运动生物力学视角下残疾人体育竞技表现提升研究进展
运动生物力学视角下残疾人体育竞技表现提升研究进展孙 冬1，赵 亮1，黄 莹2，宋 杨1，梅齐昌1，李建设1，顾耀东1*
（1.宁波大学 体育学院，浙江 宁波 315211；2.中国残疾人体育运动管理中心，北京 101318）
摘 要：在残疾人竞技体育快速发展和科技助力残奥背景下，系统梳理回顾近年来运动生物力学助力残疾人竞技运动表现提高的理论体系和最新应用成果。当前研究聚焦3个方面：1）残疾运动员技术动作的生物力学分析反馈；2）辅具/假肢/装备的生物力学设计优化；3）残疾运动员科学分级的生物力学实证体系构建。基于当前研究现状，建议未来运动生物力学助力残疾人竞技表现提升研究应整合实验室检测和场地实时测试，依托无标记动作捕捉、可穿戴传感技术、大数据分析等交叉学科前沿技术方法，将滞后的分析报告转变为即刻快速反馈的数据，将常规的科技服务转变为科学训练助力，为残疾运动员动作技术优化、假肢装备改良适配、科学化训练及实证分级提供科技支撑。同时，建议增加对残疾人冬季项目运动生物力学研究的关注和投入，大力开展冰雪项目运动表现生物力学分析，优化辅具装备的生物力学适配设计，构建实证量化的科学分级体系，科技助力残疾人竞技体育科学快速健康发展。
关键词：运动生物力学；残疾人；竞技体育；竞技能力；提升
近年来，随着“科技助力残奥”理念的提出以及残疾人竞技体育的快速发展，国内外聚焦残疾运动员竞技表现提升的运动生物力学研究不断涌现。现有研究结合残疾运动员身体特征、项目分级、技战术特点、人-器械-界面耦合及假肢护具优化等方面开展生物力学分析（Bur‐kett，2010；Luigi，2018）。在残疾人竞技体育领域，运动生物力学分析有助于厘清残疾程度对运动表现影响的内在机制，并寻求最优的技术动作以及契合残疾运动员需求的辅具装备（Keogh，2011）。随着运动生物力学、人体工学、材料科学等多学科交叉研发水平不断提升，残疾运动装备辅具科技快速发展。2008年北京夏季残奥会，“刀锋战士”奥斯卡着碳纤维假肢参加短跑比赛的成绩取得历史突破，特制的碳纤维假肢能量回归（energy-return）的表现高于健侧肢体（冯毅 等，2014；Burkett，2010）。
在“更高、更快、更强”的奥林匹克格言下，适用于普通运动员的标准器械可能会抑制残疾运动员竞技表现。为满足残疾运动员竞技需求，运动轮椅和假肢生物力学研发的新技术层出不穷，残疾人运动装备辅具设计改变了传统的运动科学思维模式（Morriën et al.，2016）。基于残疾运动员身体机能特点，运动轮椅已广泛应用于田径等个人项目以及轮椅篮球、轮椅橄榄球等团体项目。轮椅运动表现受运动员、轮椅以及运动员-轮椅相互作用这3个因素影响（Tang et al.，2018）。在运动装备辅具技术不断进步以及生物力学设计不断优化的背景下，基于残疾运动员个性化特征的装备及辅具设计将更多地应用于高水平竞赛。
在东京奥运会和北京冬奥会的严峻局势和挑战下（陈小平，2018），本文对近年来运动生物力学助力残疾人竞技体育的研究成果进行了系统的梳理和总结，厘清运动生物力学视角下残疾人竞技运动表现提升的途径、不足及未来研究展望，为快速提升我国科技助力残疾人竞技体育提供学科支撑。
1 文献检索及梳理方法
1.1 文献检索策略
外文数据库主要选取Web of Science、Scopus、PubMed、Google Scholar、EBSCO等，检索时间范围为1995年1月1日—2019年8月31日。使用布尔逻辑词“AND”“OR”连接各检索词，包括“Paralympic/Paralympics Biome‐chanics”AND“Paralympic/Paralympics Sports Biomechan‐ics”OR“Paralympic/Paralympics Sports Performance”OR“Paralympic/Paralympics Athlete”OR“Paralympic/Paralym‐pics Athlete Performance”OR“Paralympic/Paralympics Sports Injury”OR“Paralympic/Paralympics Classification”OR“Paralympic/Paralympics Prosthesis/Sports Equipment”。 中文数据库主要选取中国知网、维普期刊等，检索时间范围为1995年1月1日—2019年8月31日。检索关键词为“残疾人”或含“竞技”“生物力学”“运动表现”“残疾运动员”“分级”“假肢”“运动装备”。检索设定在题目、摘要和关键词。
1.2 文献筛选标准
共检索出英文文献468篇，中文文献15篇，2位作者分别独立对检索文献的标题、摘要及全文进行交叉检验核对，以确保全文至少一处包含上述关键词。经重复性筛查剔除重复文献122篇，经关键词审查剔除文献243篇。2名作者参考以下筛选标准对关键词和重复性审查所得的外文文献进行进一步筛选剔除：1）会议论文；2）综述性论文；3）选取受试者非竞技残疾人运动员；4）研究项目非夏季残奥会/冬季残奥会正式比赛项目；5）未经同行评议的研究论文。最终选取相关研究文献共50篇。文献检索及筛选流程如图1所示。
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图1 文献检索及筛选流程
Figure 1.Flowchart of the Literature Inclusion and Exclusion Process
2 文献检索结果分析
结合筛选出的50篇研究文献，从运动生物力学研究视角，将涉及的残疾人竞技体育分为站姿类项目和坐姿类项目（Weiler et al.，2016）。由2位作者独立对这50篇中、英文研究文献进行全文阅读分类，提取关键研究信息，不一致信息由第3位作者做出判断，并达成一致意见。当前运动生物力学助力残疾运动员竞技体育表现的研究主要聚焦于：1）残疾运动员技术动作的生物力学分析；2）残疾运动员分级的生物力学实证依据；3）残疾运动员损伤预防的生物力学机制；4）运动器械/辅具/装备与运动员及界面耦合的生物力学研究。
