运动员的福音：四项科技创新提升赛场表现

Douglas Powell

美国孟菲斯大学健康科学学院乳房生物力学

研究中心主任

Donghee Son

韩国成均馆大学电子与电气工程学院教授

Mikyung Shin

Hailey Fong

美国孟菲斯大学健康科学学院乳房生物力学

研究中心研究员

Jean-Christophe Géminard

法国里昂高等师范学院CNRS物理实验室主任

运动科学是一门跨学科的科学领域，涉及运动和运动表现的各个方面。其研究范围包括运动对身体的影响、运动表现的优化、运动损伤的预防和康复等。运动科学旨在理解运动的生理和心理机制，从而提高运动表现、促进健康和康复，并为运动员、教练员、医疗专家和一般公众提供科学依据和指导，以实现更高水平的运动目标和更健康的生活方式。运动科学在大众生活和运动员训练中有哪些应用场景？专业运动员如何利用这些科学发现来提高比赛水平？

世界各地的研究人员正在开发众多创新技术，旨在提升运动员的赛场表现。

研究揭示，合适的运动文胸对于乳房支撑至关重要，并能显著影响跑步时的膝关节功能。

这些研究成果指出，尽管运动文胸在过去50年鲜有改变，但其作为运动装备的重要性不容忽视。

配备传感器的智能鞋垫能够精准追踪运动员在各类体育活动中的提升和表现。

韩国科研团队研发的导电水凝胶，为受伤肌肉的自我修复和与神经系统的再连接提供了新希望。

这些技术，以及其他正在研发中的创新，将为运动员的成长和成绩提升提供强大助力。

01

合适的运动文胸：女性跑者的加速秘密

除了必备的跑鞋，一件设计得当、能够有效提供乳房支撑的运动文胸对女性跑者同样至关重要。它不仅能够缓解乳房运动中的不适，还能显著提升跑步效率。乳房若是缺乏合适的支撑，身体便会启动代偿机制来保护乳房，这不仅会拖慢跑步速度，增加受伤风险，还可能引发背部和胸部疼痛。

为了深入探究运动文胸对跑步的影响，美国孟菲斯大学（University of Memphis）乳房生物力学研究中心的Douglas Powell和Hailey Fong领导课题组，就运动文胸与跑步时膝关节刚度之间的联系进行了研究。这种生物力学分析结果能够量化膝关节对外部力量的抵抗能力。研究招募了12名年龄在18至35岁之间的女性非专业跑者，并让她们分别身穿高支撑和低支撑的文胸进行了测试，对照组则不穿文胸。

研究人员使用了一套由10个高速摄像机组成的动作捕捉系统进行拍摄，并结合跑者身上的反光标记来记录她们在跑步机上历时三分钟的跑步过程。他们还专门开发了一套软件，通过分析照片来计算膝关节的偏移情况（包括屈曲、伸展和旋转），并与跑者胸部的运动轨迹进行了比对。

图片来源：PI France

研究结果显示，得益于关节偏移的减少，乳房支撑力度的增加能够提高膝关节的刚度。与不穿文胸的对照组相比，低支撑和高支撑运动文胸分别使膝关节刚度提升了2%和5%。综合来看，高支撑文胸能使跑步成绩提升约7%。研究进一步发现，乳房尺寸较大的女性从高支撑文胸中获益更多，这表明文胸的支撑效果与跑步表现的提升密切相关。

过去50年间，文胸的设计鲜有革新。Douglas Powell指出：“结合过往的相关研究，我们的结论再一次证明，运动文胸不仅是服饰的一部分，更应被归类为运动装备[1, 2]。”

02

3D打印鞋垫：运动员表现评估的新工具

在竞争激烈的竞技体育中，毫秒之差往往能够左右胜负。瑞士联邦材料科学与技术研究所（Empa）、苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）以及洛桑联邦理工学院（EPFL）的研究团队联手打造了一种超越传统鞋垫的创新产品。这款先进的鞋垫内置了压力和剪切力传感器，能够在各类体育活动中实时监测脚底的受力情况。

项目负责人、来自Empa和ETH复杂材料实验室的Gilberto Siqueira解释道：“通过记录脚底的压力分布，我们能够判断个体是在行走、奔跑还是爬楼梯。甚至能够根据脚跟承受的额外压力来识别他们是否负重。”

