质科学问题包括：受损细胞、组织、器官的（部分）修复/再生、受损功能的恢复/部分恢复、受损功能的重建/代偿/部分代偿（例如脑功能重建机理和方法）、延缓功能衰退等，康复器械的核心技术仍待突破。

本次汇报介绍了基于无创辅助血液循环的康复辅助技术创新从基础研究到转化应用的案例，包括智能鞋、基于无创生物力学的反搏型糖足康复装置、糖尿病足溃疡防护智能鞋、基于体外反搏技术平台的循环系统智能化康复辅具研发。

介绍了基于力反馈的虚拟任务型手功能康复相关研究，提出基于力反馈器的精细运动评估设计；融合触觉和运动感觉的多模态康复训练策略；介绍了融合力触觉的机器人辅助训练系统：实现了腕关节运动感知的量化评测、融合运动输入的镜像训练、手指触觉-运动-视觉协同训练。

本领域当前研究的基础和存在难题：

1.行为意图的精准快速识别

2.人体行为的机械再现技术

3.感知技术有待突破

主题报告2：基于生物力学的竞技运动训练科学化热点概览

陈小平

国家体育总局体育科学研究所

大会报告的主要内容总结：

报告开门见山地指出：靠滞后的信息来评价运动训练，是传统训练的一大弊端。因此，运动训练科学化要解决2个问题：

1.要对训练的手段即刺激，进行科学的识别和选择

2.要对训练的过程进行监测、评估和改进

而当代竞技体育科技助力的路径主要发生在2个方面：

1.运动关键环节的重大创新突破

2.运动训练科学化水平的整体提升

在国外运动训练界，有“没有数据就没有计划，没有诊断就没有训练”等说法，可见以上2方面是世界范围内长期的发展趋势，也是我国运动训练领域严重的不足。陈教授为我们提供了大量世界顶级竞技运动训练的例子，例如：以挪威越野滑雪的夏季跑台训练为例，用计算机视觉和VR系统进行“实验室训练”是其发展趋势；从澳大利亚的每日训练数据采集也可以看出，目前大数据已经从比赛数据收集发展为训练大数据收集；此外芬兰冬季2项也通过大数据对射击运动员的技术进行分析；陈教授还详细介绍了NBA对运动负荷的量化标准。

本领域当前研究的基础和存在难题：

陈教授认为：科技助力运动训练，“人最重要的”，我国目前缺乏大量的与运动实践紧密结合的专家。自行车是夏季项目中科技成分最高的，也是与运动生物力学结合最紧密的项目，以英国自行车国家队复合性国际化团队为例，有14个职能，科技的进步已经改变了运动训练的体系，唯有集训练、科学、管理3种能力于一身的人才能担当“训练主管”；除此之外，陈教授还列举了短跑和赛艇项目上我国引入的国际顶级生物力学专家的例子。并将科技助力奥运总结为4个主要方面：1. 提高运动员的运动成绩；2. 延长运动员的运动寿命；3. 减少运动员的运动损伤；4. 提高运动的精细性

未来研究重点或者发展建议：

最后，陈教授指出目前运动训练科学化的发展趋势是：由比赛到训练、由结果到过程、由单一到多元、由宏观到微观。

对此，陈教授给出的建议是：加强基础研究；提升应用水平；扩展人才渠道

主题报告3：冰雪运动对运动生物力学基础研究和应用技术的挑战

霍波

北京理工大学

大会报告的主要内容总结：

报告首先介绍了冰雪运动的特征，大部分冰雪运动是人、机、环复杂交互过程，通常涉及材料、力学、生理生化多学科交叉。

其次介绍了冰雪运动的运动生物力学分析需要测量包括运动员运动学、动力学、生理功能参数等数据，面临挑战有：低温、远距离、同步采集、高速运动、连续工作、复杂参数分析，室外无接触测量过程中如何通过计算推算足底压力。在运动生物力学分析中需要骨胳肌肉模型，当前的问题是如何构建适用于各项运动的骨胳肌肉模型，需要建立一个全身骨胳肌肉模型。