纳入的50篇研究文献中，涉及夏季项目的研究为40项（占80%）；涉及冬季项目的研究为10项（占20%），夏季项目研究数量明显多于冬季。23项研究在竞赛现场开展。站姿项目研究25项，其中，跑步项目18项（表1），跳跃项目7项（表2）；坐姿项目研究25项，其中，夏季坐姿类项目15项（表3），冬季坐姿类项目10项（表4）。25项站姿类项目研究均为夏季项目，未涉及冬季站姿类项目相关运动生物力学研究。
3 站姿类项目运动生物力学研究进展
3.1 田径站姿类项目（跑步）
田径站姿类项目（跑步）相关研究共纳入18项。经胫骨截肢（trans-tibial amputation，TTA）运动员数量高于经股骨截肢（trans-femoral amputation，TFA）。研究主要涉及短跑项目起跑与弯道技术分析和运动假肢生物力学功能。
3.1.1 起跑与弯道技术生物力学分析
Bezodis等（2018）对单侧下肢截肢运动员在短跑起跑准备时总将健侧下肢前置的起跑动作进行研究，发现健侧在前起跑时，合力约增加6%。弯道跑技术在200 m和400 m短跑项目中占重要地位。在田径比赛中，弯道跑为逆时针，即左侧下肢靠近弯道内侧。Funken等（2017）对2015年残疾人田径世锦赛和2016年夏残奥会200 m和400 m决赛前8名运动员进行分析，发现左侧下肢截肢运动员的数量明显少于右侧下肢截肢者。与右侧截肢相比，左侧截肢运动员在较小的弯道半径（17.2 m）内的跑速和运动表现显著降低（Taboga et al.，2016）。Funken等（2017）对1名左侧TTA 200 m跑残奥冠军顺时针和逆时针的弯道冲刺下肢生物力学参数进行测量，发现逆时针弯道跑时，假肢侧平均垂直地面反作用力（gorund reaction force，GRF）和垂直冲量（impulse）均较低，弯道冲刺的表现和提速能力取决于截肢侧相对于弯道的内外侧位置。
3.1.2 运动假肢生物力学功能研究
随着材料科学和人体工学的发展，截肢运动员在跑步比赛中多使用碳纤维跑步专用假肢（running-specific pros‐theses，RSP）（Beck et al.，2018；Bezodis et al.，2018）。假肢无法产生肌力，缺少触觉信息反馈，且跑步假肢无法实现刚度实时调节，主要通过健侧适应运动界面以调整跑速（Beck et al.，2017；Funken et al.，2017，）。由于碳纤维运动假肢具有类似弹簧的特性，部分残疾运动员短跑成绩与顶尖普通运动员十分相近，因此，该类型假肢的使用也一度引发争议。Beck等（2018）对1名T44分级男性单侧TTA残奥100 m（10.61 s）和200 m（21.27 s）短跑冠军穿着RSP进行跑台递增跑速的生物力学分析发现，其峰值跑速可达到11.55 m/s。与已有研究不同，该研究发现该运动员在2.87～11.55 m/s的递增跑速范围内，假肢侧与健侧下肢刚度（leg stiffness）无显著性差异；增加下肢刚度可缩短触地时间且提高跑速。Beck等（2018）研究发现，假肢侧在短跑过程中降低的下肢刚度可能与减小的垂直GRF及高速状态下较大程度的垂直位移相关。
被誉为“刀锋战士”的著名的双侧截肢T44级别短跑运动员奥斯卡·皮斯托瑞斯（Oscar Pistorius）的运动能力和竞技水平甚至超过大部分顶级普通精英运动员（冯毅等，2014）。Burkett等（2011）和Weyand等（2009）对奥斯卡着特制运动假肢在最大力直线冲刺过程中的时空参数以及下肢运动学和动力学特征进行测试（图2），发现奥斯卡冲刺跑支撑期时间延长约14%，而摆动期时间缩短约34%，步态周期时长缩短了约20%。从动力学角度分析，奥斯卡的垂直GRF显著降低；假肢踝关节的能量回归效率高达91%，而健侧踝关节能量回归效率仅约41%。上述研究从运动生物力学角度阐释了双侧截肢运动员在特定运动假肢帮助下能够取得比肩同级别普通运动员成绩的原因。
表1 田径站姿类项目（跑步）运动生物力学研究关键信息提取
Table 1 Key Biomechanical Information of Standing Track and Field Sports（Running）
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（续表1）
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注：1）T（track event），表示径赛项目分级；2）M（male）表示男性，F（Female）表示女性，“普”表示普通组，“残”表示残疾组；3）下同。
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图2 双侧截肢运动员与普通运动员跑步能量回归效率及步态周期对比（Burkett et al.，2011；Weyand et al.，2009）
Figure 2.The Energy Return Efficiency and Gait Cycle Comparison between Double Side Amputee and Normal Athletes
由于运动假肢无法提供本体感受反馈“踝”关节或“足”的位置，因此，运动假肢可能会降低短跑时保持平衡的能力。适当降低单侧TFA运动员假肢侧的膝关节中心位置可提高双侧下肢对称性，从而提高跑速（Schmalz et al.，2017）。相较个性化假肢，通用运动假肢可能会增加运动员双侧下肢不对称性，不利于运动表现的提高。随着跑速增加，单侧TTA运动员侧向稳定控制功能减弱，而使用跑步专用运动假肢可为单侧TTA短跑运动员提供代偿性的双足姿态控制策略，提高冲刺状态下的侧向稳定性（Arellano et al.，2015；Dyer et al.，2015）。
