紧身服装在冬奥竞速运动项目中的研究与应用现状

杨宸灏 ，杨 洋 ，胡 齐 ，肖松林 ，刘 莉 ，傅维杰 *，刘 宇

作为2022年第24届冬季奥林匹克运动会（以下简称“冬奥会”）的东道主，中国迎来了冬季运动竞技体育、大众体育的新篇章（王诚民等，2014）。一系列国家重点研发计划“科技冬奥”重点专项的启动，意味着新一轮体育科技助力必将成为我国冬奥会取得优异成绩的关键。这其中高科技运动装备是现代奥林匹克运动中助推运动员不断突破人类极限必不可少的“利器”，而富含科技力量的紧身服装（紧身衣、裤、袜、连体服等）早已被用于诸多运动项目中，其对运动表现的促进功效一直是近年来体育科学的研究热点（Fu et al.，2013；Ⅹiong et al.，2018）。

紧身压缩服装在体育科学领域应用研究已累积了相当的基础并形成了一定的体系（Machado et al.，2018；Pérez et al.，2019；Snowdon et al.，2018），但针对特定的冬奥项目，如速度滑冰、高山滑雪，研究基础仍然相对薄弱。我国相关体育科研工作尚在起步阶段，这也与我国冬季运动的推广与普及相对较晚有关。而国外针对冬奥各项目特点已陆续开展相关研究，例如：1）服装的减阻功效（Bardala et al.，2012；Oggiano et al.，2012；Sætran et al.，2008）；2）对肌肉功能以及力学表现的促进（Decker et al.，2016；Moon et al.，2016；Sperlich et al.，2014）；3）对组织代谢与疲劳恢复的影响（Billy et al.，2013；Govus et al.，2018；Sperlich et al.，2014）。

本研究通过检索中外文数据库（WoS、PubMed、Sport discus、EBSCO、百链外文数据库、中国知网、万方数据库等），文献发表时间为2000年1月—2019年6月。英文关键词：speed skating、bobsleigh、luge、skeleton、alpine skiing、cross-country skiing、compression suits（competition suits、skinsuit、garment、clothing）；中文关键词：速度滑冰、短道速滑、雪车、雪橇、钢架雪车、高山滑雪、越野滑雪、紧身服装（紧身服、比赛服、速滑服）等，关键词通过布尔操作符（AND和OR）连接进行检索。通过文献筛选最终获得中、英文文献共18篇，时间跨度从2004—2018年。其中近10年的文章约占83%，2010年以前多为关于减阻功效的空气动力学研究，其后研究内容日渐丰富，包括能量代谢、肌肉力学表现、疲劳恢复等方面（图1）。

图1 紧身服装研究在冬奥竞速类项目中的分类及占比Figure 1. Classification and Proportion of Compression Garments Researches in Winter Olympics

1 冬奥竞速类项目紧身服装特点概述

相较于夏季项目，冬季项目紧身服装除了具有贴合皮肤、吸湿排汗等功能外，还需要满足极端环境下空气动力学的独特需求，且力求能针对各项目特点在技术动作、肌肉功能及疲劳恢复方面帮助运动员提升运动表现（李钊 等，2019；Born et al.，2014；Kruk et al.，2018b；Schenau et al.，1990，1985）。

竞速类运动项目在冬奥会中占比较重，包括：速度滑冰、短道速滑、高山滑雪、越野滑雪、速度滑雪、雪车、雪橇、冰橇等。其中，不同项目对紧身比赛服的功效各有要求，如速度滑冰与短道速滑的平均速度约为35～40 km/h（Brownlie et al.，2012），与夏季奥运会的自行车项目速度相近；高山滑雪、雪车与雪橇等的平均速度可达100 km/h（李钊等，2019），这使得紧身服装的空气动力学设计成为影响成绩的重要因素。除减少气动阻力外，速滑运动有大幅度和高频率的肢体运动，例如，摆臂、蹬冰等动作；高山滑雪与越野滑雪中上肢控制雪杖支撑、蹬冰式滑雪动作等，要求紧身服装具备减阻功效的同时应兼具压缩舒适、优化皮肤接触、吸湿排汗等功能以保证技术动作的充分发挥。雪车、钢架雪车、雪橇项目均是运动员操控雪车或雪橇在固定的滑道上完成比赛。运动员通过控制重心或操控舵来控制滑行方向，除起步阶段外比赛过程中无大幅度肢体动作，所以在此项目中的首要任务即是通过身体姿势、服装和装备减少赛道和空气阻力从而提高速度。