冰雪运动中人体与装备的相互作用：涉及器械数据如何测量、器械材料、尺寸对人体动力学分析的影响，通常需要仿真模拟实现。

冰雪运动中还涉及到空气动力学研究，因为很多运动都是高速运动，风阻因素不可忽略。对于运动姿态优化，可通过风洞实验和数值模拟分析。

本领域当前研究的基础和存在难题：

1.人、机、环，多学科交叉

2.生理生化参数如何融入人体动力学分析模型

3.冰雪运动测量面临高速、低温、远距离、长时间连续工作等挑战

4.如何构建适用于各项运动的骨胳肌肉模型

未来研究重点或者发展建议：

1.发展准确、实时、易用的运动学、动力学、生理功能监测和分析技术

2.建立准确、优化、特定的骨骼肌肉生物力学模型和分析方法

3.发展耦合人体与装备相互作用的动力学分析技术

4.发展结合空气动力学分析的人体动力学分析方法

主题报告4：运动损伤生物力学研究与展望

郝卫亚

国家体育总局体育科学研究所

大会报告的主要内容总结：

报告首先介绍了随着体育运动的普及，无论是竞技体育还是大众健身。运动损伤造成的问题越来越来严重。报告中引用了一篇权威的研究，该研究对50余个项目中的6800多名运动员进行研究其中平均运动损伤率为59.37%，其中棒球、体操、举重、羽毛球、田径、足球等项目的损伤率尤为突出，均在60%以上。在运动损伤的性别分布上女性大于男性。常见的运动损伤为骨折、脱位、韧带断裂和肌腱断裂。

其次介绍了自由操和跳马落地动作的下肢负荷造成运动损伤的研究，研究对象为国家队的运动员和一些国外顶级运动员。主要研究方法是基于运动场地的个性化运动员生物力学建模与仿真方法，对高难度、高水平运动员技术动作进行动力学分析。通过分析人体惯性参数，获得地面反作用力、冲量，关节反力和反力矩，下肢关节功、功率等一系列动力学指标。

研究发现随着难度的提升，落地负荷应力也会增加。同时研究还发现落地垫的弹性系数和阻尼系数增加也会增加下肢负荷。

本领域当前研究的基础和存在难题：

1.无干扰的数据采集方法

2.基于运动学的数据获得动力学的数据

3.在运动赛场上直接采集数据

4.个性化的生物力学建模和仿真方法

5.避免落地的急刹车

未来研究重点或者发展建议：

1.建议相关组织（FIG）对落地垫摩擦细化进行更加系统的研究，建立合理的标准

2.研究针对不同项目特征各种关键技术动作的损伤机制，以及相应防护措施和装备的评估改进

3.研究人体不同组织器官的力学特征，特别是对符合的耐受阈值

4.研究人体云不懂模式规律，包括运动过程中运动空空告知与力学因素的耦合关系

5.整合不同层次（环节、器官、组织和细胞）下损伤生物力学的研究成果，进行跨尺度综合研究，建立损伤发生机制的理论

6.定量描述体育运动中肢体受力—组织应力—为损伤—修复—适应--的动态过程（机型损失上，慢性损伤）

7.研究新型个性化、数字化和智能化（可穿戴运动传感器和人工智能）运动监测与防护装备

主题报告5：阵列式摄像测量技术用于竞技运动中器械/人体姿态测量的研究

马少鹏

上海交通大学

大会报告的主要内容总结：

报告首先阐述了竞技运动中器械/人体姿态测量中，存在跨时/空尺度测量精细度问题、竞技体育中非干扰测量问题和内部骨骼系统运动不可见的三个问题。

针对上面三个问题，报告首先针对跨时/空尺度精确测量问题，提出了阵列式摄像测量方案，包括可实现大范围布置的分布式采集模块、快速大范围标定的激光点标定方法以及无标志点人体图像的关节点测量技术。

其次，针对竞技体育中非干扰测量问题，分别通过冰壶测量、跳台滑雪测量、速度滑冰测量、标枪测量四个应用，提出了相应的解决方案。

最后，报告针对内部骨骼系统运动估计问题，展望下一步技术方向，提出了结合力学模型反演、通过柔性电子设备测量等新思路和方法。

本领域当前研究的基础和存在难题：

1.跨时/空尺度测量精细度问题

2.竞技体育中非干扰测量问题

3.内部骨骼系统运动不可见问题

未来研究重点或者发展建议：

1.结合力学模型反演

2.通过柔性电子设备测量

主题报告6：田径项目的冠军模型

于冰

北卡罗来纳大学（美国）

大会报告的主要内容总结：

报告为我们呈现了运动生物力学助力竞技体育的国际化和前瞻性视角，提出了“科技助力是竞技体育的重要组成成分”的观点，进而提出“冠军模型”的概念：

l 冠军模型是运动员走向领奖台的路线图；

l 不同的科技助力学科的冠军模型是同一个冠军模型的不同部分。

在众多科技助力学科之中，生物力学的冠军模型由运动技术的冠军模型和体能训练的冠军模型组成，分为复制冠军模型和个体冠军模型两个类型。其中，复制冠军模型，照搬目前冠军的技术和体能特点，方法简单，模型质量取决于数据库质量和运动员之间的相似度，在径赛项目中使用效果比较好；而个体型生物力学冠军模型，根据生物力学和运动技术的一般原理，通过对相关生物力学数据的横向和纵向分析确定运动员应该具有的体能和技术特点，依靠生物力学模型、数据库、统计分析和计算机模拟建模，多用于田赛项目。

