王林杰， 戴小倩， 李文炯， 李志利， 劉書(shū)娟， 張劍鋒， 汪 毅，2， 強(qiáng) 靜，孔方舟， 王惠娟， 王顏晴

(1.中國(guó)航天員科研訓(xùn)練中心， 北京 100094； 2.北京體育大學(xué)， 北京 100083)

1 引言

長(zhǎng)期空間飛行期間，航天員將經(jīng)歷一系列生理響應(yīng)變化，包括體液頭向分布、心血管功能失調(diào)、肌肉萎縮以及骨質(zhì)丟失等。 飛行實(shí)踐已經(jīng)證明，6 個(gè)月長(zhǎng)期飛行，航天員運(yùn)動(dòng)心肺功能降低約17%，跖屈肌肌肉體積降低8.8%～15.9%，神經(jīng)肌肉活動(dòng)降低35% ～40%，最大等長(zhǎng)肌力降低17%，每月骨質(zhì)丟失達(dá)1.5%～2%[1-2]。

運(yùn)動(dòng)鍛煉是長(zhǎng)期飛行的重要防護(hù)方法，而跑步作為全身運(yùn)動(dòng)的耐力鍛煉形式，可增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)心肺功能，提供骨骼維持強(qiáng)度所需的沖擊力，調(diào)用全身肌肉參與運(yùn)動(dòng)[3]，是失重生理效應(yīng)防護(hù)的重要方法。 1 G 跑步時(shí)，骨骼必須承受體重以及作用于骨骼上的肌肉牽拉力量，肌肉作用力矩為肌肉力量乘以杠桿臂，因此，相對(duì)于特定骨骼，肌肉力量作用比體重的影響更為重要[1]。 通過(guò)跑步時(shí)足底作用力以及關(guān)節(jié)角度，可分析失重條件下骨和相關(guān)作用肌肉的作用負(fù)荷，精細(xì)評(píng)估失重條件下運(yùn)動(dòng)鍛煉的骨肌防護(hù)效果。

目前失重條件下運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的研究結(jié)果樣本量較少，在軌檢測(cè)設(shè)備條件要求高、飛行實(shí)驗(yàn)條件復(fù)雜，具體結(jié)果存在較大異質(zhì)性，但是關(guān)于失重運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)變化趨勢(shì)較為一致，如足底作用力降低，束縛系統(tǒng)加載力負(fù)荷與足底作用力有關(guān)。但從這些零星的研究中無(wú)法了解失重運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的具體變化。

本文通過(guò)薈萃分析方法，從相關(guān)失重運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)角度對(duì)有關(guān)足底作用力以及運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)節(jié)角度在1 G 運(yùn)動(dòng)情況下的變化進(jìn)行了分析，以期為后續(xù)開(kāi)展失重狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)鍛煉動(dòng)作分析及防護(hù)效果評(píng)估提供參考。

2 方法

2.1 文獻(xiàn)搜索

英文文獻(xiàn)檢索PubMed、 Science Direct、Springer link、 Web of Science、 SAGE journal、Scopus、Psy INFO、Elsevier、 ProQuest 碩博士論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)、 Google Scholar、 NASA technique server 等數(shù)據(jù)庫(kù)， 以“biomechanics、 treadmill、running、ground reaction force (GRF)、joint angle”為關(guān)鍵詞，聯(lián)合“weightlessness、microgravity、space flight”進(jìn)行檢索。 中文文獻(xiàn)主要檢索了萬(wàn)方醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù)、CNKI 數(shù)據(jù)庫(kù)，檢索詞為“生物力學(xué)、跑步、足底作用力、關(guān)節(jié)角度聯(lián)合微重力、失重、空間飛行”。

2.2 文獻(xiàn)納入和排除標(biāo)準(zhǔn)