以速度滑冰紧身服装为例，1974年，瑞士速滑运动员Krienbühl首次使用了由滑冰服改进的速滑紧身服装（Kuper et al.，2008）。20世纪末，装备厂商开始设计一些减阻结构应用于速滑紧身服装，例如，1998年长野冬奥会上荷兰速滑运动员首次穿着由Hunter公司研发的减阻紧身服，该服装头部和小腿上带有锯齿状减阻条结构（图2左）；1996年Nike运动研究实验室（Nike sports research lab，NSRL）开始着手速滑紧身服装研究，于2000年发布第一代SWIFT Skin紧身速滑服。同时Mizuno、Descente和Hunter等品牌纷纷加入竞争行列，这些速滑服有相似的设计，其面料大多采用类似于高尔夫球上的蜂窝结构的粗糙纹理结构（图2右，a～d），减少尾流的湍流现象以达到减阻效果（Chowdhury et al.，2015）。众多速滑紧身服装中，Nike公司推出的SWIFT Skin系列速滑服创造了优异的成绩。例如，2002年盐湖城冬奥会上，使用SWIFT Skin速滑服的运动员夺得了30枚奖牌中的16枚，创造了8项世界纪录。

图2 Hunter公司Nagano speed strip减阻结构（左）；电子显微镜放大倍率100倍下各速滑服的纤维结构（右）（Chowdhury et al.，2015；Kuper et al.，2008）Figure 2. Nagano Speed Strip Drag Reduction Structure ofHunter Company（Left）；Fiber Structure of Skating Suits at Magnification 100 Times of Electron Microscope（Right）

针对性的探讨不同项目紧身服装的减阻效果、优化技术动作原理，针对不同冬季项目的生理学、力学特点探讨紧身服对代谢、力量表现等方面的影响，是全球紧身服装基础研究形成一定体系后学科逐渐细化、项目针对化的结果。未来针对我国运动员体型及生理学特点、运动学特征的冬奥紧身服装研究和应用，形成人体工效学评价体系，促进我国运动员提高运动成绩，仍然有较大的空间和广阔的前景。

2 紧身服装的减阻功效

冬奥竞速类项目紧身服装的体育科学研究早期主要是针对其减阻功效，开展风洞试验，模拟各项目的速度、运动员比赛姿态以及人体测量学数据，涉及项目包括速度滑冰、高山滑雪、越野滑雪和雪橇。通过探究不同材料及其拉伸度，以及对不同材料使用部位的气动阻力特性来对紧身服装的减阻功效进行评估。空气动力学一般通过阻力系数（drag coefficient，CD）来评价材料的减阻性能，气动阻力（D）与 CD的关系如下（Chowdhury et al.，2015；Oggiano，2010）：

式中ρ表示气体密度，v表示气流速度，A表示迎风面投影面积。

早期的空气动力学研究多由一些公司开展，主要用于商业研发，例如，2004年Nike公司报告的一项SWIFT Skin速滑服的研发测试（Brownlie et al.，2004），使用基于15名优秀短跑运动员与16名优秀速滑运动员人体测量学特征的人台，测量基于39种“SWIFT”织物生产的单一或组合面料制成的紧身服套装，测试表明性能最佳的速滑服气动减阻可达20.2%。之后的一项关于速滑服装减阻效果的研究正是基于Nike、Hunter等商用品牌比赛服进行对比，Kuper等（2008）对2002年盐湖城冬奥会速度滑冰项目所有运动员的成绩进行了分析，统计了包括SWIFT Skin在内的5个品牌比赛服使用前后的成绩，分析其对比赛成绩的直接影响。但研究结果显示，修正天气状况、主客场优势、年龄、体重等因素造成的偏差后，各品牌减阻比赛服并没有使成绩显著提升。