关于冠军模型应该具有的功能，主要有3点：

1. 确定目标：估算冠军需要的运动表表现

2. 确定短板：分析运动员的技术或体能局限性

3. 确定重点：估算改进技术和体能对运动表现的影响

于教授的演讲中，穿插了他从上世纪九十年代开始长达二十余年时间里亲身经历的多个科技助力奥运夺冠的生动例子，令我们对冠军模型的研究方法有了直观印象，也找到了冠军模型研究的方向，树立了信心。

本领域当前研究的基础和存在难题：

于教授认为，要有效应用冠军模型，需解决2个问题：

1. 首先模型本身要有效：模型要基于已有的生物力学和统计学原理；基础数据要可靠，技术参数要真正代表技术特征和个人特点。

2.此外模型应用要有效：科技助力人员与教练员的沟通要有效，要做到让教练员明白，让教练员认可。

未来研究重点或者发展建议：

于教授对未来提高科技助力水平提出发展建议。他指出，高水平的科技助力要由3个部分组成，缺一不可：人员素质高；设备水平高；数据质量高。

最后，于教授远在大洋彼岸寄语国内的生物力学科技助力工作者：

1.生物力学是竞技体育科技助力中的重要学科

2.冠军模型是生物力学科技助力的有效方法

3.有效地应用生物力学冠军模型需要高水平的运动生物力学专业人员

4.体育界外部的科技人员需要正确认识竞技体育科技助力，并积极与体育界内部的科技助力人员合作，发挥技术

主题报告7：极端力学环境下骨重建的生物力学研究

张西正

军事医学科学院卫生装备研究所

大会报告的主要内容总结：

报告开始，重点介绍了在不同重力加速度环境、高负荷过载等外部条件对人体骨骼重建的影响，并根据Frost骨重建理论提出了一系列的具体研究方向。

报告首先介绍了展示了微重力环境下抑制成骨细胞分化的实验结果，同时发现CKIP=1-siRNA对成骨活性具有显著影响，可以增加成骨活性。

随后，报告展示了高重力条件对骨重建的影响，发现4-8G范围内骨重建影响不大，但不断增大重力加速度后，10-20G发现会对股骨形态产生破坏性作用。同时，报告提出了通过淫羊藿苷，可以一定程度上对抗高G的破坏性作用，并对抗高G对骨重建的抑制作用。

类似的，报告通过实验方法介绍了疲劳和过载状态、深潜、负重结合高频率低载荷、高原低压会对骨骼造成的影响。

最后，报告展望了生物力学在医学、健康、特殊环境等领域中的应用。

本领域当前研究的基础和存在难题：

1.分生理性应力/应变分布，例如失重、微重力、超重、过载，对成骨/破骨细胞有哪些影响

2.影响骨重建过程的基因调节通路有哪些

3.是否有方法干预骨重建过程，进而缓解外界极端环境影响

未来研究重点或者发展建议：

1.生命科学最前沿领域，如干细胞和免疫等领域开展交叉创新研究

2.现代医学领域，如心血管、肿瘤、脑、神经和骨肌系统等前沿学科

3.大健康领域，运动、康复和养老助障，如医疗器械、人体增能、康复辅具的创新开发

4. 特殊环境的生物力学研究。如航空、航天等微重力和超重环境，以及高原、深海和极地等特殊环境对人体生理功能影响的防护和对抗措施

5.人体增能和防护

主题报告8：传感网在运动生物力学研究中的应用

孙刚

首都体育学院

大会报告的主要内容总结：

报告提出了传感网的概念，传感网构建了动态的、多维度的人机环数据交互系统，带来远超传统互联网和物联网的技术融合和基础设施建设的复杂性，也为多行业的科学发展提供了核心技术支持。

传感网与运动人体科学的融合研究：动作的光学感知和数据分析、生理生化状态感知分析和身体特质测量分析、心理状态感知和数据分析、设备设施的感知和数据处理、环境和场景感知和数据处理。

未来研究方向：建立传感网技术和运动生物力学相结合的科研体系，利用人工智能技术为核心，开发运动科技产品和服务创新，实现多个细分人群领域的运动表现提升，持续推动运动促进健康的科学风尚。

本领域当前研究的基础和存在难题：

建立传感网技术和运动生物力学相结合的科研体系

来源｜体育人工智能研究院

责编｜焦 维

审核｜张智侠