納入薈萃分析研究的標(biāo)準(zhǔn)為:①微重力下運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，包含有拋物線飛行、長(zhǎng)期空間飛行和短期空間飛行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，排除地面模擬失重相關(guān)研究結(jié)果；②微重力下運(yùn)動(dòng)外加力負(fù)荷為50%～90%體重(BW)的數(shù)據(jù)納入分析，極低外加力負(fù)荷的數(shù)據(jù)不納入，線性回歸分析時(shí)除外；③微重力下運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)與運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，將文獻(xiàn)報(bào)道數(shù)據(jù)分為走和跑，其中走的數(shù)據(jù)速度為1.34 m/s 或1.38 m/s，跑的速度為3.13 m/s 或3.89 m/s，對(duì)于大于3.85 m/s的相關(guān)數(shù)據(jù)，以個(gè)例數(shù)據(jù)為主，未納入；線性回歸分析時(shí)納入全部速度數(shù)據(jù)(1.11 ～ 5.79 m/s)；④純理論和文獻(xiàn)綜述類(lèi)文章未納入分析；⑤報(bào)道足底作用力和跑步關(guān)節(jié)角度的文獻(xiàn)納入分析，其中關(guān)節(jié)角度進(jìn)行角度轉(zhuǎn)換，統(tǒng)一了關(guān)節(jié)角度測(cè)量體系(圖1)，其他運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)指標(biāo)，因文獻(xiàn)均只有1 篇，未納入分析；⑥研究對(duì)象為人，動(dòng)物實(shí)驗(yàn)未納入。

圖1 人體動(dòng)力學(xué)分析標(biāo)記點(diǎn)及使用的關(guān)節(jié)角度定義Fig.1 Marker positions and joint angle definitions

2.3 數(shù)據(jù)提取和薈萃分析

數(shù)據(jù)提取主要由1 名研究人員完成，納入數(shù)據(jù)包括作者、發(fā)表年份、樣本量、足底作用力、關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)重心移動(dòng)角度、運(yùn)動(dòng)速度和外加載荷。 其中結(jié)果變量，如足底作用力(GRF)、關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)重心移動(dòng)角度等指標(biāo)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，錄入地面1 G 和0 G(拋物線飛行或空間飛行)生物力學(xué)檢測(cè)的均值、標(biāo)準(zhǔn)差及參與人數(shù)。采用Review Manager 5.3 (Nordic Cochrane Center， Copenhagen， Denmark) 軟件進(jìn)行薈萃分析，通過(guò)1 G 和0 G 下GRF 和關(guān)節(jié)角度均值和標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)均值差異，含95%置信限。

匯總數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)異質(zhì)性水平采用卡方和I2統(tǒng)計(jì)(異質(zhì)性定義為P< 0.05)。I2檢驗(yàn)主要反映了效應(yīng)量的真實(shí)變異在總變異中所占的比重，將25%、50%、75%的I2值作為異質(zhì)性低、中、高的界限，I2< 25%，采用固定效應(yīng)模型進(jìn)行分析，其他情況采用隨機(jī)效應(yīng)模型進(jìn)行分析。 匯總數(shù)據(jù)計(jì)算效果可根據(jù)Z值的大小分為大(Z≥1.20)、中(0.60 ≤Z≤1.19)或小(Z≤0.59)3 級(jí)。

對(duì)0 G 下運(yùn)動(dòng)GRF 的全部數(shù)據(jù)，包括運(yùn)動(dòng)速度(m/s)、優(yōu)化后的力加載負(fù)荷(%BW)作為Modulator，采用Comprehensive Meta-analysis 3.0進(jìn)行了分析，對(duì)跑步速度和外加力負(fù)荷與足底作用力之間的關(guān)系進(jìn)行了薈萃線性回歸分析。

3 結(jié)果

3.1 文獻(xiàn)檢索情況

共檢索文獻(xiàn)318 篇，其中重復(fù)54 篇，與航天生物力學(xué)研究有關(guān)文獻(xiàn)157 篇，按照納入標(biāo)準(zhǔn)，最終10 篇文獻(xiàn)滿足要求納入分析，詳見(jiàn)表1。

表1 文獻(xiàn)納入情況Table 1 Information about included references

0 G 下行走運(yùn)動(dòng)學(xué)研究有2 篇文獻(xiàn)研究，但其中一篇比較的是模擬失重與拋物線飛行產(chǎn)生真實(shí)失重下跑步生物力學(xué)研究結(jié)果，因此薈萃分析結(jié)果以DeWitt 等[7]2006 年的結(jié)果為主。 0 G 下跑步運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)據(jù)納入了Everett(2009 年) 和Schaffner(2005 年)2 篇文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)，Everett 的關(guān)節(jié)角度定義與其他文獻(xiàn)稍有差異，尤其髖關(guān)節(jié)角度沒(méi)有與軀干相對(duì)比，而是與水平線相對(duì)比，因此髖關(guān)節(jié)角度結(jié)果未納入分析；膝和踝關(guān)節(jié)角度測(cè)量的是腳著地即刻的角度，其他文章測(cè)量的均是步態(tài)過(guò)程中最大的屈或伸角度，因此該文數(shù)據(jù)結(jié)果未納入分析。

