運動員的福音：四項科技創新提升賽場表現

Douglas Powell

美國孟菲斯大學健康科學學院乳房生物力學

研究中心主任

Donghee Son

韓國成均館大學電子與電氣工程學院教授

Mikyung Shin

Hailey Fong

美國孟菲斯大學健康科學學院乳房生物力學

研究中心研究員

Jean-Christophe Géminard

法國裏昂高等師範學院CNRS物理實驗室主任

運動科學是一門跨學科的科學領域，涉及運動和運動表現的各個方面。其研究範圍包括運動對身體的影響、運動表現的優化、運動損傷的預防和康複等。運動科學旨在理解運動的生理和心理機制，從而提高運動表現、促進健康和康複，並爲運動員、教練員、醫療專家和一般公衆提供科學依據和指導，以實現更高水平的運動目標和更健康的生活方式。運動科學在大衆生活和運動員訓練中有哪些應用場景？專業運動員如何利用這些科學發現來提高比賽水平？

世界各地的研究人員正在開發衆多創新技術，旨在提升運動員的賽場表現。

研究揭示，合適的運動文胸對于乳房支撐至關重要，並能顯著影響跑步時的膝關節功能。

這些研究成果指出，盡管運動文胸在過去50年鮮有改變，但其作爲運動裝備的重要性不容忽視。

配備傳感器的智能鞋墊能夠精准追蹤運動員在各類體育活動中的提升和表現。

韓國科研團隊研發的導電水凝膠，爲受傷肌肉的自我修複和與神經系統的再連接提供了新希望。

這些技術，以及其他正在研發中的創新，將爲運動員的成長和成績提升提供強大助力。

01

合適的運動文胸：女性跑者的加速秘密

除了必備的跑鞋，一件設計得當、能夠有效提供乳房支撐的運動文胸對女性跑者同樣至關重要。它不僅能夠緩解乳房運動中的不適，還能顯著提升跑步效率。乳房若是缺乏合適的支撐，身體便會啓動代償機制來保護乳房，這不僅會拖慢跑步速度，增加受傷風險，還可能引發背部和胸部疼痛。

爲了深入探究運動文胸對跑步的影響，美國孟菲斯大學（University of Memphis）乳房生物力學研究中心的Douglas Powell和Hailey Fong領導課題組，就運動文胸與跑步時膝關節剛度之間的聯系進行了研究。這種生物力學分析結果能夠量化膝關節對外部力量的抵抗能力。研究招募了12名年齡在18至35歲之間的女性非專業跑者，並讓她們分別身穿高支撐和低支撐的文胸進行了測試，對照組則不穿文胸。

研究人員使用了一套由10個高速攝像機組成的動作捕捉系統進行拍攝，並結合跑者身上的反光標記來記錄她們在跑步機上曆時三分鍾的跑步過程。他們還專門開發了一套軟件，通過分析照片來計算膝關節的偏移情況（包括屈曲、伸展和旋轉），並與跑者胸部的運動軌迹進行了比對。

圖片來源：PI France

研究結果顯示，得益于關節偏移的減少，乳房支撐力度的增加能夠提高膝關節的剛度。與不穿文胸的對照組相比，低支撐和高支撐運動文胸分別使膝關節剛度提升了2%和5%。綜合來看，高支撐文胸能使跑步成績提升約7%。研究進一步發現，乳房尺寸較大的女性從高支撐文胸中獲益更多，這表明文胸的支撐效果與跑步表現的提升密切相關。

過去50年間，文胸的設計鮮有革新。Douglas Powell指出：“結合過往的相關研究，我們的結論再一次證明，運動文胸不僅是服飾的一部分，更應被歸類爲運動裝備[1, 2]。”

02

3D打印鞋墊：運動員表現評估的新工具

在競爭激烈的競技體育中，毫秒之差往往能夠左右勝負。瑞士聯邦材料科學與技術研究所（Empa）、蘇黎世聯邦理工學院（ETH Zurich）以及洛桑聯邦理工學院（EPFL）的研究團隊聯手打造了一種超越傳統鞋墊的創新産品。這款先進的鞋墊內置了壓力和剪切力傳感器，能夠在各類體育活動中實時監測腳底的受力情況。

項目負責人、來自Empa和ETH複雜材料實驗室的Gilberto Siqueira解釋道：“通過記錄腳底的壓力分布，我們能夠判斷個體是在行走、奔跑還是爬樓梯。甚至能夠根據腳跟承受的額外壓力來識別他們是否負重。”

