奥运金牌背后只是汗水和泪水吗？其实也离不开运动科学

原文以Smarter, not harder为标题

发布在2017年9月7日的《自然》专刊上

原文作者：Tim Hornyak

尤塞恩·博尔特在今年八月的伦敦世锦赛上遭遇失利并随后退役，但他依然保持着历史上人类最快的奔跑纪录。虽然牙买加“闪电”早已是赛道上一股超强的自然力量，但当他在2016年里约奥运会上赢得100米、200米和4x100米比赛，史无前例地实现“三三连冠”时，他的表现还是令人惊叹到无以复加的地步。当时一名解说员说，“这样的人我们从未见过，以后也不会再看见了。”

插图：Miles Donovan;；照片来源：Getty， 从左至右: 朝日新闻社，视觉中国，共同通讯社

尽管北京奥运会上的一枚金牌因队友内斯塔·卡特的兴奋剂违规而被收回，博尔特的成就变成了“二三连冠”，但这位短跑运动员表现出的绝对优势依然让人既惊又奇。为了探其究竟，评论家和公众不得不从科学中寻找答案。

短跑运动员在体型方面面临着一种矛盾：身高越高的运动员步伐越长，这意味着他们跑完赛程所需的步数也越少，但长腿移动起来更费力，而个子矮的运动员步伐频率更快，因此一般趋向于步长与频率之间的平衡。大多数短跑运动员都没有人们想象的高——不会比6英尺（1.83米）高太多。

有鉴于此，博尔特的身高成了他最不同寻常的身体特征。“博尔特身高1.96米，非常高，比赛中身体重达90-93公斤。这使他在最快奔跑阶段的大跨步可达2.77米。”芬兰于韦斯屈莱大学（University of Jyväskylä）运动生物学家Antti Mero表示。他曾于2013年合作发表了一篇研究博尔特最佳百米赛跑表现的文章（M. Krzysztof and A. Mero J. Hum. Kinetics 36, 149–160; 2013）。“尽管博尔特很高，但他的步伐频率也相当快，每秒可达4.49步。博尔特可以凭借他的步长和步速胜出。” 

全球范围内对运动科学的投资热潮和科研兴趣使这一领域迅速发展，从一个名不见经传的生理学分支学科一跃成为彰显转化科学影响力的典型代表。

运动科学家得到的公共拨款在过去二十年大幅增长，但公共部门只是该领域的经济驱动之一。在利润丰厚的赞助和自然竞争环境的刺激下，运动和竞技体育机构都投入了大量资金来开发更多有据可循的运营方式。

例如，世界知名的巴塞罗那足球俱乐部于今年3月公开了其“创新中心”，宣布将与“来自全球的著名品牌、大学、研究中心、初创公司、企业家、学生、运动员、投资人及战略家”开展合作。

科学家除了研究顶尖运动员何以表现超群，也越来越关注体育活动背后的科学以及体育活动对每个人的意义。2015年，美国国立卫生研究院（NIH）宣布要在未来五年拨款1.7亿美元资助科学家研究运动过程中及运动后的分子变化，以了解运动对人体的影响。

NIH院长Francis Collins宣布这项研究时表示：“掌握这些信息后，科学家和医生有一天或将可能给不同年龄段的人提供最佳运动建议，也可以给有特定健康需求的个人提供准确而有针对性的生活建议。”换言之，运动及其益处将可以被量化，运动将可以像药品一样按需开给个人。随着对运动医疗效益的研究不断深入，运动科学也获得了越来越多的支持。美国、英国和日本都有专门的大学院系，甚至整个大学研究这一新兴学科。

新技术

自1954年医学生Roger Bannister实现了人类四分钟跑完一英里的突破后，运动科学至今已取得了长足进步。运动员们不仅将一英里（约合1.6公里）跑用时缩短了17秒，还将现代工具和分析融入到了训练和比赛中。人造跑道和低摩擦泳衣已经帮助顶尖赛跑运动员和游泳运动员将速度提到了新高度，同时运动员的体格也在变化，今天的职业篮球运动员比70年前的球员高约10厘米。

在纽约一家私立机构“运动科学实验室”工作的运动科学家、生物力学家Juan Delgado 说：“运动科学将心理学、生理学和医学原理与康复及运动表现相结合，这种独特的组合使我们得以了解运动前后及运动过程中人体是如何工作的。”

