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开展更聪明的训练,而不是更刻苦的训练

Sep 19, 2017 No Comments

更聪明的训练,而不是更刻苦的训练1

 

新兴的运动科学正在努力帮助运动员们拓展人体的生理极限。

尽管Usain Bolt在最近的伦敦世界田径锦标赛上失利,并且正式退役了,但是他依旧是世界纪录保持者,并且是世界上跑得最快的人。这位牙买加运动员早就是田径赛道上的佼佼者。在2016年的奥运会上,他史无前例地第三次包揽了100米、200米和4×100米金牌,成为三个三冠王,全世界都震惊了。对此,当时一名体育评论员指出,我们还从未见过这种成绩,而且他相信,今后也不可能看到这种奇迹了。

虽然在2008年的北京奥运会上,因为队友Nesta Carter的兴奋剂问题,Bolt没能获得那枚接力赛金牌,但是他取得的成绩已经足以让人惊叹了。为了一探Bolt如此惊人的成绩背后的运动机制,大家开始寻求科学的帮助。

短跑运动员在体格方面存在明显的差异,个子越高的短跑运动员步幅越大,也就是说在同样的距离内,个子越高,需要的步数越少。但是这些大长腿消耗的能量也更多,相比之下,个子越矮的短跑运动员,跑动的频率(即步频)则越快,于是就存在一个步幅和频率之间的最佳平衡点问题。这说明,并不是身材越高越好,大部分短跑运动员的身高都不会超过6英尺,即1.83米。

然而,据芬兰Jyväskylä大学(University of Jyväskylä in Finland)的运动生理学家Antti Mero介绍,Bolt的身高达到了1.96米,体重为90~93公斤,他在最大跑动速度下的步幅也达到了2.77米。虽然他个子很高,但是步频也达到了每秒4.49这样一个惊人的速度。因此,不论从步幅还是步频来看,Bolt都是最优秀的。Mero曾经在2013年时对Bolt的100米赛跑成绩进行过研究(M. Krzysztof and A. Mero J. Hum. Kinetics 36, 149–160; 2013)。

 

运动疗法

在全球范围内,人们对运动科学方面的兴趣和投入都在不断地增加,这促使运动科学有了极大的发展,从而为这个生理学的分支打下了很好的基础,也为相关转化科学的成功提供了可能。

虽然近二十年来,公共基金对运动科学给予了大量的支持,而且资助金额的增幅惊人,但这并不是运动科学研究全部的资金来源。各个企业的赞助,以及运动这个本身就充满了竞争的环境也让其他多个利益相关方给予了大量的资金支持,以期得到更多的证据来帮助他们发展自己的事业。

比如世界著名的巴塞罗那足球俱乐部就是一个很好的例子。2017年3月,这个俱乐部启动了自己的“创新核心(innovation hub)”项目,希望联合世界著名企业(品牌)、大学、科研机构、初创公司、学生、运动员、投资人和各种有能力的人,一起来发展运动科学。

科研人员们在研究是什么让运动员取得好成绩的同时,也开始关注如何将这些研究成果推广开来,以惠及普通人。2015年,NIH宣布将投入1.7亿美元,开展一个为期5年的项目,来研究运动期间和运动之后,人体的分子改变。他们的主要目的是想了解运动对人体的影响。

NIH的院长Francis Collins在启动会上表示,有了这些数据,科研人员和临床医生们就有可能为每个人制定出最合适的运动方案,以满足每一个人的自身需求。换句话说,运动,以及运动所带来的各种好处,将来都可以进行定量评价,运动也可以是一种治疗手段,是一种可以被处方的药物。随着我们对运动的研究不断地深入,投入到运动科学研究中的人也越来越多。美国、英国、日本的很多大学都设置了相关的专业,甚至还有专门研究运动科学的专业大学。

 

最新的技术

自从1954年,医学生Roger Bannister在4分钟内(3分59.4秒)跑完了一英里,实现了这个被认为是不可能完成的神话之后,运动科学发展至今已经过去60多年了。后来,运动员们又将那个纪录缩短了17秒,与此同时,运动员的训练和比赛中也运用了更多的新技术和新科技。人工赛道(artificial track surfaces)、低阻力泳衣(low-friction swimsuits)等新科技也让运动员们有了更好的表现和成绩,运动员的体格也在发生明显的变化。比如,现在的职业篮球运动员就要比70年前的前辈们高出了10厘米。

在美国纽约拥有一家运动科学实验室的运动科学家及生物力学家Juan Delgado表示,运动科学是结合了生理学、心理学、医学等诸多学科的一门科学,其主要目的就是帮助人们提高运动成绩,以及帮助人们在运动后更好地恢复。运动科学可以帮助我们了解人体在运动前、运动中,以及运动后的工作状态和情况。