表2 田径站姿类项目（跳跃）运动生物力学研究关键信息提取
Table 2 Key Biomechanical Information of Standing Track and Field Sports（Jumping）
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注：F（field event），表示田赛项目分级。
3.1.3 小结
在起跑与弯道技术优化层面，单侧截肢运动员起跑时，应将健侧置前，以提高起跑合力、提升起跑表现。弯道运动表现很大程度上取决于假肢侧相对于弯道内侧的位置，当假肢侧靠近弯道内侧时，弯道运动表现显著降低。探索假肢侧位置对弯道运动表现和生物力学特征的影响，对科学分级、优化跑步假肢设计、合理安排短跑技战术等方面具有重要意义。RSP的出现提高了残疾人跑步表现和竞技水平，相较健侧肢体，其能量回归效率显著提升，明显缩短步态周期。但碳纤维运动假肢也同时存在下肢刚度无法主动调节以及平衡控制能力降低的问题，可通过对假肢侧关节中心位置的个性化调整，增强侧向稳定性，提高运动表现。
3.2 田径站姿类项目（跳跃）
碳纤维运动假肢被广泛应用于残疾人跳远项目，2016年夏残奥会T44级别跳远项目决赛的10名运动员均使用碳纤维运动假肢。单侧截肢运动员使用碳纤维运动假肢在跳远项目中跳出了8.48 m，这一成绩在近3届（2008年、2012年、2016年）奥运会男子跳远比赛中也可拔得头筹（Funken et al.，2019a）。跳跃项目成绩的提高与运动假肢技术进步密不可分。对跳跃项目助跑、起跳等阶段的生物力学机制进行研究，对于理解运动员如何适应运动假肢并优化跳远技术十分关键（Willwacher et al.，2017）。
3.2.1 助跑技术分析
由于假肢侧与健侧不对称及假肢侧垂直GRF在冲刺跑过程中偏低，有学者据此推测，在跳远助跑阶段假肢侧无法募集足够的垂直冲量，并会产生代偿效应降低跳远运动表现。Willwacher等（2017）对3名顶尖单侧TTA运动员和7名顶尖普通运动员助跑和起跳阶段的下肢运动学和动力学参数进行测试分析，发现两组运动员跳远距离几乎无差异（7.26±0.77 m vs.7.27±0.45 m）。TTA组助跑平均速度比普通组低7.6%，但TTA运动员双侧下肢的垂直GRF并无显著性差异，同时由于RSP侧具有较高的能量回归效率，可代偿TTA组因较低助跑速度而产生的水平加速度损失。TTA运动员残肢端越长，肌肉残余功能越强，能提供更长的力臂，有利于助跑动作运动表现提升。
表3 夏季坐姿类项目运动生物力学研究关键信息提取
Table 3 Key Biomechanical Information of Sitting Summer Sport
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注：SCI（Spinal Cord Injury），表示脊髓损伤；UBI（Upper Body Impairment），表示上肢功能障碍；LBI（Lower Body Impairment）表示下肢功能障碍；下同。
表4 冬季坐姿类项目运动生物力学研究关键信息提取
Table 4 Key Biomechanical Information of Sitting Winter Sport
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注：LW（locomotor winter），表示冬季项目分级；n（number），表示受试者数量。
3.2.2 起跳技术分析
2004年夏残奥会跳远决赛前10名运动员中，有5名运动员以假肢为起跳腿，5名运动员以健侧为起跳腿，假肢侧起跳的平均成绩比健侧起跳远0.08 m（Nolan et al.，2008）。对假肢侧和健侧作为起跳腿的下肢生物力学分析发现，假肢侧作起跳腿时，髋关节矢状面内的活动范围更小，而膝关节刚度更大。Nolan等（2012）对比10名单侧TTA运动员分别用假肢侧和健侧作起跳腿的蹬离动作，发现起跳过程两侧关节活动度和起跳水平速度呈显著性差异。研究发现，单侧TTA跳远运动员使用假肢侧起跳蹬离时的离地角度、身体重心（center of mass，COM）轨迹变化等关键生物力学参数与普通跳远运动员极为相似（Funken et al.，2019b；Willwacher et al.，2017）。Funken等（2019b）对单侧TTA运动员与普通运动员跳远起跳动作的运动学对比研究发现，在两组运动员跳远距离相同的情况下，TTA组假肢侧作起跳腿时的髋关节和膝关节活动度降低，起跳前重心位置下降得更低，假肢侧塌陷时间更长。与普通运动员相比，截肢运动员将起跳水平速度转变为垂直速度的运动学机制不同（Funken et al.，2019b）。
3.2.3 小结
碳纤维运动假肢技术的进步极大地提高了残疾运动员跳跃运动表现。助跑阶段，使用假肢降低助跑速度，同时假肢侧的能量回归效率显著高于健侧，在一定程度上代偿由于助跑速度降低而导致的水平加速度损失。起跳阶段，假肢侧作为起跳腿时重心位置下降更低，假肢塌陷时间延长，膝关节活动度降低，关节刚度增加，与健侧起跳相比，能够提升跳远运动表现。以上研究阐释了高科技运动假肢提升跳跃运动表现的生物力学机制。运动假肢科技含量的提升，个性化适配以及科学化训练是影响残疾运动员跳跃表现的重要因素。
4 坐姿类项目运动生物力学研究进展
4.1 夏季坐姿类项目
夏季坐姿类项目运动生物力学研究主要围绕坐姿投掷类项目（如铁饼、铅球、掷棒等）、轮椅竞速类项目（如100 m、200 m）和轮椅对抗类项目（如篮球、乒乓球等）展开，同时并基于轮椅运动功能及生物力学表现，构建基于实证的分级体系。
4.1.1 坐姿投掷类项目研究