3.2 足底作用力

3.2.1 1 G 和0 G 足底作用力變化

研究表明，1 G 和0 G 下跑臺(tái)跑步足底作用力具有明顯差異(P< 0.0001)。 0 G 行走時(shí)相對(duì)于1 G 足底作用力降低0.17 BW(P＝0.05)，0 G跑步時(shí)相對(duì)于1 G 足底作用力降低0.56 BW(P＝0.002)。 總體來(lái)說(shuō)0 G 下運(yùn)動(dòng)相對(duì)于1 G 運(yùn)動(dòng)足底作用力降低0.35 BW(圖2)。 跑步的足底作用力降低大于行走。

圖2 1 G 和0 G 運(yùn)動(dòng)足底作用力的森林圖[4-13]Fig.2 Forest plot of locomotion ground reaction force difference between 1 G and 0 G[4-13]

3.2.2 0 G 足底作用力變化與跑步速度的回歸分析

速度與0 G 足底作用力的回歸分析顯示(圖3(a))，隨速度的增加(1.11～5.79 m/s)，足底作用力增大，二者相關(guān)關(guān)系顯著(P< 0.0001)，相關(guān)關(guān)系為:GRF ＝0.9332 + 0.108 ×speed。

圖3 0 G 運(yùn)動(dòng)足底作用力與速度(a)和外加力負(fù)載(b)的隨機(jī)效應(yīng)薈萃線性回歸結(jié)果Fig.3 Random-effects meta-regression of speed (a)， EL(b) and GRF during running or walking in 0 G

3.2.3 0 G 足底作用力變化與外部力加載負(fù)荷的回歸分析

外部力加載負(fù)荷(external load， EL)與0 G足底作用力的回歸分析顯示(圖3(b))，隨外部力加載負(fù)荷的增加(35%～100%BW)，足底作用力增大，二者相關(guān)關(guān)系顯著(P< 0.014)，相關(guān)關(guān)系為:GRF ＝0.2715 + 0.0138 × EL。

3.3 跑步運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)

3.3.1 髖關(guān)節(jié)角度

1) 髖關(guān)節(jié)屈峰值角度。 總體上1 G 和0 G下步態(tài)髖關(guān)節(jié)屈的角度沒(méi)有顯著差異，亞組分析表明0 G 下跑步髖關(guān)節(jié)屈曲峰值角度相比于1 G平均減少11.19°(P＝0.03)。

2) 髖關(guān)節(jié)伸峰值角度。 亞組分析表明，0 G下跑步時(shí)髖關(guān)節(jié)伸峰值角度相對(duì)于1 G 跑步平均減少12.59°(P＝0.004)，在行走時(shí)1 G 和0 G 髖關(guān)節(jié)伸峰值角度沒(méi)有顯著差異，但從數(shù)值上看，0 G 下髖關(guān)節(jié)伸展峰值角度可見(jiàn)減少4.22°(P＝0.38)。 總體上0 G下運(yùn)動(dòng)髖關(guān)節(jié)伸的峰值角度相對(duì)于1 G 運(yùn)動(dòng)平均減少8.61°，達(dá)到顯著差異(P＝0.04)。

3) 髖關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍。 總體上，髖關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍在1 G 和0 G 下行走和跑步?jīng)]有顯著差異。

3.3.2 膝關(guān)節(jié)角度

1) 膝關(guān)節(jié)屈峰值角度。 亞組分析表明，行走時(shí)膝關(guān)節(jié)屈峰值角度0 G 較1 G 增加8.79°(P＝0.04)；跑步時(shí)膝關(guān)節(jié)屈曲峰值角度0 G 較1 G 增加7.03° (P< 0.0001)。 總體上，0 G 下運(yùn)動(dòng)膝關(guān)節(jié)屈曲峰值角度相對(duì)于1 G 下運(yùn)動(dòng)增加7.37°(P< 0.00001)。

2) 膝關(guān)節(jié)伸峰值角度。 總體和亞組分析表明，0 G 下跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)的膝關(guān)節(jié)伸峰值角度與1 G沒(méi)有顯著差異。