Delgado进一步解释道,运动科学的目的就是通过科学的手段,帮助运动员们充分发挥自己的潜能,并且帮助运动员克服自身的弱点、增强力量,减少受伤的几率。

这家于2015年启用的实验室使用了一系列最新的技术,来帮助每一个人,包括篮球运动员、射箭运动员和综合格斗运动员等。这些运动员会接受全面的评估,来检测他们的各项身体指标,比如移动的速度等;也会对他们的动作、感觉运动技能、视敏度和深感觉等进行分析。比如评价一名跑步运动员时,研究人员会检测他们的肌肉表现,以及是否需要修改他们的训练方案等。

隐藏在Hexoskin T恤(一种智能可穿戴设备)里的传感器会纪录运动员身上的肌电信号,同时也会纪录惯性、呼吸频率和心率等指标。而且这些数据都可以实时地显示在运动员的三维模拟骨骼图像上。Delgado实验室还可以检测运动控制(motor control)、地面力量反应(ground-force reaction)、等动力肌力(isokinetic muscular strength)等指标,以帮助运动员了解自身弱点,提高成绩。

不过也还有另外一种训练,Delgado将其称作脑部训练(brain training)。这是一种神经技术(neurotechnology),可以提高大脑与肌肉之间的联系,提高运动时肌肉协同运动的效率。我们可以借助Halo Sport头戴式耳机这种神经引导装置(neuropriming devices)开展这种训练。Halo Sport头戴式耳机可以将电脉冲信号传递给大脑,从而可能会起到促进大脑运动皮层神经元细胞之间的沟通作用。在运动员热身的时候使用这种耳机20分钟,就可以起到增强神经元联系的作用,而且这种作用可以维持一小时左右。据Delgado介绍,目前业界已经发表了2000多篇与该耳机有关的文章,并且都证明该耳机有效(A. Bastani and S. Jaberzadeh Clin. Neurophysiol. 123,644–657; 2012)。而且据称,这种耳机也帮助美国克兰突袭者橄榄球队(Oakland Raiders)的侧卫T. J. Carrie提升了运动成绩,将他的立定跳远成绩提高了18厘米。

Delgado认为,神经科技与听觉、动觉和视觉的结合,极大地提升了神经元的可塑性(neuroplasticity)。这个全新的运动科学研究方向让我们对传统的运动有了一个更加全面的干预手段,将我们带进了现代运动的领域。

今年的3月初,综合格斗运动员Al Iaquinta来到了Delgado的实验室。Iaquinta希望Delgado能帮助他从膝伤中恢复起来,并且为即将在4月举行的与Diego Sanchez的比赛做好准备。Iaquinta使用的运动装备包括有触屏电视、手眼协同训练设备和带在手上的传感器(帮助他训练出拳的节奏)。Iaquinta每次还在液氮(相当于零下183度)冷却的房间中呆3分钟,以减轻训练给他的肌肉造成的损伤,不过科研界对这种低温手段的效果还存在争议。

在此之前,Iaquinta已经有两年时间没有上拳台了,但是在Delgado的实验室训练了40天之后,他只用了98秒就赢得了比赛。Delgado认为,这是他们最大的成功。此外,这也是他如此看好脑部训练的原因。Delgado觉得脑部训练就是未来运动员训练的方向。

 

 

更聪明的训练,而不是更刻苦的训练2

这名拳击手正在Delgado的实验室里接受视觉刺激系统(visual-stimulus system)的训练,以此帮助他提高反应速度。

 

 

科技助力体育比赛

鉴于将在东京举办2020年奥运会,因此,日本也在运动科学方面下了大力气。目前东京已经建起了两座专门的机构,来提升日本运动员的成绩。这些机构分别是建成于2001年的日本运动科学研究院(Japan Institute of Sports Sciences, JISS)和成立于2008年的日本国家训练中心(National Training Center, NTC)。这两家中心一共耗费了6.2亿美元,由日本国家体育总局负责日常的工作和管理。

在日本运动科学研究院里,大约有150名科研人员从事着各项科学研究工作,涉及的领域包括了生物力学和生理学等多个与运动科学相关的学科。在这个研究院里,一共有8层楼里都是最先进的运动设备。比如高效能的体育馆,运动员可以在这个体育馆里随时借助多角度摄像系统,观察自己的运动姿态,也可以到生物力学实验室和生物化学实验室里做相关的测试。这个研究院里还有一个磁共振室和一个低温恢复室,以及低氧环境模拟室等可以满足多种不同需要的训练室。而在位于日本运动科学研究院隔壁的日本国家训练中心里更多的是普通的训练设备,比如排球场、羽毛球场、篮球场、拳击台、柔道台、摔跤台和25米长的泳池等。全日本的运动员都可以到这里来训练。