這款鞋底由3D打印而成（擠出成型），最底層爲硅膠與纖維素納米顆粒制成的混合物。在此之上，研究人員塗抹了一層含銀的導電墨水，以形成壓電傳感器。這些傳感器能夠將腳步施加的機械壓力轉換爲電信號。它們被精准打印在鞋底的導電區域，即承壓最多的部位。最後，研究人員還覆蓋了一層硅膠以保護傳感器，並在鞋底內置了一個接口，用以讀取信號。就這樣，整個鞋底便制作完成。

除了Empa、蘇黎世聯邦理工學院和洛桑聯邦理工學院之外，沃州大學中心醫院（CHUV）和整形外科公司Numo也參與了這項研究。運動員可以用這種鞋墊來評估自己在訓練中的進步和總體表現[3]。

03

創新導電水凝膠促進肌肉愈合

韓國基礎科學研究所（IBS）的研究團隊開發了一種創新的組織假體，這種假體由導電水凝膠制成，能夠直接注射進受傷的肌肉中，促進其自我修複並與神經系統重新建立連接。這一突破性的假體成功幫助了肌肉撕裂的實驗鼠恢複行走能力。

肌肉拉傷或撕裂是常見的運動損傷，而肌肉一旦撕裂，其與神經系統的生物電信號便會中斷，導致功能喪失。盡管現有的治療方法包括使用便攜式或植入式電子設備，但這些設備通常缺乏彈性，與柔軟的身體組織不相容。這些設備不僅會讓患者感到不適，甚至還會引發炎症，從而延長愈合過程。

IBS研究團隊的柔性假體采用了含有透明質酸的水凝膠，這種天然多糖不僅機械特性與軟組織相似，還擁有強大的再生能力。爲了賦予假體導電性，研究人員通過人爲形成共價鍵，在其中加入了可以形成六角環的化合物，並嵌入了金納米粒子。金元素具備生物相容性和化學惰性。

注射進實驗鼠的肌肉組織後，水凝膠中的化學鍵會暫時斷裂，但在固定于肌肉後會迅速恢複。這一獨特的化學性質爲受損組織的再生提供了可能。此外，該凝膠不會過度激活實驗鼠的免疫系統，因此，不會像傳統的植入式假體一樣，導致纖維疤痕組織的形成。

研究顯示，這種水凝膠能夠緊密粘附在實驗鼠受傷肌肉的周圍神經上。這意味著假體可以與電線相連，通過凝膠傳遞電刺激來激活肌肉。經過反複刺激，受傷的齧齒動物很快便能恢複行走。

研究人員的終極目標，是將此技術應用于人類肌肉的修複。然而，在進行人體試驗之前，他們需要對體型更大的動物開展研究，以驗證長距離對水凝膠導電性能的影響[4]。

04

乒乓球拍反彈機制揭秘

法國研究人員對乒乓球從球拍反彈的行爲進行了細致的分析。在法國國家科學研究中心（CNRS）物理實驗室主任Jean-Christophe Géminard的帶領下，研究團隊通過改變球的投射角度和撞擊速度，向玻璃板發射乒乓球。他們利用高速攝像機捕捉球與玻璃板相互作用的瞬間，並據此測量球的彈起速度、旋轉和反彈角度。

研究結果顯示，在入射角較小（通常小于45度）的情況下，乒乓球會在玻璃板上滾動（不會沿著表面滑動）不到一圈後反彈。而當入射角較大時，球在離開表面時仍會滑動，導致反彈後的旋轉降低。研究團隊解釋稱，乒乓球從玻璃板等固體表面反彈時，其最終的旋轉、速度和反彈角度主要受球與表面間摩擦力的影響。這一發現同樣適用于在標准乒乓球桌上的球。

爲了模擬更爲真實的比賽條件， Géminard及其同事使用了一個表面覆蓋有泡沫和彈性體的球拍進行實驗，這種設置在一定程度上模擬了專業球拍對球的抓地力。研究人員指出，能夠掌握並應用這些發現的乒乓球運動員將獲得顯著的競技優勢。

最終，科學家們還在專業乒乓球拍和球桌上重現了該實驗，但研究結果尚未對外公布[5, 6]。

作者

Isabelle Dumé

編輯

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