3) 膝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍。 總體和亞組分析表明，0 G 和1 G 跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)膝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍沒(méi)有顯著差異。

3.3.3 踝關(guān)節(jié)角度

1) 踝關(guān)節(jié)背屈峰值角度。 總體和亞組分析表明，1 G 和0 G 下跑步機(jī)運(yùn)動(dòng)踝關(guān)節(jié)背屈角度沒(méi)有顯著差異。

2) 踝關(guān)節(jié)跖屈峰值角度。 亞組分析表明，0 G 下行走時(shí)踝關(guān)節(jié)跖屈峰值角度相對(duì)于1 G 增加5.95°(P＝0.02)，0 G 下跑步時(shí)踝關(guān)節(jié)跖屈峰值角度與1 G 跑步無(wú)顯著差異；總體上，1 G 和0 G運(yùn)動(dòng)跖屈峰值角度沒(méi)有顯著差異。

3) 踝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍。 亞組分析表明，在0 G下低速行走時(shí)踝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍相對(duì)于1 G行走增加8.35° (P＝0.0009)，0 G 下跑步時(shí)踝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍相對(duì)于1 G 無(wú)顯著差異，平均略有降低2.65°。 總體上，1 G 和0 G 運(yùn)動(dòng)踝關(guān)節(jié)活動(dòng)范圍沒(méi)有顯著差異。

4 討論

從薈萃分析的總體結(jié)果來(lái)看，0 G 下行走或跑步足底作用力相對(duì)于1 G 降低，且跑步條件下足底作用力降低更大。 0 G 下跑步足底作用力與跑步速度呈線性相關(guān)，與外部力加載負(fù)荷大小呈線性相關(guān)，但速度每增加1 m/s，對(duì)足底作用力增加的效果與力加載每增加10% BW 的作用接近。0 G 下行走運(yùn)動(dòng)學(xué)變化大于跑步時(shí)的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)節(jié)角度變化。

4.1 足底作用力

航天飛行期間，航天員跑步鍛煉只能采用跑步機(jī)進(jìn)行，因此需要掌握跑步機(jī)跑步的技巧。 跑步機(jī)跑步生物力學(xué)特性還受到對(duì)跑步機(jī)的熟悉程度/舒適度了解情況、跑帶尺寸、跑步時(shí)的視覺(jué)焦點(diǎn)位置、感知差異、跑帶表面硬度以及跑臺(tái)驅(qū)動(dòng)模式的影響[14-15]。 無(wú)坡度跑步時(shí)，地面場(chǎng)地跑步和跑步機(jī)跑步關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)和地面反作用力大致相似，各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)差異顯著[16]，但差異均不大于3°[17]。

失重條件與地面條件跑臺(tái)跑步最大的不同在于失重條件下有著束縛加載系統(tǒng)的限制，同時(shí)空間飛行中，跑臺(tái)采用彈簧阻尼器與隔振系統(tǒng)來(lái)減輕跑臺(tái)機(jī)沖擊載荷對(duì)空間站運(yùn)行軌道的影響，但隔振系統(tǒng)又會(huì)使跑臺(tái)產(chǎn)生輕微的左右搖擺和上下擺動(dòng)，對(duì)人體的跑步姿態(tài)產(chǎn)生影響。 太空跑臺(tái)跑帶的尺寸較窄較短，限制了步幅；由于安裝空間局限，導(dǎo)致跑步時(shí)的視覺(jué)無(wú)較遠(yuǎn)視點(diǎn)[18]；對(duì)跑步速度感知與地面存在差異，這些都對(duì)跑步生物力學(xué)特性產(chǎn)生了較大影響。