据2016年巴西奥运会乒乓球铜牌得主,16岁的日本小将Mima Ito介绍,他们会经常观看对手的比赛录像,也会看自己的比赛录像,从中找出自己和对手的弱点。如果不在自己所在的大阪俱乐部训练, Mima就会在日本国家训练中心里进行训练。日本国家训练中心的生物力学研究人员也会对她的比赛进行分析,比如了解她的球速和旋转速度等指标。

据Mima在日本国家训练中心的教练Taisuke Matsuzaki介绍,过去,乒乓球选手的训练都非常刻苦,他们的想法就是,如果你想赢,那就去训练吧。可是现在他们的训练方法已经发生了变化,会不断地观看既往的比赛录像,来提高自己的成绩。他们现在更关注力量训练,更注意控制运动员的饮食和体重,而且Matsuzaki认为,运动员所处的环境也是一个非常重要的因素。

日本运动科学研究院的科研人员Mariko Nakamura是专门研究女性健康和运动的专家,他认为,运动科学研究对每一项运动都有帮助,哪怕使用同一项技术,也会有帮助,只不过使用的方式可能会有所区别。如果要打破世界纪录,他认为问题在于运动员、教练,和训练方式是否都已经做到了最好的状态。而运动科学就可以在这些方面提供帮助,哪怕一点点助力都会带来截然不同的结果。

 

动力学研究对链球运动的作用

前奥运会链球运动员Koji Murofushi很早就意识到科技对于运动的重要性。Koji的父亲Shigenobu也是一名链球运动员,也曾经参加过好几界奥运会,而Koji的母亲Serafina Moritz则是一名罗马尼亚标枪运动员。

在上世纪六十年代,Shigenobu整天都在训练,至少扔链球300次,但是他的成绩却每况愈下。于是他开始在自己训练的时候进行录像,结果发现了问题——他的姿势不对,然后马上进行了修正,也取得了不错的结果。因此,Shigenobu也要求Koji在训练和比赛的时候进行录像,而且和Koji一起观看这些录像。

据Koji介绍,作为一名运动员,对于自己,你既会有主观的感受,也会有客观的感受。他的父亲认为,你必须非常客观地看待自己。哪怕在他没什么东西可以教Koji之后,他也总是拿着一个摄像机跟在Koji后面拍,就是为了让Koji能够看到自己的表现。

这些录像也的确起到了作用。Koji在日本和区域性的田径比赛里都取得了很好的成绩,并且在2003年时取得了他的个人最佳成绩,84.86米,这也是排在链球比赛历史上第四名的好成绩。2004年,Koji获得了雅典奥运会链球比赛的银牌,之后又因为匈牙利选手Adrián Annus的兴奋剂事件(他因为拒绝尿检而被剥夺了金牌)而“升级”为金牌。雅典奥运会之后,Koji对运动科学的认识更加深刻,2008年的时候,他获得了日本中京大学(Chukyo University in Nagoya, Japan)生理教育学的博士学位。

Koji亲身体验了运动科学对他链球运动的帮助,也通过自身的学习,深刻地理解了运动科学。他还和日本福冈系统信息技术及纳米技术研究院(Institute of Systems, Information Technologies and Nanotechnologies in Fukuoka, Japan)的科研人员Ken Ohta,以及日本庆应义塾大学(Keio University)的Yuji Ohgi一起开发了装配了传感器的链球原型器械,以帮助链球运动员提高成绩。最初的版本里配备了电子传感器,这些传感器在链球扔出之后就会破裂,不过到了改进型的链球里,这些传感器已经可以承受29米/秒以上的速度了。

链球里还含有两个加速计,可以检测角速度(angular velocity),同时还装配了一个无线发射装置,可以将这些数据通过无线技术传输给记录仪,并且将数据转换成声音信号。记录仪会通过不同的声音来实时反映链球飞行的速度,以及运动员掷出链球的时间。Koji将这种声音称作链球运动员的第六感,人工智能技术可以通过这些数据来帮助运动员进行训练。

2014年,Koji被日本东京医科大学(Tokyo Medical and Dental University)刚刚成立的运动医学部门聘请为教授,同时还担任了运动科学中心的主任一职。他除了给一年级的新生教授运动获益的课程之外,还与之前在美国圣安东尼职业篮球队(San Antonio Spurs professional basketball team)担任助理教练一职的Dice Yamaguchi等人一起为运动员提供力量康复训练。

虽然Koji的专业是生物力学,不过他认为运动科学也可以从生理等比较客观的学科处获得帮助。他指出,任何可以让你更清楚认清自己的学科都是运动科学的组成部分。运动科学不仅可以帮助你认清目前面临的困难,也可以给你指明成功的方向。

 

 

 

原文检索:
Tim Hornyak. (2017) Smarter, not harder. Nature, 549: S1-S3.

Eason/编译

 

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