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運動與科學— 生物力學在競技運動上之應用

作者：湯文慈（國立體育學院教練研究所副教授）

　　2004年8月26日，是中華民國在國際體育舞台上發光的重要時刻。在國際體育運動的最高殿堂－奧林匹克運動會中，我國在跆拳道項目勇奪台灣史上的兩面金牌。回想2000年雪梨奧運會，跆拳道項目即背負奪金重責大任，當時被譽為離奪金最近的一次機會，卻在比賽中失利，未能幫我國奪得奧運會的首金；如今，四年後捲土重來，力爭我國首面奧運金牌，終於不負眾望，奪取我國歷史上的第一金。

　　 為了四年一度的奧運會，國內最高體育行政機關－行政院體委會即積極統籌各項奪金計畫的要點，進行重點培訓的工作，站在主管機關的角色，督導及積極落實各項培訓計畫；此外，除了選手個人的努力之


外，包含教練團的指導、行政支援、和近幾年來加入的運動科學技術檢測與監控，都使得整體的計畫更加完善。在運科從旁全力協助之下，讓國內幾位重點奪牌選手宛如吃了顆定心丸，除了提升了他們的身體素質之外，更協助其技術的突破與精進，這包含了莊智淵的突破生理低潮、袁叔琪逐步邁向顛峰、陳詩欣突破瓶頸與發揮潛能和朱木炎尋求到最佳方程式（陳維新，民93）。
　　運科小組的介入在國外早已成為常態的編置，甚至設立各項運動科學研究中心，如澳洲運科中心（AIS）（坎培拉）、日本JISS國立運動科學中心（東京）、美國克羅拉多高地訓練中心，常態性地從事人體在運動中的各項研究。我國目前除了三所體育院校之外，政府也已專案的方式將運科研究融入日常運動訓練當中，左營國家訓練中心即是主要的基地。以射箭為例，射箭項目在運科小組的幫助之下，已經有選手在練習賽中，出現單局平奧運紀錄的表現，由此可知運科對於選手訓練的重要性。
　　運動科學研究在二十世紀逐漸崛起，世界各地的運動科學發表，包含運動生理、心理與生物力學的相關文獻如雨後春筍般的浮現，所有研究的共同目標，均朝更高、更快、更遠的人體運動極限表現來突破。除了各運動選手在場上的競爭之外，科學研究也不免俗的暗地相互較勁。運科研究當中，與選手本身運動技術息息相關的領域可以運動生物力學為代表。
運動科學
　　何謂運動科學，舉凡與運動有關的科學即可稱為運動科學，如與選手心理狀態有關的運動心理學、與生理狀態有關的運動生理學、與技術表現有關的運動力學、與飲食補充有關的運動營養學、與訓練數量與強度調配有關的運動訓練學、與傷害防護有關的運動醫學等。
　　一般而言，於運動場上表現的優劣取決於技術的好壞，而與運動技術最直接相關的科學即是運動生物力學，運動生物力學包含研究動作結構與運動功能間的關係及研究人體運動技術的力學規律的基礎研究和研究運動技術的最佳化及研究設計改進運動器械的應用研究。
　　研究各種動作技術原理，主要是從實用出發，應用牛頓力學基本定律來解釋人體相對運動和靜止的現象。因此，人體運動的運動學及動力學等基本定律，骨骼、肌肉等人體結構的力學模型，肌肉收縮的力學特性和功能關係，以上都是運動生物力學的基礎知識。
　　在運動場上，人體的位移或器械的飛行，都是人體與運動場地或器械兩物體相互作用的結果。因此，運動場地的設置和器材的力學性能與運動成績有直接的關係。如田徑跑道的材質，鐵餅、標槍的流體力學性能，體操器械和各種球拍的彈性等，在競賽規則允許的範圍內，從生物力學的觀點出發，提出運動場地、器材的最佳化標準，為設計新的和改進舊的運動器材提供生物力學參數，以有效地增進人體健康和提高運動成績亦是運動生物力學的研究範疇。