空間站不同的跑臺(tái)產(chǎn)品對(duì)跑步生物力學(xué)影響也不同，具體指標(biāo)差異見(jiàn)表2。 如國(guó)際空間站早期開(kāi)展的跑步運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)分析研究是依托TVIS(跑臺(tái)振動(dòng)隔離系統(tǒng))跑臺(tái)進(jìn)行的，而2009年空間站安裝了新的T2 跑臺(tái)。 TVIS 跑臺(tái)生物力學(xué)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，5.5 mph(mileperhour)跑速下，增加束縛加載負(fù)荷，下肢負(fù)荷可從1.35 BW增加到1.71 BW，大約增加了21%；而一名受試者跑速?gòu)?.5 mph增加到8 mph，下肢負(fù)荷只增加了6%，認(rèn)為針對(duì)TVIS 跑臺(tái)提高足底作用力，增加力加載負(fù)荷比增加跑速更為有效。 De Witt 等[6]采用T2 跑臺(tái)進(jìn)行的研究認(rèn)為0 G 下增加跑步速度可以在一定程度彌補(bǔ)跑步峰值沖擊力和推進(jìn)力的降低，束縛加載負(fù)荷不可能通過(guò)增加跑步速度來(lái)代償，建議在制定訓(xùn)練計(jì)劃時(shí)如采用較高的加載負(fù)荷，應(yīng)考慮同時(shí)設(shè)計(jì)較高跑速。

表2 NASA 和俄羅斯在軌跑臺(tái)相關(guān)參數(shù)差異[9，19-20]Table 2 Specification of NASA and Russian in-orbit treadmill[9，19-20]

本文的薈萃分析發(fā)現(xiàn)，航天飛行中足底作用力在行走時(shí)較地面降低0.17 BW，而在跑步時(shí)則降低0.56 BW，降低是行走時(shí)的3 倍。 根據(jù)薈萃線性回歸分析的結(jié)果，速度每增加1 m/s，則足底作用力增加0.108 BW，力負(fù)荷每增加10% BW，則足底作用力增加0.138 BW。 從上述結(jié)果可見(jiàn)，飛行中為增加足底作用力，維持對(duì)骨的沖擊力，可根據(jù)情況選擇增加外加力負(fù)荷或者增加跑步速度，對(duì)于跑步速度無(wú)法增加的航天員，可選擇增加外加力負(fù)荷；而無(wú)法耐受外加力負(fù)荷對(duì)肩腰束縛影響的航天員，在需確保防護(hù)效果的條件下，可使用逐步增加跑步速度的策略。

NASA2005 失重飛機(jī)跑臺(tái)生物力學(xué)研究中[13]，給出了一定速度下，足底作用力與外加力負(fù)荷的關(guān)系，即在1.54 m/s 速度下，峰值GRF ＝0.20 + 0.0108 × EL；在3.60 m/s 速度下，峰值GRF ＝0.58 + 0.0153 × EL；采用多參數(shù)回歸進(jìn)行分析的結(jié)果為:峰值GRF ＝0.75 + 1.29 × EL-0.7 × (運(yùn)動(dòng)參數(shù))，在1.54 m/s 時(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)為1，在3.60 m/s 時(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)為0。 從該研究結(jié)果看，外加負(fù)荷的作用結(jié)果與本薈萃分析結(jié)果相似，但該峰值GRF 的增加與跑步速度有關(guān)，但運(yùn)動(dòng)參數(shù)的作用與外加負(fù)荷的作用似乎相反，而且速度越低，足底作用力相互抵銷(xiāo)的作用越大，較高的速度可以減少這種消減作用。 因此外加負(fù)荷和提高速度對(duì)于增加足底作用力的效果較好。

跑步的著地方式主要有3 種，即后腳著地，中足著地和前腳著地。 據(jù)報(bào)道，89%的跑步者著地方式均是后腳先著地。 與后腳著地方式相比，前腳著地方式是以足底和膝蓋彎曲更多的姿態(tài)著地的，后腳著地則表現(xiàn)出更高的垂直沖擊力[21]；前腳著地的跑步者在擺動(dòng)末期脛骨前肌活動(dòng)減少，腓腸肌內(nèi)側(cè)頭和外側(cè)頭活動(dòng)增強(qiáng)[22]。 前中足著地過(guò)程中，為了使下肢更好地適應(yīng)跖屈的足部沖擊，跖屈組織產(chǎn)生了較大的力量衰減，使得遠(yuǎn)側(cè)(腳踝處)沖擊衰減更大，從而降低了近側(cè)(即膝蓋和臀部)的沖擊，減少了這些部位的損傷風(fēng)險(xiǎn)，但這種風(fēng)險(xiǎn)的降低可能被跟腱和腓腸肌結(jié)構(gòu)損傷風(fēng)險(xiǎn)的增加所抵消[23-24]。

