基于动态评价的骑行服研究进展

解丹丹，王燕珍

(上海工程技术大学 纺织服装学院，上海 201620)

0 引言

随着绿色出行的倡导和全民健身的提倡，自行车正以多种形态出现在生活中，无论是共享单车还是个人自行车的使用，频率都很高，有着庞大的骑行用户和发展潜力。骑行服在运动过程中充当着保护作用，减缓肌肉的疲劳。对于骑行者而言，骑行裤需要具备的功能是安全性和舒适性。运动中的压力舒适性、皮肤延伸量以及面料的力学性能都能对结构设计产生影响作用[1]。本文将从骑行动作分析入手，阐述在骑行过程中的各部位的压力分布，以及拉伸情况，为骑行服优化提供理论参考。

1 骑行动作分析

骑行运动是一项人体与自行车设备结合的过程，上肢运动幅度小，靠着下肢带动踏蹬做循环周期运动。骑行运动借助的是髋关节、膝关节、踝关节等和肌肉群的结合的力量，为自行车提供驱动力矩[2]。有专家指出正确的骑行姿势:坐垫的角度需要保持大致水平，鼻端可以略低一点，可以减轻上坡时胯下部位的压力；坐垫高度与膝盖和脚的施力息息相关，坐垫过高导致重心过高，有一定的危险性，过低会使腿部伸展不开，踏蹬处于最低点时膝盖自然弯曲是正确的坐垫高度；骑行时要求背部脊椎尽量保持笔直，并非竖直，从臀部开始保持前倾的姿势，脖子自然挺直。

骑行动作的分解图如图1。脚在踏蹬上转动的过程可以分解为不同角度的动作，处于0°的时候，踏蹬在矢状面的最高点，是骑行中的上死点从力学角度来讲，当踏板位于这一位置是，脚部的力方向与曲柄重合，该力没有力臂也不做工[3]；踏蹬处于45°时，是骑行开始的最佳位置；踏蹬处于180°时，处于骑行中的下死点。0°至90°是骑行做功效率增加的阶段，做工效率减退是90°至180°。关于蹬踏过程中存在的死点问题，0°和180°并非绝对意义上的上下死点，骑行过程中的0°和180°仍会受力，此时脚与踏板的角度也并非直角。因此，位于0°和180°时依旧做功。另外骑行过程中的机械圆周运动和环境表现存在差异，不同的蹬踏条件会产生不一样的死点。

图1 骑行动作分解

2 运动机能评价

不同负荷情况下的骑行对人体会产生不同效应的生理变化，可以通过机能指标对被试者进行运动机能评价。身体的机能评定应是一个多指标、多层次、多因素的综合评定体系[4]。运动机能的评价可以作为运动评价与监控状态的依据，评定运动效果的依据，甚至可作为生长预测的依据。此外，运动机能评价具有可测性原则、易测性原则、适时性原则、综合性原则以及长期性原则。训练中的运动机能评定分为生化监控常用指标、代谢能力评定、身体机能生化综合评定。

2.1 生化监控常用指标

在运动机能评定中，常用的生化指标有血乳酸、血红蛋白、血睾酮、血清CK、血尿素、尿肌酐、尿蛋白等[4－5]。血乳酸被称为“训练标尺” ，可用来评价运动强度，血乳酸峰值的时间点与训练强度、间歇时间及个体差异相关，运动强度越大，峰值越晚出现；可评价无氧供能能力，最大血乳酸浓度与运动成绩之间具有相关性；可以用来评价有氧运动能力，常用乳酸阈指标。血尿素与人体运动时的机能状态、疲劳度及负荷大小有关。通常30 min内的运动血尿素变化较小，只有时间上、强度大的运动才会造成明显的变化。

2.2 代谢能力评定

代谢能力评定分为磷酸原供能系统评定，糖酵解供能系统评定，有氧供能系统评定。其中有氧供能是人体长时间运动时的主要供能途径，有氧供能能力的高低决定长时间运动的能力，常用乳酸阈和最大摄氧量(VO2max)[6]来评定有氧供能能力，最大摄氧量可通过12 min测试法测得，计算公式如下。