坐姿投掷类项目涵盖11个级别，包括肌强直、共济失调、肌力丧失、肢体缺陷或活动范围受限等。脊髓损伤运动员参加F51～F54级别的比赛，级别越低，损伤程度越严重（Hyde et al.，2016）。以上级别运动员参加的标枪、铁饼和铅球等投掷项目的比赛规则与普通运动员类似，但使用的是定制的投掷凳，因此投掷技术与普通运动员不同。Frossard（2012）对114名不同级别和性别的残奥投掷运动员比赛期间的运动表现与分级相关性进行研究，采用比较矩阵、离散数值法分析发现，运动成绩与级别高度相关。目前，坐姿投掷项目运动学研究常采用双摄像定点拍摄法。Frossard等（2007）研究发现，坐姿铁饼投掷出手阶段躯干、肩关节和前臂的较高角速度是投掷运动表现的重要影响因素。评估脊髓损伤运动员躯干和手臂力量障碍对投掷成绩的影响，对建立基于实证的分级系统十分关键。对脊髓损伤坐姿投掷项目运动员躯干及上肢力量因素与运动表现关系的研究发现，握力及躯干屈肌群力量与投掷出手速度呈显著正相关（Frossard et al.，2012a，2012b）。
4.1.2 轮椅竞速类项目研究
轮椅竞速过程中的运动生物力学测量与分析，有助于优化运动技术，寻求影响轮椅竞速表现的关键生物力学参数，并为运动轮椅改良设计提供参考。现有竞赛规则不允许在运动轮椅上粘贴任何传感器，因此，在获取轮椅竞速运动员动力学参数方面存在一定限制。Barbosa等（2017）对2016年夏残奥会T54级别男子轮椅竞速100 m冠军进行身体参数和运动学参数采集，构建数学分析模型预测该运动员动力学特征。模型包括轮椅运动中的滚动摩擦力、阻力、运动员能量输出和能量输入的估算，忽略轮椅轴承摩擦力。通过模型预测，得到60 kg选手及轮椅进行100 m冲刺测试达到峰值速度6.97 m/s时，滑动摩擦力和阻力占比分别为54%和46%。研究通过实验测试获得运动学参数，通过数学分析模型预测动力学特征，可作为动力学的补充测试手段。
4.1.3 轮椅对抗类项目研究
轮椅运动表现除受自身能力限制外，运动轮椅的科技含量、适配和个性化也是影响残疾运动员运动成绩的主要因素（Burkett，2010）。轮椅乒乓球对运动轮椅移动的灵活性和稳定性均有较高需求，通过对轮椅进行调整可增加运动员的活动范围，提高舒适性和稳定性（王玉明等，2017）。对轮椅坐垫和扶手的压力分布进行测量，可为运动轮椅改良设计提供依据，避免长时间训练和比赛中可能出现的运动损伤（Tang et al.，2018）。研究发现，运动员姿势不平衡可能导致坐垫压力分布不均，造成臀肌局部压力过载，引发压疮等损伤。基于轮椅扶手压力传感器测量和运动员主观反馈，对轮椅扶手进行调整后，运动轮椅的舒适性和稳定性有了明显的改善，并可扩大活动范围（Costa et al.，2009；Tang et al.，2018）。
4.1.4 轮椅运动员实证分级体系研究
轮椅运动员脊髓损伤同时影响躯干、骨盆和臀部肌肉，损害坐姿稳定性。运动员通常通过两种方式增加坐姿稳定性：1）使用绑带捆扎骨盆及躯干；2）调整座椅倾斜位置，抬高膝关节，减小髋关节角度，即采取更“深”的坐姿。脊髓损伤程度高、坐姿稳定性低的运动员，坐的位置相对较“深”，髋关节屈曲角度也越大。运动员采用较深坐姿是一种增加坐姿稳定性的代偿机制。然而，深坐姿使骨盆后倾，拉长腹部和椎旁肌肉，限制了躯干的活动范围，并限制肩关节活动度，影响肩关节相对轮椅扶手的最佳位置，可能对运动表现产生不利影响（Tweedy et al.，2010；Vanlandewijck et al.，2011）。目前，轮椅运动分级体系普遍认为限制躯干活动度会降低运动表现。然而，目前尚未有对坐姿位置与躯干主动活动范围的研究，躯干活动范围限制是否影响轮椅运动表现也尚不清楚（Van‐landewijck et al.，2011）。
4.1.5 小结
坐姿投掷类项目的研究聚焦动作技术优化改良、投掷凳个性化设计方面，从运动生物力学角度为坐姿投掷项目运动员运动表现提高及科学分级提供参考和依据。轮椅竞速类项目结合视频分析、传感器技术、数学模型分析运动员竞赛运动表现，寻求影响轮椅竞速表现的关键生物力学参数，预测竞速过程的动力学和能量学特征，以深入了解轮椅竞速运动员运动表现提高的生物力学机制，优化动作技术。轮椅对抗类项目主要通过对轮椅乒乓球运动员的运动轮椅进行生物力学优化改良，以提升轮椅舒适性和稳定性，并增加活动范围，通过生物力学定量测试手段优化运动轮椅结构设计。轮椅运动分级体系相关研究结果量化运动员坐姿对轮椅加速表现的影响，为如轮椅橄榄球、轮椅网球和轮椅篮球等项目的分级提供参考依据。
4.2 冬季坐姿类项目
残疾人冬季运动包含高山滑雪、越野滑雪、冬季两项、单板滑雪、残奥冰球和轮椅冰壶6个项目。本文选取的10项残疾人冬季坐姿类项目运动生物力学研究中，7项研究聚焦越野滑雪坐姿类项目，3项研究分别关注轮椅冰壶、残奥冰球与高山滑雪项目。
4.2.1 运动技术生物力学分析
普通运动员越野滑雪时通常在上坡和冲刺阶段采用双杆滑雪技术，但越野滑雪坐姿类运动员由于下肢运动功能丧失，仅依赖躯干和手臂的剩余功能驱动滑雪杆，因此，双杆滑雪技术成为滑雪坐姿类运动员的唯一选择（Rosso et al.，2016，2017）。Gastaldi等（2012）将滑雪坐姿类项目的滑行周期分为推杆（poling，PP）、过渡（transi‐tion，TP）和还原（recovery，RP）3个阶段。滑行周期从PP做开始进行加速，TP标志推杆动作结束，RP动作还原，为下一次 PP做准备（Gastaldi et al.，2012）。Gastaldi等（2016）基于视频分析的无标记动作捕捉技术，采集LW10级别越野滑雪运动员肢体、躯干及滑雪器的运动学特征，研究结果表明，LW10运动员由于上臂和前臂的运动带动躯干，在TP之前，躯干前向惯性效应对滑雪推进有重要贡献。躯干在坐姿越野滑雪中起主要推进作用，不同级别运动员躯干功能残余和控制躯干肌肉能力的差异较大。