精密測量儀器與競技表現
　　運動生物力學是以科學方法去瞭解人體各種動作，進而改善運動方式、提升運動表現、預防運動傷害。運動生物力學是將生物與力學相結合之科學，其研究方法主要可分為測量方法和分析方法兩部分，包括運動學測量與分析（Kinemetry）、動力學測量與分析（Dynamometry）、人體測量與分析（Anthropometry）以及肌電圖（Electromyography, EMG）的測量與分析（相子元）。運動學測量的指標包括肢體的位置、速度、加速度；動力學測量的參數我們把它界定在引起人體運動的外力；人體測量是用來測量人體肢段的長度、圍度及慣性參數（如質量、轉動慣量），肌電圖測量實際上是測量肌肉收縮的神經支配特性。運動生物力學研究者利用各項精密儀器的測量並將結果即時呈現，以達到動作回饋的效果。
　　人體各項動作特性如跳躍動作的踝關節穩定性、投擲動作力量的大小…等可以藉由特定的儀器測量得知，但隨著世界競技水準的提升，各選手的技術水準相差毫米，其結果可能失之千里，因此，對於許多優秀選手細微動作的監測，如射箭選手持弓雙手的震顫變化，其動作特性越不易被觀察出來，精密測量儀器的研發將成為未來運動生物力學研究所要努力的目標，舉例來說，筆者與台北體院器材所相子元教授、陽明大學醫工所朱維勤教授透過合作研發的雷射瞄準系統來鎖定射擊及射箭選手的擊發或放箭前瞄準軌跡，使選手能縮小瞄準範圍或修正瞄準誤差以協助射擊類選手在瞄準過程誤差的修正與調整。為了達到此目標，可行的方式有二，一是將傳統儀器在功能上與其他儀器相結合，發展出綜合性或是同步性質的測量方法；另一方式則是將儀器功能進行改良，可經由撰寫所需功能的程式來控制儀器測量的參數，作出更精密的計算。

技術診斷
　　研究各項運動技術確立動作技術原理，建立動作技術模式來指導和訓練，在運動訓練中，講清楚動作技術原理是非常重要的，對優秀運動員的動作技術進行生物力學研究，是以生物學和力學理論為基礎，透過對高技術水準的運動場上的研究來探討優秀的動作技術原理，建立運動技術模式。如此一來，有利於推廣優秀技術，提高專項運動技術水準和訓練效果。
　　對於高技術水準的運動員動作技術進行生物力學分析，可以探討出共性的一般技術原理，對各個運動員的動作技術進行診斷，發現其個人的技術特點和存在問題，提出改進技術的措施。有定量數據的分析，才能尋求最佳技術方案，提高訓練的科學性。

最佳化、個別化
　　動作技術原理與最佳運動技術是兩個不同的概念。動作技術原理是指完成某項動作技術的基本規律，它適用於任何人，不考慮運動員的性別、體型、運動能力的發展等的個體差異，是具有共性特點的一般規律。而最佳動作是考慮了個人的身體形態、機能和訓練水準，並應用一般技術原理，來達到最理想的運動成績，此即了解動作技術有共性，也有個性特徵。因此，最佳動作技術是因人而異的。

實務應用
　　此次2004年雅典奧運會中，行政院體委會運動科學小組亦參與協助射箭項目並獲得佳績，在此以運動科學小組所利用的運動生物力學方法增進射箭能力為例，簡單介紹運動生物力學於運動場上之實務應用，以期透過這個例子說明對運動生物力學的應用。
　　對於一個運動項目的技術診斷之前必須先瞭解其運動之特性，而射箭運動是一項有固定距離、固定時間內，以相同比賽箭數得分高低來論勝負的競技運動，誰能在比賽中發揮高度的穩定性及準確性來射得高分，誰能就能在眾多的參賽者中脫穎而出。因此得知平衡穩定能力對於射箭選手相當重要。同時亦須瞭解先前對於此運動項目的研究結果才能更進一步的深入協助；射箭比賽大都在室外來進行，射手在面對各種自然因素的干擾下更需要運用自身肌肉的力量來維持放箭動作的穩定性。因此在放箭過程中肌肉用力的模式對於選手放箭的穩定性以及整個動作的流暢度，都會有著相當程度的影響。Ertan等人（2003）利用肌電量測以監測不同層級選手於上肢各相關肌群收縮與放鬆技術以維持一致的放箭穩定性策略。Martin（1990）也提出慣用手的伸腕肌和屈腕肌在放箭前會有顯著的活化下降的情形以避免撥彈作用的發生，進而提升放箭時的穩定性。吳聰義（1998）的研究則發現放箭瞬間與餘勢動作時期右斜方肌活化情形有著顯著的差異，表示放箭瞬間需要背部肌群來提供穩定的力量。但在比賽進行當中，選手常會面對到許多不同的狀況，當這些狀況產生時，選手便必須針對這些狀況來加以調整。例如在射箭比賽時，由於有著時間的限制，因此選手常會面臨因為時間的原因必須加快本身的放箭節奏，也就是俗稱的放快箭；此外在分數落後的時候，不管是在個人賽還是團體賽，選手都會面臨一個必須射出高分的情境，在這種壓力之下，選手本身的肌肉使用想必也會受到相當的影響。另外在過去研究射箭選手的穩定狀態測試，亦有著重於在射箭過程中身體重心的變化情形，主要在探討在安卡至放箭瞬間是否會因重心不穩進而影響到射箭成績的表現。射箭項目是一項相當細膩且技巧性極高的運動，從舉弓、拉弦、固定、瞄準到放箭的每一步驟都相當重要。不論是舉弓位置的高低、勾弦手指的深淺或是固定位置的一致性等，都可能是影響箭著位置準確性的因素之一。尤其是在越接近放箭的瞬間持弓手的穩定性，更是決定箭是否能準確的射中目標的關鍵性指標。因此得知，在放箭時穩定能力，除了可以借助弓、箭本身器材來輔助外，最重要還是選手本身的平衡穩定性控制能力好壞，將會是影響箭值成績。