式中:D12为12min跑的距离

2.3 身体机能生化综合评定

Florian等[7]通过研究发现压缩服减少了跑步和骑车后的肌肉酸痛，在耐力过程中以及运动后的肌肉氧合有所改善。运动时影响身体机能有多种因素，仅仅靠单项指标并不能准确地评定运动时的机能状态，每一指标具有单一的指向因素。因此，为了评定出准确的机能状态，可采用多指标、多因素的整体评定法。

3 骑行服对人体的影响分析

对骑行服产生直接影响的两个关键因素是设计和面料[8]。面料是典型的二维平面，而人体却是具有复杂曲面结构的三维组合体，二维面料附着在三维组合体表面必然会产生影响[9]，人体体型的身体曲率、脂肪含量、运动幅度和软组织结构等因素都会影响服装的穿着舒适性[10]。

3.1 服装压

服装压力可以分为垂直方向和水平方向。垂直方向是由服装本身的重量形成的，当人体的活动范围产生滑移而造成面料伸长，这一伸长力在法向上的分力就是水平方向的压力，二者形成了对人体的压迫感，如图2。

图2 服装压力分析

有研究表明，在运动过程中，服装给人体一个合适的压迫，会产生积极作用，可以减少肌肉的振幅和疲劳度，延缓肌肉的疲劳速率，相应地，若压力过大，对肌肉产生的是消极影响，会加速肌肉的疲劳。

服装的压力舒适性是评价舒适性的重要指标之一，纵观总体的服装压领域的研究发展趋势，从前人的服装压测量转变为服装压预测；从静态测量转变为动静态结合测量；从传统单一的测量工具转变为与计算机技术相结合[11]。其发展过程可概括为以下阶段，如图3。

图3 服装压的发展过程

由于技术的缺乏和限制，早期的发展时间较长，处于一个对服装压进行探索的阶段，对服装压的原理进行研究，定义其概念；中期发展集中在静态时的主客观压力值的测定上，及分析其影响因素；近期发展结合了动态力学，运用假人、有限元模型等在压力分布和预测上有了进一步的研究。

近年来，关于骑行中下肢压力的研究，2014年，贾瑶[12]通过对B型女子穿着正常尺寸骑行裤进行静态动态压力测试，发现确实存在压力值超过舒适范围，主要表现在臀腹部、腰部前后以及大腿前后部位，为非标准体型的骑行裤优化起到指导作用。

2016年，骆顺华等[13]为了研究周期骑行运动过程中下肢动态压力变化规律，使用日本AMI3037压力测试仪，将一个骑行周期分解成12个离散动作，实验结果表明:右踏板处于0~30°位置时，8个测量点动态压力最大；最小动态压力右踏板位于150°~180°的骑行姿势，其中大腿前中、大腿后中股内侧肌末端与股外侧肌末端的动态压力波动与对应肌肉拉伸量有很大相关性；腹部与臀部动态压力变化幅度很小；所有位置动态压力随样裤松量递减而线性增加。

2018年，张同会[14]选择了两种品牌的骑行裤，针对人体站立和骑行过程中的压力值选择了14个测试点，发现在骑行状态下的压力值是静态站立的2倍，且当右踏板位于0~45°时，测试点的压力值普遍最大。

2019年，黄倩[15]在研究基于服装压和皮肤血流量的紧身裤舒适性中，运用主客观综合评价法确定紧身裤各部位的舒适压范围，各部位的服装压力上限为膝盖骨中点>小腿中围后中点>大腿中围前中点>腹突点>臀突点。

从前人的研究文献中可以发现不同品牌的骑行裤产生的压力存在差异，但可以发现骑行中压力主要分布在前腰中点、后腰中点、大腿后中点、膝盖、臀凸点等部位，其中压力最大的是腰部，在3kpa~4.5kpa之间，根据人体服装压舒适范围(表1)，剧烈运动下腰部的舒适范围大约为6.36kpa~7.86kpa，大于骑行裤的腰部压力；小腿中点的压力在1kpa~2kpa之间，符合服装压舒适范围。