在2018年平昌冬残奥会上，我国轮椅冰壶项目取得历史上首枚金牌。不同于一般冰壶比赛，轮椅冰壶运动员不与冰壶直接接触，而是通过推杆推动冰壶完成比赛。推杆是轮椅冰壶运动员手臂的延伸，提升并优化冰壶推杆动作的稳定性，对提升轮椅冰壶运动员的运动表现至关重要。Laschowski等（2018）运用正向动力学优化方法，对1名残奥轮椅冰壶运动员的动作控制系统进行数学建模和仿真，将建模优化的运动学参数与轮椅冰壶传递过程中实验测量数据进行比较（图3）。研究发现，最小化关节角加速度可以得到最准确的运动轨迹预测和最短的优化计算时间，提高轮椅推杆表现。
4.2.2 运动装备/辅具生物力学优化
坐姿滑雪运动员依赖于适配的坐式滑雪器，通过躯干、肩关节和手臂的肌肉对称性的驱动双滑雪杆以达到向前推进的目的。滑雪器的适配性和功能对坐姿滑雪运动员的重要性不言而喻。Langelier等（2013）设计了一款新型坐式滑雪器并成功应用于加拿大越野滑雪队在2010年冬残奥会的比赛当中。该滑雪器能够帮助运动员有效调整前后质心以避免两侧偏移，这是滑雪动作控制和运动表现提升的关键因素，该坐式滑雪器设计同时能够有效调节垂直方向惯性矩（moment of inertia），可提高平衡及动作控制。该滑雪器选择的悬架是四连杆结构，经过优化可将由于悬架压缩而导致前后座椅的活动限制在7 mm范围，脚垫采用倾斜设计，可有效调节约11%的惯性矩，可以在一定程度上帮助运动员提升滑雪运动表现。
4.2.3 实证分级体系构建研究
残疾人冬季项目的分级规则由国际残疾人奥林匹克委员会（Intemational Paralympic Committee，IPC）制定，制定中部分依靠常见的功能评价。运动生物力学量化研究可以提高分级过程科学性。Rosso等（2019）基于实验室坐姿滑雪分级系统，测试运动员在雪地和室内滑雪测功仪上进行双杆滑雪动作时的运动学和动力学特征，通过对比，优化双杆滑雪动作模拟的稳定性和有效性。同时，采用躯干力量及核心控制功能对运动员障碍程度进行评估。核心控制功能表现为躯干抵抗外界干扰的能力，同步采集运动员在干扰状态下滑雪周期的运动学特征和肌肉力量，发现滑雪推进期占比、肌肉力量、躯干活动度等指标与运动表现高度相关。
4.2.4 小结
综上，场地训练比赛动作技术采集主要借助视频解析和无标记动作捕捉技术，对滑雪动作进行分段评估。实验室测试多结合三维动作捕捉系统，评估运动员滑雪技术代偿功能，为提高滑雪效率、改善滑雪技术提供依据。采用正向动力学优化方法，以身体测量及运动学参数为输入，可为轮椅冰壶推杆技术优化及轮椅设计改良提供参考。一种采用四连杆结构设计的坐式滑雪器能够有效调节垂直方向惯性矩和重心位置，有助于运动员保持平衡，加强动作控制，从而提升运动表现。
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图3 轮椅冰壶推杆动作的正向动力学仿真模拟（Laschowski et al.，2018）
Figure 3.Simulation of the Forward Dynamics of the Wheelchair Curling
5 启示与展望
1）在不考虑游泳项目的前提下，残疾人竞技体育项目大体可分为站姿类和坐姿类项目。本文选取的50项研究从运动生物力学角度对残疾人竞技体育站姿类和坐姿类项目开展研究，依据研究目的和应用将纳入的研究分为运动技术的生物力学测试分析、运动器械/辅具改良设计的生物力学优化以及运动员分级的生物力学实证体系3个部分。基于视频解析、三维动作捕捉结合测力技术、无标记跟踪、等动等速和逆向动力学等研究方法在残疾人竞技体育研究中的应用，使复杂的运动技术数字化、可视化、程序化，可对残疾运动员的竞技运动表现和行为进行客观量化的描述、解释与评价，从而指导设计优化的技术方案，完善和改进动作技术，探寻残疾运动员专项运动蕴含的技术原理，有效指导运动员运动表现的提高，同时为运动辅具装备的改良提升提供依据。
2）当前，我国残疾运动员运动假肢、运动辅具及运动装备的生物力学研究基础较为薄弱，残疾运动员假肢、辅具、运动轮椅、坐姿滑雪器等专项装备个性化适配水平低，影响运动员功能需求以及训练成效。如何基于运动生物力学原理，构建运动仿真模型，建立人体肌骨系统障碍与适配假肢/辅具评价体系，评估人-装备生物力学功效，进一步优化假肢/辅具等特殊运动装备的生物力学设计；如何依据坐姿/站姿、夏季/冬季项目的不同特点，适应残疾运动员的个性化需求，实现运动假肢、轮椅、投掷凳、坐式滑雪器等运动装备/辅具的个性化适配，从而提升运动表现，是运动生物力学助力残疾运动员成绩提升需要考虑的重要议题。
3）残疾程度不同会导致运动能力存在差异。为保证公平、公正竞争，需要按照IPC分级规则，对参赛选手的残疾情况和运动能力进行评价，根据具体参赛项目的要求将残疾程度或运动能力相近的选手尽可能纳入同一级别进行比赛（王玉明等，2017）。可以说，没有公平、科学、合理的分级体系，就没有残疾人竞技体育。现有的分级体系主要参考医学评估与诊断，根据残疾运动员的解剖生理条件划分，强调残疾导致的功能受限对运动能力的影响，在实践中有一定的不适用性。因此，借助运动生物力学方法体系促进基于实证的分级体系的构建，将残障对比赛成绩的影响最小化，是促进残疾人竞技体育公平健康发展的必然要求。而构建基于实证的残疾人体育分级体系，则需要对运动能力、障碍程度和功能特征进行科学客观且准确有效的评估。
4）实验室环境下开展的残疾运动员的运动生物力学测试，优点在于研究变量可控和易于操作。但在室内条件模拟的运动技术动作与室外真实比赛环境有一定差异。因此，运用视频解析、无标记动作捕捉、可穿戴传感技术等手段，依托大数据分析和人工智能等多学科交叉技术，对运动员在场地训练和竞技比赛环境下的动作技术进行运动生物力学测试与分析，研究结果可能更贴近于运动实践。建议未来研究系统整合实验室测试和场地实时分析，提升研究的全面性、科学性和有效性。
5）从现有研究分布来看，残疾人夏季项目研究（40项）明显多于冬季项目（10项）。一方面与残疾人夏季项目设置数量高于冬季项目有关；另一方面，也折射出对残疾运动员冬季竞技项目研究的匮乏。在2022年北京冬残奥会的背景下，建议加强对冬季项目研究的关注，持续全范围开展覆盖冬残奥六大项目的运动技术表现生物力学分析、辅具装备的设计改良及设计，并构建基于运动生物力学实证研究的科学化分级体系，以实现科技助力残疾人竞技运动全面健康发展。
