上海体育学院刘宇教授成为教育部“长江学者”特聘教授

谁能想到,一双外形普通的运动鞋,可以用来精确估测体力能量消耗,如今已被成功应用于我国青少年体质增强项目中;更少人知道的是,这一估值模型随后还被国际顶尖的运动装备公司参考采用。

这神奇的数字化运动鞋,背后的科研团队领头人,就是上海体育学院运动健身科技教育部重点实验室主任、运动科学学院院长刘宇。近日,他刚成为教育部长江学者特聘教授,这在国内体育类院校中尚属首次。

据了解,数字化运动鞋的功能主要是通过测算步行距离、步行速度等,来计算行进间消耗的能量。此前,基于我国青少年人群中普遍存在的体力活动不足、体质水平下降等突出问题,这一能量测算模型成为科技部科技支撑项目的关键问题之一。

不少人曾质疑,市场上那么多计步器,难道不行吗?答案是真的不能类比。原来传统计步器主要依靠压电晶体或单晶硅体上置一个质量块,当加速度变化时(比如震动)对晶体的压力值改变,从而输出一个电讯号,进而通过模型测算能量消耗,这一加速度传感器作为核心的器件日常使用尚可,若用于青少年体质增强研究,精度显然远远不够。

刘宇教授带领上海体育学院的科研团队,与中科院合肥智能研究所合作,将可感受压力压强的特殊印刷芯片做成鞋垫,当人穿着这样的特殊运动鞋活动时,前后脚掌的施力、受力,脚底支撑时间、腾空时间,精准记录,同时数据无线传输至专门设备,通过独创的运动科学计算模型化为对每一个受测者能量消耗的准确评估。

近几年来,通过这一新技术积累的海量数据为增强青少年体质提供有力的理论和应用指导。这一模型随后被国际顶尖的运动装备公司参考并用于新上市的移动游戏数字鞋运动能耗的推估。相关成果也发表在国内外专业期刊上。

值得一提的是,刘教授的这份鞋之缘并未止步于此。自2007年以来,他带领的课题组分别与业内顶尖品牌建立横向课题研究,更促成上海体育学院成为国际高端运动装备公司13个全球合作伙伴之一,双方产学研合作,主要针对亚洲运动员的脚型与足部运动的生物力学特征研发网球运动鞋、羽毛球运动鞋等运动装备。

如何令羽毛球运动员的急停转身更敏捷?怎样令网球选手滑步时各关节受到更好地保护?篮球鞋是不是鞋帮越高,对脚踝保护越好都成了科研攻关的重要项目。

想要跑得快,首先要了解人体究竟是如何跑的,刘教授介绍。他领衔的国家自然科学基金项目制约短跑速度能力的神经力学探讨和肌肉损伤机制的神经肌肉骨骼系统建模与仿真研究,针对优秀短跑运动员进行测试,采集运动学、动力学以及神经肌肉动作控制等一系列数据,建立起下肢神经肌肉骨骼系统动力学模型若将专业术语翻译成科普语言,这相当于拍出一部透视电影,运动员跑动时的肌肉运动、关节运转、受力方向,纤毫毕现。

就在这时,刘教授有了个有趣的发现。常识中,我们总觉得跑步脚掌着地时,由于地面的反作用力,下肢关节是受到压缩的;然而在慢镜头播放透视电影时,可以发现,在脚着地的初期,膝关节受力是相当复杂的,肌肉力矩不是我们想象中那样,抵抗外力压缩,而是主动向内屈的。

换句话说,人体高速跑动时脚掌支撑期约为100毫秒,那前10毫秒膝关节受到外力作用的是伸展力矩,而非压缩力矩。这一发现看似微小,却可为下肢肌肉链找到更为高效的运动方式,据此改善训练方法,可令运动员更好地挖掘人体潜能,跑得更快、更安全。

如今,刘教授这位人体物理学家的研究又进一步,他与清华大学的李庆教授合作,针对我国目前最优秀的短跑运动员张培萌、孙立冰等9名选手进行专门分析,并结合本体感觉、神经传导速度、神经反射、下肢髋膝踝以及跖趾关节力量,探寻其与运动成绩的因果关系,希望能为我国短跑运动员突破技术瓶颈,提供一分助力。令人欣喜的是,该研究目前已完成了第二次实验测试,预计今年完成。

这神奇的人体物理学只服务于基础研究和竞赛成绩吗?在运动科学中探索了30多年的刘教授对此并不认同。在繁忙的基础科研工作以外,他带领团队根据对人体神经肌肉系统的了解,以及生物力学领域的原创性成果积累,设计出专门针对老年人锻炼的器材老年专用惯性哑铃。

刘教授介绍,普通哑铃锻炼时,我们用到的,主要是其上下位置变化后产生的阻力,人体肌肉与阻力对抗,获得锻炼。而经过特殊设计的惯性哑铃,在使用时,不仅产生重力阻力,还因自身转动产生大量转动阻力与惯性,这一特别的转动惯性阻力可传递至使用者的手臂及全身,锻炼肌肉力量的同时,对肌群协调能力、人体平衡能力的锻炼,尤为有效。

据悉,这一应用性成果已在美国获得专利,更已转化为产品,远销国外。刘教授看来,以生物力学为重要支撑的运动科学,更应该服务于大众健康,令生活更美。