對(duì)長(zhǎng)期飛行期間跑步生物力學(xué)研究足底作用力曲線的分析表明，航天飛行期間對(duì)T2 跑臺(tái)進(jìn)行研究，航天員以后腳著地為主[6]；使用BD-1 跑臺(tái)在拋物線飛行期間的實(shí)驗(yàn)可見(jiàn)，航天員在行走時(shí)以后腳著地為主，而跑步速度8 km/h 以上時(shí)以前足著地為主[7]；俄羅斯航天員在軌飛行測(cè)試前足著地和后腳著地的情況均存在[8]。 航天員選擇前足著地，與跑臺(tái)本身特性有關(guān)，如BD-1 跑臺(tái)，受試者如果向前邁得太遠(yuǎn)，可能向前翻滾，為了最大程度地使用跑面，前腳著地可以方便腳跟踏在跑板上。 Heise 等[25]研究發(fā)現(xiàn)，跑步觸地時(shí)刻身體姿態(tài)可以評(píng)價(jià)接近40%的跑步經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)74% ～ 90%VO2max下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)，不會(huì)改變運(yùn)動(dòng)經(jīng)濟(jì)性[26]。 跑步過(guò)程中肌肉疲勞、肌肉功能降低、熱應(yīng)激伴隨體溫升高、兒茶酚胺水平增高、呼吸肌活動(dòng)增加、過(guò)度通氣等均會(huì)造成氧耗量需求增加，跑步經(jīng)濟(jì)性降低[27]。 航天飛行中肌萎縮導(dǎo)致的肌肉功能下降等會(huì)降低跑步經(jīng)濟(jì)性，控制觸地方式，提高跑步經(jīng)濟(jì)性，可改善運(yùn)動(dòng)疲勞情況。

4.2 跑步運(yùn)動(dòng)學(xué)

跑步的步態(tài)周期分為4 個(gè)時(shí)相:站姿時(shí)相(腳后跟著地到腳尖離地)、第1 個(gè)騰空時(shí)相(腳尖離地到另一腳腳后跟著地)、擺動(dòng)時(shí)相(另一只腳腳后跟著地到另一腳腳尖離地)和第2 次騰空時(shí)相(另一腳腳尖離地到腳后跟著地)。

研究表明，跑步時(shí)下肢節(jié)段和關(guān)節(jié)角度隨速度而變化，腳著地前隨著跑步速度增加髖關(guān)節(jié)屈時(shí)大腿的最大角度變得更屈曲；跑臺(tái)跑步3.4 m/s 時(shí)為20.8°，而在5.0 m/時(shí)為30°。 腳離地時(shí)，髖關(guān)節(jié)伸，大腿角度為負(fù)值，范圍從3.57 m/s時(shí)的-24.0°到8 ～ 9 m/s 時(shí)的-29° ～ -32°。 腳著地時(shí)膝關(guān)節(jié)不完全伸展的角度范圍為21° ～ 30°，腳離地時(shí)膝關(guān)節(jié)屈曲角度在3.4 ～ 7.5 m/s 時(shí)范圍在38° ～ 50°。 踝關(guān)節(jié)背屈角度在腳觸地時(shí)在84° ～ 101°，而腳離地時(shí)踝關(guān)節(jié)跖屈的角度在3.6 m/s 時(shí)為75°。 關(guān)節(jié)角度變化與速度、與受試者的選取有一定相關(guān)性[28]。

失重條件下骨骼肌肉系統(tǒng)的變化與老齡化相似，與近端肌肉相比，遠(yuǎn)端肌肉(如小腿肌肉)的無(wú)力在更大程度上影響了老年跑步者的步態(tài)模式。 與年輕跑步者相比，老年跑步者在跑步過(guò)程中表現(xiàn)出顯著的踝關(guān)節(jié)柔韌性降低和踝關(guān)節(jié)跖屈和背屈降低；髂脛束繃緊度增加，髖關(guān)節(jié)內(nèi)收-外展降低；出現(xiàn)更大的膝關(guān)節(jié)外旋和踝關(guān)節(jié)外展，垂直足底作用力主峰和水平足底作用力推進(jìn)峰有所降低；足底作用力最大負(fù)荷率增加，減震能力較差；軀干偏移總體減少，腰椎活動(dòng)范圍縮小，軀干和脊柱結(jié)構(gòu)硬度增加，軀干的活動(dòng)度降低，可導(dǎo)致肌肉骨骼損傷，如出現(xiàn)腰痛[29]。 航天飛行中除上述生物力學(xué)改變外，脊柱因失重而誘發(fā)的失穩(wěn)，著束縛系統(tǒng)導(dǎo)致的軀干受壓、扭轉(zhuǎn)受限等均會(huì)影響跑步運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。