参考文献：
陈小平，2018.科技助力奥运训练：形势、进展与对策［J］.南京体育学院学报（社会科学版），（1）：76-82.
冯毅，文安，刘宇，2014.科技进步在残疾人竞技运动中的作用：以膝下截肢短跑运动为例［J］.体育科学，34（11）：67-73.
李小兵，贾晓红，王人成，等，2007.对线对小腿截肢患者残侧下肢生物力学特性的影响［J］.清华大学学报（自然科学版），47（5）：644-646.
王玉明，黄莹，常肖雯，等，2017.脊髓损伤（SCI）残疾人乒乓球运动员的功能特点与分级结果［J］.中国体育科技，53（5）：84-86.
ARELLANO C J，MCDERMOTT W J，KRAM R，et al.，2015.Effect of running speed and leg prostheses on mediolateral foot placement and its variability［J］.PloS One，10（1）：e0115637.
BARBOSA T M，COELHO E，2017.Monitoring the biomechanics of a wheelchair sprinter racing the 100 m final at the 2016 Paralympic Games［J］.Eur J Phys，38（4）：883-886.
BAUR H，STAPELFELDT B，HIRSCHMÜLLER A，et al.，2008.Functional benefits by sport specific orthoses in a female Paralympic cyclist：A case report［J］.Foot Ankle Int，29（7）：746-751.
BECK O N，GRABOWSKI A M，2018.The biomechanics of the fastest sprinter with a unilateral transtibial amputation［J］.J Appl Physiol（1985），124（3）：641-645.
BECK O N，TABOGA P，GRABOWSKI A M，2017.How do prosthetic stiffness，height and running speed affect the biomechanics of athletes with bilateral transtibial amputations？［J］.J R Soc Interface，14（131）：20170230.
BECKMAN E M，CONNICK M J，TWEEDY S M，2017.Assessing muscle strength for the purpose of classification in Paralympic sport：A review and recommendations［J］.J Sci Med Sport，20（4）：391-396.
BERNARDI M， JANSSEN T， BORTOLAN L， et al.， 2013.Kinematics of cross-country sit skiing during a Paralympic race［J］.J Electromyogr Kines，23（1）：94-101.
BEZODIS I N， COWBURN J， BRAZIL A， et al.， 2018.A biomechanical comparison of initial sprint acceleration performance and technique in an elite athlete with cerebral palsy and able-bodied sprinters［J］.Sport Biomech，1-12.
BONINGER M L，COOPER R A，ROBERTSON R N，et al.，1997a.Wrist biomechanics during two speeds of wheelchair propulsion：An analysis using a local coordinate system［J］.Arch Phys Med Rehab，78（4）：364-372.
BONINGER M L，COOPER R A，ROBERTSON R N，et al.，1997b.Three-dimensional pushrim forces during two speeds of wheelchair propulsion［J］.Am J Phys Med Rehab，76（5）：420-426.
BONINGER M L，COOPER R A，SHIMADA S D，et al.，1998.Shoulder and elbow motion during two speeds of wheelchair propulsion：A description using a local coordinate system［J］.Spinal Cord，36（6）：418.
BRÜGGEMANN G P，ARAMPATZIS A，EMRICH F，et al.，2008.Biomechanics of double transtibial amputee sprinting using dedicated sprinting prostheses［J］.Sports Technol， 1（4-5）：220-227.
BUCKLEY J G，1999.Sprint kinematics of athletes with lower-limb amputations［J］.Arch Phys Med Rehab，80（5）：501-508.