此后便有研究者对冬奥竞速类项目紧身服装的空气动力学机制进行了更多的探讨，如Oggiano等（2010，2012）进行了时间跨度5年的系统研究（表1）。实验使用风洞测试在模拟1 500 m速度滑冰直道滑行姿势的人台上进行，对比了头部、上肢、躯干、大/小腿对不同面料减阻效果的影响，通过对比各身体环节迎风面积、角度等参数，发现大腿是对面料选择最为敏感的部位，即迎风面积较大、角度垂直且拉伸范围大（Sætran et al.，2008）。Oggiano等（2010）对越野滑雪比赛服的研究发现，一定规律的粗糙表面使滑雪服降低阻力10%。此结果与Chowdhury等（2015）的研究结果类似，表面粗糙的面料在柱形试验台上50～60 km/h风速之间出现CD骤减。考虑到粗糙材料拉伸过后表面结构的改变，Oggiano等（2012）探究了越野滑雪和高山滑雪比赛服材料在不同拉伸度下的材料减阻性能，均使用柱形实验台进行风洞测试，其结果类似，同一面料拉伸度不同会改变材料原有的表面结构从而改变CD。

紧身服装的裁剪拼接以及附加减阻结构也是减少阻力的关键（Kuper et al.，2008），如Nike SWIFT Skin速滑服接缝方向与气流方向一致或位于远离迎风面的位置，并且某些部位采用整体设计以减少因拼接处褶皱增加的阻力（Brownlie et al.，2004）。此外手臂下方和右大腿内侧设置低摩擦板以减少摆臂和蹬地过程中的摩擦力。荷兰Hunter公司推出的Delta©-Flash紧身速滑服（Braghin et al.，2016），采用的是连体设计理念并结合“速滑条”结构（位于头和大腿部位的光滑橡胶材料）。日本Descente公司Vortex©C2速滑套装，服装通过在大腿和前臂的螺旋状硅条来控制湍流，并对硅条的不同形状、尺寸、位置进行了验证。

在竞速类冬奥会项目中，紧身比赛服可以作为减小气动阻力的途径之一。目前研究认为，产生效果的机制包括：1）材料的延展性能提供合适的压力，保证包裹贴合皮肤防止比赛服或皮肤产生褶皱增大迎风面积（Spring et al.，1988）；2）光滑表面利于流线型结构减少摩擦阻力（Chowdhury et al.，2015），而人体肢体与柱形结构相似，针对柱形结构尾流中湍流的形成，一定粗糙的表面改变气流流经边界层尾部分离点，减少湍流的形成，从而减少迎风方向前后的压差阻力（Bardala et al.，2012）；3）身体特定部位可以设置减阻结构从而进一步减少肢体间阻力。但是，从运动员自身出发，我们也不排除紧身服装可以通过不同紧度及紧度梯度设计，或特定的裁剪设计影响运动员比赛中的身体姿势，从而优化不利减阻的技术动作，辅助维持有利于减阻的身体姿势等。

表1 挪威Oggiano团队针对紧身服装部位、面料及拉伸度系统的研究Table 1 Norwegian Oggiano Team’s Research on Compression Garments’Position，Fabric and Stretch System

3 紧身服装对能量代谢、肌肉功能以及力学表现的影响

目前，紧身服装帮助运动员提升运动表现的研究，涉及肌肉功能、力量表现、生理和能量代谢、损伤防护等（傅维杰 等 ，2015；Hooper et al.，2015；Šambaher et al.，2016；Smale et al.，2018）方面。但针对竞速类冬季项目紧身服装的体育科学研究起步较晚，原因可能是因为研究环境相对极端，开展科研工作难度相对较大。