從本文薈萃分析的關(guān)節(jié)角度變化可以看出，相對(duì)于1 G 行走，0 G 下行走時(shí)踝關(guān)節(jié)背屈峰值角度沒(méi)有顯著變化，膝關(guān)節(jié)屈曲峰值角度增加8.79°，髖關(guān)節(jié)屈峰值角度沒(méi)有顯著變化；踝關(guān)節(jié)跖屈峰值角度增加5.95°，膝關(guān)節(jié)伸峰值角度沒(méi)有顯著變化，髖關(guān)節(jié)伸峰值角度無(wú)顯著變化。 這些均表明0 G 行走著地時(shí)膝關(guān)節(jié)角度增加，向前的推動(dòng)力降低。

相對(duì)于1 G 跑步時(shí)，0 G 跑步踝關(guān)節(jié)跖屈、膝關(guān)節(jié)伸峰值角度無(wú)明顯差異，髖關(guān)節(jié)伸的峰值角度減小12.59°；著地時(shí)踝關(guān)節(jié)背屈峰值角度相對(duì)1 G 無(wú)明顯變化，膝關(guān)節(jié)屈的峰值角度相對(duì)于1 G增加7.03°，髖關(guān)節(jié)屈峰值角度減少11.19°。 可見(jiàn)跑步著地時(shí)，膝、髖關(guān)節(jié)更加僵直，可能與軀干前傾及著束縛系統(tǒng)有關(guān)。

Silder 等[30]發(fā)現(xiàn)相比于不負(fù)重跑步，相同速度負(fù)重跑步時(shí)志愿者下肢僵硬度增加，站姿時(shí)相髖屈、膝屈、踝背屈角度增加，觸地時(shí)刻髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)屈曲角度增加，Kabbaligere 等[31]研究發(fā)現(xiàn)減重條件下行走下肢各節(jié)段運(yùn)動(dòng)學(xué)特征發(fā)生變化，Jackson 等[32]也分析飛行中航天員由于不需要控制對(duì)抗重力的身體平衡，下肢的僵硬度可能增加，飛行后的步態(tài)分析也發(fā)現(xiàn)了下肢僵硬度的凈增加。 因此0 G 下行走和跑步時(shí)出現(xiàn)的下肢節(jié)段步態(tài)特征變化可能與失重狀態(tài)以及著束縛系統(tǒng)外加力負(fù)荷作用有關(guān)。

4.3 局限性

失重狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)變化的研究工作受限于飛行資源限制，一方面樣本量少，另一方面研究結(jié)果報(bào)道主要集中在NASA 的相關(guān)研究工作，且生物力學(xué)研究工作夾雜在設(shè)備建立、束縛系統(tǒng)評(píng)價(jià)、測(cè)試方法確定等相關(guān)內(nèi)容，文獻(xiàn)報(bào)道少，結(jié)果較零散，同時(shí)存在同一實(shí)驗(yàn)結(jié)果中抽取部分?jǐn)?shù)據(jù)報(bào)道的情況，使薈萃分析結(jié)果的準(zhǔn)確性受到了一定影響。 因0 G 運(yùn)動(dòng)過(guò)程中肌電記錄文獻(xiàn)少(只有1 篇)，且數(shù)據(jù)為圖形，不易統(tǒng)計(jì)整理，故文中未對(duì)肌電結(jié)果進(jìn)行薈萃分析，因此0 G 下運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)改變對(duì)骨肌系統(tǒng)的影響只能從運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)節(jié)角度的變化來(lái)加以判斷。

5 結(jié)論

0 G 下跑步足底作用力下降大于行走，總體足底作用力在0 G 下平均降低0.35 BW；足底作用力大小與跑步速度、外加力負(fù)荷呈正相關(guān)，在4 ～ 20 km/h速度范圍內(nèi)，速度每增加1 m/s，足底作用力的增加與外加力負(fù)荷每增加10% BW的增加近似。 0 G 下運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)變得僵直，可能與失重狀態(tài)以及著束縛系統(tǒng)存在外部力加載有關(guān)。