BUCKLEY J G，2000.Biomechanical adaptations of transtibial amputee sprinting in athletes using dedicated prostheses［J］.Clin Biomech，15（5）：352-358.
BURKETT B，2010.Technology in Paralympic sport：Performance enhancement or essential for performance？［J］.Brit J Sport Med，44（3）：215-220.
BURKETT B，MCNAMEE M，POTTHAST W，2011.Shifting boundaries in sports technology and disability：Equal rights or unfair advantage in the case of Oscar Pistorius？［J］.Disabil Soc，26（5）：643-654.
BURKETT B，SMEATHERS J，BARKER T，2003.Walking and running inter-limb asymmetry for Paralympic trans-femoral amputees，a biomechanical analysis［J］.Prosthet Orthot Int，27（1）：36-47.
BURKETT B，SMEATHERS J，BARKER T，2001.Optimising the trans-femoral prosthetic alignment for running，by lowering the knee joint［J］.Prosthet Orthot Int，25（3）：210-219.
CHOW J W，CHAE W S，2007.Kinematic analysis of the 100-m wheelchair race［J］.J Biomech，40（11）：2564-2568.
COSTA G B，RUBIO M P，BELLOCH S L，et al.，2009.Case study：Effect of handrim diameter on performance in a Paralympic wheelchair athlete［J］.Adapt Phys Act Q，26（4）：352-363.
DE LUIGI A J，2018.Technology and biomechanics of adaptive sports prostheses［M］//Adaptive Sports Medicine.Berlin： Springer，Cham：35-47.
DYER B，NOROOZI S，SEWELL P，2015.Sprinting with an amputation：Some race-based lower-limb step observations［J］.Prosthet Orthot Int，39（4）：300-306.
FROSSARD L A，O’RIORDAN A，SMEATHERS J，2013a.Performance of elite seated discus throwers in F30s classes：Part I：does whole body positioning matter？［J］.Prosthet Orthot Int，37（3）：183-191.
FROSSARD L A，O’RIORDAN A，SMEATHERS J，2013b.Performance of elite seated discus throwers in F30s classes：part II：does feet positioning matter？［J］.Prosthet Orthot Int，37（3）：192-202.
FROSSARD L，2012.Performance dispersion for evidence-based classification of stationary throwers［J］.Prosthet Orthot Int，36（3）：348-355.
FROSSARD L，SMEATHERS J，O’RIORDAN A，et al.，2007.Shot trajectory parameters in gold medal stationary shot-putters during world-class competition［J］.Adapt Phys Act Q，24（4）：317-331.
FUNKEN J，HEINRICH K，WILLWACHER S，et al.，2017.Leg amputation side determines performance in curve sprinting：A case study on a Paralympic medalist［J］.Sport Biomech，18（1）：75-87.
FUNKEN J，WILLWACHER S，HEINRICH K，et al.，2019a.Threedimensional takeoff step kinetics of long jumpers with and without a transtibial amputation［J］.Med Sci Sport Exer，51（4）：716-725.
FUNKEN J，WILLWACHER S，HEINRICH K，et al.，2019b.Long jumpers with and without a transtibial amputation have different three-dimensional centre of mass and joint take-off step kinematics［J］.Roy Soc Open Sci，6（4）：190107.
GASTALDI L，MAURO S，PASTORELLI S，2016.Analysis of the pushing phase in Paralympic cross-country sit-skiers-Class LW10［J］.J Adv Res，7（6）：971-978.
GASTALDI L， PASTORELLI S， FRASSINELLI S， 2012.A biomechanical approach to Paralympic cross-country sit-ski racing［J］.Clin J Sport Med，22（1）：58-64.
GROEN W G，VAN DER WOUDE L H V ，DE KONING J J，2010.A power balance model for handcycling［J］.Disabil Rehabil，32（26）：2165-2171.
HOBARA H，POTTHAST W，SANO Y，et al.，2015.Does amputation side influence sprint performances in athletes using running-specific prostheses？［J］.SpringerPlus，4（1）：670.
HOFMANN K B，OHLSSON M L，HÖÖK M，et al.，2016.The influence of sitting posture on mechanics and metabolic energy requirements during sit-skiing： A case report［J］. Sports Engineering，19（3）：213-218.
HYDE A，HOGARTH L，SAYERS M，et al.，2017.The impact of an assistive pole，seat configuration，and strength in Paralympic seated throwing［J］.Int J Sport Physiol，12（7）：977-983.
KEOGH J W L，2011.Paralympic sport：An emerging area for research and consultancy in sports biomechanics［J］.Sport Biomech，10（3）：234-253.
LANGELIER E，MARTEL S，MILLOT A，et al.，2013.A sit-ski design aimed at controlling centre of mass and inertia［J］.J sports sci，31（10）：1064-1073.
LASCHOWSKI B，MEHRABI N，MCPHEE J，2018.Optimizationbased motor control of a Paralympic wheelchair athlete［J］.Sports Engineering，21（3）：207-215.
MCGOWAN C P，GRABOWSKI A M，MCDERMOTT W J，et al.，2012.Leg stiffness of sprinters using running-specific prostheses［J］.J R Soc Interface，9（73）：1975-1982.
MORRIËN F， TAYLOR M J D， HETTINGA F J， 2017.Biomechanics in Paralympics：Implications for performance［J］.Int J Sport Physiol，12（5）：578-589.
NOLAN L，PATRITTI B L，SIMPSON K J，2012.Effect of take-off from prosthetic versus intact limb on transtibial amputee long jump technique［J］.Prosthet Orthot Int，36（3）：297-305.
NOLAN L，PATRITTI B L，STANA L，et al.，2011.Is increased residual shank length a competitive advantage for elite transtibial amputee long jumpers？［J］.Adapt Phys Act Q，28（3）：267-276.