表1 人体服装压舒适范围

3.2 肌电

表面肌电信号是浅层肌肉和神经干上电活动在皮肤表面的综合效应，在一定程度上，表面肌电可以用来反映肌肉的活动状态。郭红生等[16]在固定功率的情况下测试得出在股内侧肌和股外侧肌的AEMG幅值一直是最高的，提示这是骑行中主要用力的两块肌肉，同时MF指标单调下降与主要用力肌肉密切相关，即疲劳也会往往最先出现。

常用的表面肌电的分析方法有时域频域分析法、时域联合分析法[17]等。时域分析法常用的指标有均方根值(RMS)和平均积分肌电值(iEMG)等，以此来分析随着时间的振幅特征变化，但有些信号在时域上很难看出变化，需要转换到频域观察其变化。FFT是离散傅里叶变换的快速算法，可以将信号的频谱提取出来，转换为功率谱，常被用于频谱分析，常用的指标有平均功率频率(MPF)和中位频率(MF)。表面肌电信号会受到肌力变化、疲劳等因素的影响，肌力的变化和疲劳程度对频率和振幅的影响不具有同一性，为了更清晰地总结肌肉的情况，有学者总结出以下的幅频联合分析图，如图4，当肌力增大时，频率和振幅同步增大；当肌力减小时，频率和振幅同步减小；当肌肉产生疲劳感时，振幅增大，但频率减小；当肌肉在恢复状态时，振幅减小，但频率反而增大。

图4 幅频联合分析

3.3 服装压对肌电影响

关于骑行服装压力对肌肉疲劳的影响，2019年，程宁波[18]比较了男子低中高等压力的骑行裤，发现中高等压力在中后期的表面肌电信号影响较明显，低等压力无明显变化，证实了适当压力对肌肉疲劳有缓解作用。2019年，陈晓娜等[19]发现运动疲劳出现的时间主要集中在中后期，且裤装压力对肌肉疲劳的作用会因部位而异。2020年，沈云萍[20]对骑行赛中服装压力对肌肉表现影响做了研究，总结出压力越大，肌肉得束缚也越大，一定程度上促进MF和RMS的增长，在后期减小振幅，延长运动时长，但压力对于主要发力肌肉起到束缚作用。

根据前人的学术研究来看，穿着骑行裤站立时的静态压力比骑行中的动态压力要小很多，骑行中下肢动态的压力值会根据踏板的角度不同而产生差异，并且骑行中0°、30°、45°、150°、180°等是测量压力值中几个重要的角度点，所以对于连续骑行中的动态压力研究是有必要的，骑行裤也应根据不同部位做出对应的松量大小调整。

4 骑行过程皮肤拉伸

在选择骑行裤的面料时，面料的弹性是一项重要的考量因素，骑行中尤其下肢的皮肤反复收缩，裤子的松量以及弹性拉伸程度需要满足皮肤的拉伸范围，骑行运动中腿部、腰部、臀部运动激烈，容易造成皮肤拉伸，带动贴身面料变形。因此，皮肤拉伸状况是值得研究的一项因素。

2013年，杨娟等[21]根据骑行动作的分析对骑行裤进行结构优化，发现其中腰围、臀围、前裆、后裆和腿长的变化量较大，而腹围、大腿根围、膝围和小腿中围的变化量较小。但膝关节的变化幅度大，结构上应对膝盖的前片加长，后片收省，以减少面料堆积。[22]