診斷方式
　　綜合以上可知，如果要提升射箭運動表現則需先瞭解選手本身的平衡穩定控制能力，針對此部分則是利用肌電分析系統、足底壓力分析系統、瞄準軌跡分析系統及高速攝影機來進行選手技術診斷以提供教練及選手於技術改進及訓練時的參考。在此就各分析系統於射箭方面的應用目的作個簡單說明：
　　肌電分析系統目的在於瞭解選手在放箭過程中所使用的肌群、放箭型態下的肌肉活動振幅差異及放箭後餘勢動作時的肌肉活動，經由肌電圖則可以用來觀察選手在放箭時是否有著正確的技巧。
　　足底壓力分析系統目的在於利用足底壓力鞋墊蒐集選手瞄準期間至放箭整體過程中的足底壓力分布、變化趨勢及左右腳足底壓力分布變化情況，透過射箭選手在瞄準時的雙腳站立時的壓力分布，可清楚了解選手是否能夠維持穩定的參數，因此教練可以利用此參數來了解選手的站立姿勢是否平穩，可以加以修改其站立姿勢動作。
　　瞄準軌跡分析系統目的在於藉由瞄準器來評估選手於瞄準箭靶至放箭的整個動作軌跡，藉此得知在瞄準時的穩定度，並且配合實際落點分數加以探討，此套系統提供選手在練習時更能縮小瞄準範圍或修正瞄準誤差，以協助射箭選手在瞄準過程誤差的修正與調整。
　　高速攝影機目的在於捕捉並紀錄選手在射箭過程中的每一個動作，提供教練與選手質性的立即回饋，了解該選手放箭瞬間的手指技巧，以及箭在空中的飛行狀態，並透過動作分析軟體，可再進一步量化放箭後弓箭擺動情形與箭的飛行軌跡，可以作為教練位選手調整技巧動作及弓箭用具之參考依據。

多領域之整合
　　任何科學性的發展都有可能會遇到瓶頸或是停滯點，運動生物力學的發展亦是如此。假如研究者對於動作科學的研究，純粹就力學的觀點來看的話，可能對於某些現象產生的機制可能會有所侷限或不完整；假如能夠與其他科學之領域相結合如生理與心理，提升系統的整合比率，對於現象的觀察相信能夠更加地細緻性和完整性以期對於不同之生理與心理素質選手可提出不同之力學技術方案。近幾年來，運動科學家應用運動生物力學的技術於競技運動上，協助國內優秀選手在體能與技術層面的提升，但漸漸也面臨所謂多角色上之個人化及最佳化的瓶頸，在未來，唯有進行不同系統的整合，方能彌補傳統運動生物力學研究在運動技術與個人特殊性質上不足之處，對於競技運動的水準，將能更進一步地提升其精準性及效率性。

結 語
　　運動科學在運動競技上的應用由於加入了「人」這個多變的因素後而顯得相當的複雜，因為人類不同於機械有著完全固定的性質，也因如此才有運動科學這個綜合應用科學產生，然而運動科學家對於人體運動的探討拜現今科技進步所賜，亦與時俱進，已有許多生物力學專家透過高速電腦建立了非常細緻的人體模型，用以模擬人體各種動作的可能性，對於競技運動的研究也就更精細，也才能找出更明確的訓練方式來更細部的開發人體的潛能，突破極限以達到更快、更高、更強的目標。（作者為國立體育學院教練研究所副教授）

參考文獻
》陳維新（2004）：雅典奧運菁英選手備戰特報，運科小組鼎力相助 奧運爭金如虎添翼。國民體育季刊，第三十三卷，第二期，69－72頁。
》相子元（2004）：應用運動生物力學講義。
》吳聰義（1998）：射箭選手放箭前後肌電圖與穩定性分析，中國文化大學，碩士論文。
》Ertan, H., B. Kentel, et al.（2003）. "Activation patterns in forearm muscles during archery shooing." Human Movement Science 22: 37~45.
》Martin, P. E., W. L. Siler, et al.（1990）. "Electromyographic analysis of bow string release in highly skilled archers." J Sports Sci 8（3）: 215~21.