越野滑雪、速度滑冰包含长距离的分项（Winke et al.，2018），这对运动员的速度耐力提出了一定的要求，因此Sperlich等（2011）针对以上项目进行了系统研究（表2）。首先，探讨了不同比赛服对精英越野滑雪运动员生理学方面的影响，受试者穿着N（79%聚酯纤维18%氨纶3%碳纤维）与O（80%聚酯纤维20%氨纶）两种全身压缩比赛服，结果显示，在同样运动成绩的情况下，穿着N比赛服运动员的摄氧量、每分通气量、呼吸交换率、心率、皮肤温度和核心温度均较低。该研究认为，N比赛服提高了越野滑雪的经济性，其原因可能是其重量较轻，导汗吸热性能更佳，研究并未探讨服装压缩本身的生理学效果。进一步，该团队测试了有/无压缩作用的长袖比赛服对越野滑雪双杖冲刺（double-poling sprint）的影响，而结果显示，输出功率、心肺参数、肌肉氧合、血容量等并未受到压缩作用的影响（Sperlich et al.，2014）。此结果与该团队同期对速度滑冰运动员压缩裤的测试结果基本一致（Born et al.，2014），但不同的是速滑运动员左/右股外侧肌氧合作用不对称，该研究认为这可能是由于速度滑冰弯道时左右腿蹬冰动作不一致造成的。

肌肉功能与力学表现方面，已有研究证明紧身服装可以减少运动中软组织振动（傅维杰等，2015；Doan et al.，2003）。高山滑雪速度可达到 140 km/h（Bardala et al.，2012），同时要求运动员做出转向、跳跃等技术动作（Gilgien et al.，2014）。对于此类具有更高速和高冲击力特点的运动，压缩性能优越的紧身服装对肌肉振动的改善可能更具意义。Billy等（2013）通过实验室模拟高山滑雪振动以及负重情况，发现腿部压缩可以影响滑雪姿态，压缩作用越大屈膝角度越大，同时肌肉振动随压力增加而减小，自我感知用力（perceived exertion）则在有压缩条件下更低，而腓肠肌内侧头、股直肌、股内侧肌的肌电活动均因压力而升高。这一结果与Moon等（2016）研究发现相反，腿部压缩可使速滑运动员在维持伸膝力量的情况下降低股直肌激活程度。针对此情况，有系列研究通过对下肢紧身压缩条件下运动员进行3种肌肉收缩模式（等长、等动、等速收缩）以及落地反跳动作的力量输出和肌肉激活参数进行测试，结果显示，虽然紧身压缩并未影响肌肉力量、爆发力、纵跳高度等，但在维持相似的力量输出和运动表现的情况下可以降低肌电活动，研究认为，这对长时间运动下减缓疲劳积累、提高疲劳表现有积极作用（傅维杰 等，2015，2010；熊晓洁 等，2009；Zhang et al.，2016）。

有研究认为，紧身服装影响本体感觉使运动员技术动作发生改变，从而优化技术动作（Britto et al.，2016；Doan et al.，2003；Zamporri et al.，2018）。 Decker 等（2016）通过足底压力特点探讨压缩裤对高山滑雪弯道技术的影响，结果显示，穿着压缩裤时垂直地面反作用力（vGRF）减小9%、压力中心（COP）移动速度降低14%且COP位置更靠前内侧脚掌，认为这是动态平衡能力提升的表现。另外该团队Simons等（2016）对穿着紧身比赛服情况下高山滑雪的运动学与肌电进行分析，该研究相比Billy等（2013）优势在于，实验是在滑雪赛道上进行，但结果类似，压缩裤条件下屈膝增加3%、屈髋增加5%，同时股外侧肌、股直肌、臀中肌的肌肉激活分别降低17%、17%和26%。以上研究进一步验证了通过紧身比赛服优化技术动作的可行性。值得关注的是，Simons等首次使用了惯性测量单元（inertial measurement units，IMUs）采集冬季竞速项目的运动学参数用于紧身服装研究。技术优化、运动表现提升一般可以通过肌肉、关节力与力矩，肢体运动角度、角速度等外在表现来评定，所以生物力学方法是作为评定紧身服装功效的手段之一（Song et al.，2017），近年来图像处理系统（image processing systems，IMS）和IMUs已被用于户外运动的运动捕捉中（Kruk et al.，2018a），适用于涉及空间大，运动速度较快的项目，这对于更深层次的了解各冬奥竞速项目运动学特征，探讨紧身压缩条件下影响运动员运动表现的内在机制可以提供一定的帮助。

