研究目的:跑步是一种重要的健身方式,跑步的场地多种多样,不同硬度、材质的运动表面给人体软组织带来的冲击力也是不同的。有研究认为,跑跳等动作在着地前神经肌肉系统会根据着地的情况与条件(如着地速度、地面硬度等)进行明显的自我调节,使得组织振动降低到最小,研究者把此过程称为肌肉调谐(muscle tuning),以避免软组织与冲击力产生共振,降低关节和肌腱的负荷,减少由此可能产生的运动损伤。另外,下肢刚度与跑跳过程中力量发挥、弹性势能的储存转换以及运动损伤具有密切的关系,也是近年来人体生物力学特征方面的研究热点。然而,目前国内外针对不同运动表面与冲击力关系的研究结果并不一致,且未见不同运动表面跑步过程中肌肉调谐与下肢刚度变化的系统报道。本研究综合应用生物力学的动力学和运动学方法以及表面肌电技术,探讨人体在不同材质运动表面(跑台、柏油马路、塑胶跑道、草地)跑步过程中肌肉调谐和下肢刚度变化规律,研究肌肉调谐和下肢刚度变化之间的关系,了解在不同材质运动表面跑步时人体神经-肌肉系统的调节机制,以及肌肉调谐在预防运动损伤方面的作用机制,可为健身跑过程中运动场地的筛选提出合理化建议,为运动损伤预防和运动表面的防护设计提供理论和实证依据。研究方法:本研究应用国际材料试验协会(ASTM)颁布的运动表面测试指标-球体回弹高度(ASTMF2117-2010)评价运动表面硬度。选取14名普通男性大学生为研究对象,身体健康,日常有跑步健身习惯,近期无运动损伤史,无神经肌肉系统、心肺功能方面的疾病,运动能力正常,且近期未进行大负荷运动,测试前一天休息良好,肌肉无疲劳感。让受试者先在实验室内的跑步机上以12 km/h速度慢跑,采集稳定后共4个复步(stride)的胫骨粗隆处加速度信号,同时利用机械节拍器记录踏步节拍。根据室内测试时节拍器所记录的节拍控制步频,受试者在拍油路、草地、塑胶跑道上完成3组15 m跑(即3×15 m)。对跑台、柏油路、草地、塑胶跑道四种运动表面采集途中跑共4个复步的信号,运用Delsys系统采集下肢相应肌肉的肌电信号和肌肉加速度值,分析在不同运动表面跑步时下肢肌肉活化的时序特征和程度,以及肌肉振动的主频和振幅,与胫骨结节上三轴加速度计测得的冲击力时序和频率进行比较,观察肌肉调谐方式的差异。同步拍摄受试者的跑步录像,解析得出跑步过程中小腿胫骨粗隆最大垂直位移(Δy),根据三轴加速度计测得的胫骨粗隆处的最大轴向加速度,乘以身体质量计算出胫骨轴向最大反作用力Fmax,将其分解到垂直地面方向得到最大垂直地面反作用力F,根据公式K=F/Δy计算小腿刚度,分析其差异。根据肌肉调谐的相关理论,从总体上分析在不同运动表面跑步时下肢肌肉调谐与刚度变化之间的关系,探讨肌肉是如何通过神经控制调节刚度,从而适应不同运动表面,以避免运动损伤的机理。研究结果:1.本研究采用的几种运动表面的硬度大小顺序为柏油马路>塑胶跑道>跑步机>草地;2.在四种不同运动表面跑步时的下肢刚度值呈现地面硬度越大,下肢刚度值越小的变化趋势;3.在跑步机跑步时的肌肉均方根振幅(RMS)和积分肌电(iEMG)值普遍低于其他三种运动表面,在另外三种运动表面上的肌电数据普遍呈现地面硬度越大,肌电数值(RMS和iEMG)越大的变化趋势;4.下肢伸膝和屈踝肌肉受到最大冲击后50ms的肌电信号(RMS和iEMG)普遍高于受冲击前50ms;5.下肢肌肉受到最大冲击后的第100-200ms的肌肉振动频率明显低于受冲击后第0-100ms的肌肉振动频率。研究结论:1.跑步时运动表面的硬度会影响下肢刚度,地面硬度越大,下肢刚度越小;2.跑步时运动表面会影响肌肉活动状况,地面硬度越大,肌肉活动程度越高;3.人体在受到冲击后,会出现相应肌肉放电量和肌肉振动频率的明显改变;4.人体在跑步运动中存在肌肉调谐现象,在硬度较低地面跑步时这一现象更明显;5.人体在跑步机跑步时的肌肉活动和调节特征与在实际地面跑步时存在较大差异。