这款鞋底由3D打印而成（挤出成型），最底层为硅胶与纤维素纳米颗粒制成的混合物。在此之上，研究人员涂抹了一层含银的导电墨水，以形成压电传感器。这些传感器能够将脚步施加的机械压力转换为电信号。它们被精准打印在鞋底的导电区域，即承压最多的部位。最后，研究人员还覆盖了一层硅胶以保护传感器，并在鞋底内置了一个接口，用以读取信号。就这样，整个鞋底便制作完成。

除了Empa、苏黎世联邦理工学院和洛桑联邦理工学院之外，沃州大学中心医院（CHUV）和整形外科公司Numo也参与了这项研究。运动员可以用这种鞋垫来评估自己在训练中的进步和总体表现[3]。

03

创新导电水凝胶促进肌肉愈合

韩国基础科学研究所（IBS）的研究团队开发了一种创新的组织假体，这种假体由导电水凝胶制成，能够直接注射进受伤的肌肉中，促进其自我修复并与神经系统重新建立连接。这一突破性的假体成功帮助了肌肉撕裂的实验鼠恢复行走能力。

肌肉拉伤或撕裂是常见的运动损伤，而肌肉一旦撕裂，其与神经系统的生物电信号便会中断，导致功能丧失。尽管现有的治疗方法包括使用便携式或植入式电子设备，但这些设备通常缺乏弹性，与柔软的身体组织不相容。这些设备不仅会让患者感到不适，甚至还会引发炎症，从而延长愈合过程。

IBS研究团队的柔性假体采用了含有透明质酸的水凝胶，这种天然多糖不仅机械特性与软组织相似，还拥有强大的再生能力。为了赋予假体导电性，研究人员通过人为形成共价键，在其中加入了可以形成六角环的化合物，并嵌入了金纳米粒子。金元素具备生物相容性和化学惰性。

注射进实验鼠的肌肉组织后，水凝胶中的化学键会暂时断裂，但在固定于肌肉后会迅速恢复。这一独特的化学性质为受损组织的再生提供了可能。此外，该凝胶不会过度激活实验鼠的免疫系统，因此，不会像传统的植入式假体一样，导致纤维疤痕组织的形成。

研究显示，这种水凝胶能够紧密粘附在实验鼠受伤肌肉的周围神经上。这意味着假体可以与电线相连，通过凝胶传递电刺激来激活肌肉。经过反复刺激，受伤的啮齿动物很快便能恢复行走。

研究人员的终极目标，是将此技术应用于人类肌肉的修复。然而，在进行人体试验之前，他们需要对体型更大的动物开展研究，以验证长距离对水凝胶导电性能的影响[4]。

04

乒乓球拍反弹机制揭秘

法国研究人员对乒乓球从球拍反弹的行为进行了细致的分析。在法国国家科学研究中心（CNRS）物理实验室主任Jean-Christophe Géminard的带领下，研究团队通过改变球的投射角度和撞击速度，向玻璃板发射乒乓球。他们利用高速摄像机捕捉球与玻璃板相互作用的瞬间，并据此测量球的弹起速度、旋转和反弹角度。

研究结果显示，在入射角较小（通常小于45度）的情况下，乒乓球会在玻璃板上滚动（不会沿着表面滑动）不到一圈后反弹。而当入射角较大时，球在离开表面时仍会滑动，导致反弹后的旋转降低。研究团队解释称，乒乓球从玻璃板等固体表面反弹时，其最终的旋转、速度和反弹角度主要受球与表面间摩擦力的影响。这一发现同样适用于在标准乒乓球桌上的球。

为了模拟更为真实的比赛条件， Géminard及其同事使用了一个表面覆盖有泡沫和弹性体的球拍进行实验，这种设置在一定程度上模拟了专业球拍对球的抓地力。研究人员指出，能够掌握并应用这些发现的乒乓球运动员将获得显著的竞技优势。

最终，科学家们还在专业乒乓球拍和球桌上重现了该实验，但研究结果尚未对外公布[5, 6]。

作者

Isabelle Dumé

编辑

Meister Xia

1. http://dx.doi.org/10.3389/fspor.2023.1113952

2. https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fspor.

2022.902276/full

3. https://doi.org/10.1038/s41598-023–29261-0v

4. https://www.nature.com/articles/s41586-023–06628‑x

5. https://milyon.universite-lyon.fr/jean-christophe-geminard–193689.kjsp

6. https://journals.aps.org/pre/abstract/10.1103/Phys RevE.107.055007