表2 德国Sperlich团队针对紧身服装促进运动表现的研究Table 2 German Sperlich Team’s Research on Sports Performance for Compression Garments

4 紧身服装对疲劳恢复的影响

体育比赛中运动疲劳得到充分恢复是运动员在训练和比赛周期中保持成绩的关键，尤其是对于短距离爆发力项目（短道速滑500 m分项等）和长距离耐力项目（越野滑雪男子50 km与女子20 km分项等）。有研究证明，紧身服装可以促进运动后的疲劳恢复（Kim et al.，2017；Machado et al.，2018；Nguyen et al.，2019；Pérez et al.，2019）。

Govus等（2018）对32名高水平越野滑雪运动员比赛前后的血乳酸、肌酸激酶、血尿素、垂直纵跳高度以及自我感知疼痛等指标进行了测试，随机分为紧身服组（n=11）、神经肌肉电刺激组（n=11）与对照组（n=10），分别于比赛前、赛后即刻、赛后8 h、20 h、44 h和68 h采集相关参数，结果表明，紧身服与神经肌肉电刺激与对照组相比均无明显作用。该研究认为，受试者数量、恢复期饮食等生活因素以及实验运动强度与实际训练和比赛的差异造成了该研究存在一定的局限性。该研究是目前较少以紧身服装促进疲劳恢复为主题，以冬奥会竞速类项目为对象的研究。

在针对其他体育项目的研究中，紧身服装对疲劳恢复依然具有一定的影响。有研究已证明，通过穿着紧身衣裤可以促进肌肉力量以及做功能力的恢复、减少延迟性肌肉酸痛（DOMS）（Bottaro et al.，2011；Glanville et al.，2012；Goto et al.，2014；Molly et al.，2018）、促进运动性肌损伤（EIMD）恢复（Arbabi，2015；Kraemer et al.，2001）。在代谢方面，紧身服装也可以改善运动后的乳酸清除（Duffield et al.，2010；Saulo et al.，2015）、增加血氧饱和度（Dermont et al.，2015）等。冬奥会竞速项目各具特点且技战术特点鲜明，例如，越野滑雪涉及直道、上坡及下坡赛道；滑冰比赛可采取跟滑或领滑战术，多变的赛道因素与技战术因素使各项目生理学、运动学特征存在差异。因此，探索其疲劳机制及紧身服装可能带来的影响仍有很大空间。

5 总结与展望

近10年来，紧身服装成为体育科学领域的研究热点，涵盖的学科包括运动科学、服装学、人体工效学、生物力学、生理学等，且涉及体育项目众多并更具针对性。随着备战2022年北京冬奥会工作的全面开展，紧身服装是冬奥竞速类项目中不可或缺的“利器”。其特点在于，可针对不同项目特点，集成压缩功效、保暖、防护、减阻等多个功能为一体，必将成为冬季项目体育科研的重点。但需要指出的是，目前我国鲜有独立系统开展对于该类紧身服装的研究，一定程度上限制了针对冬奥会紧身服装的本土开发及对其内在机制的理解。

现阶段国内外研究主要聚焦紧身服装减阻功效以及其对能量代谢、肌肉功能、力学表现以及疲劳恢复的作用，并已取得了一定的基础。未来研究可更多地致力于探究：1）有效模拟项目特征，如比赛速度、运动员人体测量学、比赛温度等；2）服装表面微结构设计（如凹坑减阻）以及减阻弹性材料在人体表面拉伸度以及动态动作对材料本身的影响；3）运动员实际比赛时的生理学、生物力学特征，如能量代谢特点、身体姿势等运动学特征、技术动作动力学表现等，从而针对性的对特定项目的紧身比赛服研发提供理论依据。

未来紧身服装在冬奥会竞速类项目的应用研究，可以在借鉴夏季运动的运动科学方法的基础上，更加聚焦于探索此类项目各自的特点，使研究更具有项目针对性，进一步指导特定项目紧身服装的开发应用，使紧身服装真正成为集各项功能为一体，对运动员突破极限提供一定帮助的高科技产品。