2016年，黄莉等[23]采用三维运动捕捉系统研究了骑行姿态下腿部的拉伸大小，发现主要集中在大腿外侧和膝盖区域，小腿内侧的腓肠肌的纵向拉伸最为明显，并且最终确定了4个拉伸的关键姿势，分别是0°，54°或256°，219°和180°。2016年，王永荣等[24]采用人体贴线法针对上坡、平地、下坡这三种路况分别测试4个关键骑行动作进行分析，结果表明骑行中上半身基本呈收缩状态，后背隆起呈拉伸状态，但变化率不足5%，腰围到小腿围总长呈收缩状态，变化较小；在下坡中肩宽的缩小程度最大，达14.26%，背宽在平坡和上坡中变化率在25%以上；腰围在骑行中增大，在下坡中腰围变化最大，上坡时最小。此外，胸围、大小腿围基本不变。

2017年，骆顺华[25]采用凝胶拓印法对骑行中男子下肢的皮肤进行研究，得出腹部的形变率达到－29%，腹股沟的形变达到－13%，大腿前中的形变率达到10.7%，膝盖的纵向变化率比横向要大许多，大腿后中的形变率最小，膝窝的纵向变化率为－35.1%，横向变化率为－28%，并且建议膝盖和膝窝的部位考虑分割设计，给下肢足够的松量活动。

2018年，陈子豪等[26]在探究下肢各部位皮肤在骑行中的变化方向和大小时，发现下肢带皮肤的主要路线是腰部—臀部—腿部，尤其腿部用力肌肉变化较明显。2020年，王二会[27]在对骑行动作下的紧身裤版型进行优化时，通过体表画线法分析得出，前腰横向拉伸，向收缩较大，后腰纵向拉伸较大；臀部拉伸状态较大；大腿前部横向拉伸，后部横向收缩纵向拉伸，前后、横纵向呈相反趋势；小腿后部横向拉伸大，前部纵向收缩；正面大腿、膝部、小腿内侧横纵向拉伸形变基本一致。表2是部分人体部位在骑行过程中的形变率。

表2 部分人体部位的变化率

关于骑行中下肢拉伸的研究有多种姿势分解和路况分解，测量方法也有多种，如体表画线法、人体贴线法、三维运动捕捉法、石膏法[28]、凝胶拓印法等，即便最终结果存在差异，但从总体上可以归纳出人体的拉伸情况。骑行中上半身受路况影响较大，基本呈收缩状态，但形变量较小，背宽在平坡和上坡中比下坡变化大，腰围在下坡中变化大；下肢各部位的尺寸拉伸形变复杂且差异性较大[29]，臀部、膝盖、小腿内侧的腓肠肌拉伸较明显，腹部、膝窝等收缩较明显，膝窝的纵向比横向的变化率大[30]。吴玉琴等[31]认为织物的拉伸比不能满足人体运动时的伸展变化，在版型和舒适性上有所缺陷。

5 结论

根据骑行动作的分解，一个循环里的0°、45°、90°、150°、180°是几个重要的角度点，并且也是压力测试的重要点，其中0°~45°是骑行周期中压力最大的部分，可以将这部分测试值作为压力优化的临界值，腰部的压力值较大，可以适当减轻骑行裤对腰部的压迫感，但松量不能过小，过小会导致失去功能性，适当的压力可以减缓肌肉疲劳，且压力大小与尺寸规格呈负相关。骑行中的动态压力比静态压力大很多，但各部位的变化趋势基本一致[32]。根据骑行中拉伸情况的分析，臀部、大小腿内侧的横纵向的拉伸较明显，运动中对应的部位也会被绷紧，由于骑行中的拉伸变化不存在一定的规律，所以只能通过面料的弹性来改善。建议在臀部以及大小腿内侧等部位提供氨纶含量，或者采用弹性好的面料组织结构。

目前关于骑行服的研究内容主要是服装压、表面肌电、皮肤拉伸这三方面，且服装压依然是骑行服中的重要研究内容。近年来，更多的学者逐渐往服装压与肌电之间的影响、服装压与皮肤表面拉伸情况之间的影响等研究方向转变，并不止于单方面的服装压、肌电或者拉伸的研究。此外，关于骑行服的研究，与其他领域例如运动力学、生物力学等结合也会成为热门趋势。