NOLAN L，PATRITTI B L，2008.The take-off phase in transtibial amputee high jump［J］.Prosthet Orthot Int，32（2）：160-171.
NOLAN L，PATRITTI B L，SIMPSON K J，2006.A biomechanical analysis of the long-jump technique of elite female amputee athletes［J］.Med Sci Sport Exer，38（10）：1829-1835.
PRADON D，MAZURE-BONNEFOY A，RABITA G，et al.，2014.The biomechanical effect of arm mass on long jump performance：A case study of a Paralympic upper limb amputee［J］.Prosthet Orthot Int，38（3）：248-252.
ROSSO V，2019.Biomechanics in Paralympic Cross-Country sit skiing：Evidence-based tests for classification［D］//2016.Jyräskylä：University of Jyväskylä.
ROSSO V，CINUS G，GASTALDI L，2018.An agility test to measure performance in Para ice hockey Test presentation and testretest reliability［C］//IEEE International Symposium on Medical Measurements and Applications（MeMeA）.Rome：IEEE：1-6.
ROSSO V，GASTALDI L，RAPP W，et al.，2017.Biomechanics of simulated versus natural cross-country sit skiing［J］.J Electromyogr Kines，32：15-21.
ROSSO V，LINDINGER S，LINNAMO V，et al.，2016.Trunk kinematics during cross country sit-skiing ergometry：Skiing strategies associated to neuromusculoskeletal impairment［C］//2016 IEEE International Symposium on Medical Measurements and Applications（MeMeA）.Benevento：IEEE.
RUNCIMAN P，DERMAN W，FERREIRA S，et al.，2015.A descriptive comparison of sprint cycling performance and neuromuscular characteristics in able-bodied athletes and Paralympic athletes with cerebral palsy［J］.Am J Phys Med Rehab，94（1）：28-37.
SCHMALZ T， BELLMANN M， SOTTONG J， et al.， 2017.Advantages and limitations of new sports prosthetic components developed for running in lower limb amputees［J］.Sports Med Rehabil J，2（2）：1018.
SILVA A， ZANCA G，ALVES E S， et al.， 2015.Isokinetic assessment and musculoskeletal complaints in Paralympic athletes：A longitudinal study［J］.Am J Phys Med Rehab，94（10）：768-774.
TABOGA P，GRABOWSKI A M，DI PRAMPERO P E，et al.，2014.Optimal starting block configuration in sprint running：A comparison of biological and prosthetic legs［J］.J Appl Biomech，30（3）：381-389.
TABOGA P，KRAM R，GRABOWSKI A M，2016.Maximum-speed curve-running biomechanics of sprinters with and without unilateral leg amputations［J］.J Exp Biol，219（6）：851-858.
TANG S Q，LI K H H，LIM S L D，2018.Design enhancement of overall Paralympics wheelchair for para table tennis competition［J］.Proc Inst Mech Eng P J Sport Eng Technol，233（3）：342-350.
TWEEDY S M，VANLANDEWIJCK Y C，2011.International Paralympic Committee position stand—background and scientific principles of classification in Paralympic sport［J］.Brit J Sport Med，45（4）：259-269.
VANLANDEWIJCK Y C，THOMPSON W R，2016.Training and Coaching the Paralympic Athlete［M］//Handbook of Sports Medicine and Science.West Sussex：John Wiley & Sons，Ltd.：150-171.
VANLANDEWIJCK Y C， VERELLEN J，TWEEDY S， 2011.Towards evidence-based classification in wheelchair sports：Impact of seating position on wheelchair acceleration［J］.J Sport Sci，29（10）：1089-1096.
WANG Y T，CHEN S，LIMROONGREUNGRAT W，et al.，2005.Contributions of selected fundamental factors to wheelchair basketball performance［J］.Med Sci Sports Exer，37（1）：130-137.
WEILER R，VAN MECHELEN W ，FULLER C，et al.，2016.Sport injuries sustained by athletes with disability：A systematic review［J］.Sports Med，46（8）：1141-1153.
WEYAND P G，BUNDLE M W，MCGOWAN C P，et al.，2009.The fastest runner on artificial legs：Different limbs，similar function？［J］.J Appl Physiol，107（3）：903-911.
WILLWACHER S，FUNKEN J，HEINRICH K，et al.，2017.Elite long jumpers with below the knee prostheses approach the board slower，but take-off more effectively than non-amputee athletes［J］.Sci Rep，7（1）：16058.
Research Progress of the Improvement of Disabled Sports Performance in the View of Sports Biomechanics
SUN Dong1，ZHAO Liang1，HUANG Ying2，SONG Yang1，MEI Qichang1，LI Jianshe1，GU Yaodong1*
1.Faculty of Sports Science,Ningbo University,Ningbo 315211,China;2.China Administration of Sports for Persons with Disabilities,Beijing 101318,China
Abstract:With the rapid development of disabled sports and the assistance of science and technology,this article systematically reviewed the biomechanical research of disabled sports in recent years and clarified the latest developments in sport biomechanics methods in improving disabled sports performance.Current studies focus on the following four aspects:1)biomechanical analysis of technical movements of disabled athletes;2)biomechanical optimization of assistive/prosthetic/sports equipment for disabled athletes;3)establishment of the biomechanical system for scientific classification of disabled athletes.Based on current research,it is suggested to integrate laboratory and field tests which were relying on interdisciplinary techniques such as unmarked motion capture,wearable sensor technology,and big data analysis.It will change the post-analysis reports into immediate quick feedback and change the technology services into training assistants.Moreover,the sports biomechanics research for disabled winter sports events should be increased,and carrying out the biomechanical analysis of sports performance of Winter Paralympic to build a quantitative scientific classification system is important as well.In the future,sports biomechanics should be used to promote the individualization of assistive equipment and adaptive biomechanical optimization design,and thus promote the development of disabled sports science.
Keywords:sports biomechanics;disabled sports;performance improvement
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