Delgado表示，运动科学的目标是运用科学手段帮助运动员充分发挥潜能，运动科学可以帮助运动员弥补弱点，增强实力并降低受伤的可能。

这家于2015年成立的“健身-研究”一体实验室运用一系列技术，为从篮球、射箭到综合格斗的各类运动员提供帮助。运动员在这里接受全面评估，测量其身体指标和移动速度，并对其动作、感觉运动能力、视力敏锐度和深度感知能力进行评估。例如，对于赛跑运动员，分析师会进行一系列测试来判断其肌肉表现，以及是否应对训练方案进行调整。

Hexoskin智能运动背心配有惯性测量装置和传感器，可以记录肌肉电活动、呼吸和心跳。记录的数据可以与运动员骨骼的3D图像一起实时显示。实验室还可以测试动作控制、地面支撑反作用力和等速肌力，帮助运动员评估弱势领域，提高其体能表现。

此外还有另外一个维度的训练。Delgado认为大脑训练，也称神经技术，可以增强大脑与肌肉的连接，提高运动员在体育运动中肌肉协调的效率。他给出的一个例子是使用Halo Sport耳机这样的“神经启动”设备，该设备能够向头皮和大脑传递电脉冲，据称可以使运动皮层神经元更容易建立神经连接。

据称运动员在热身中佩戴20分钟该设备，可以使这种“神经可塑状态”持续大约一小时。Delgado表示，该设备得到了2000多篇同行评议论文的支持。据报道，美国橄榄球队奥克兰突袭者的角卫T. J. Carrie因使用该设备，原地弹跳高度提高了18厘米。

Delgado说：“神经技术将听觉、动力和视觉刺激结合起来促进神经可塑性，运动科学的这一全新领域为传统的训练方式提供了更全面的方法，为现代运动员带来了优势。”

2017年三月初，综合格斗运动员Al Iaquinta来到实验室，想在四月份与对手Diego Sanchez比赛前修复轻微的膝伤，并开展训练。Iaquinta使用带有触摸屏电视的训练设备来锻炼手眼协调，并利用绑在手心可以测量节拍的传感器来训练节奏。此外，他还在零下183 °C、由氮气冷却的冷冻治疗室中待了长达3分钟，来减轻训练中的肌肉损伤。（科学界对使用冷冻疗法治疗肌肉损伤的有效性持不同意见。）

Iaquinta离开格斗赛场两年，赛前仅在实验室训练了40天，却在开赛铃响98秒后战胜了对手。Delgado说：“这是我们做的最成功的事情之一，这就是为什么我认为大脑训练是体育训练的未来。” 

用科学驱动体育

因东京将举办2020年夏季奥运会，日本投入巨资发展运动科学。首都东京有两个旨在提高本国精英运动员水平的机构：2001年成立的日本体育科学研究所（JISS）和2008年建成的国家培训中心（NTC）。这两所机构由日本体育理事会管理，官方称花费超过6.2亿美元。

JISS资助了约150名从生物力学到心理学的各学科研究人员。它拥有八层最先进的运动设施，有高性能健身房，也有生物力学实验室和生物化学实验室。在健身房中，运动员可以在测力板上完成动作，并通过多摄像机角度可视化检查姿势。此外还有磁共振成像（MRI）室、低温恢复间以及可以调节氧气水平的宿舍，后者可以帮助运动员准备在高海拔地区的比赛。

与之相邻的NTC的设施普通一些，但却覆盖广泛，从排球、羽毛球和篮球场地，到拳击场、柔道场和摔跤场，还有一个25米长的游泳池。日本各地的运动员来这里进行训练和咨询。

曾在2016年里约奥运会上夺得铜牌的16岁乒乓球选手 Mima Ito说：“我们通过反复观看自己的和竞争对手的录像，来找出彼此的弱点。”她在NTC的一个大场地里训练，里面充斥着乒乓球的声音。Ito不在大阪的俱乐部训练时，就会来NTC的训练营，这里的生物力学研究人员可以分析她打球的各个方面，如球的速度和旋转。

Ito在NTC的教练 Taisuke Matsuzaki说：“过去乒乓球运动员只能本着‘有志者，事竟成’的想法，非常刻苦地训练。但现在我们通过不断反观运动员的表现，来提高取胜的机会。我们重点关注力量训练，监测体重和饮食，不过我认为运动员所处的环境也是激发其动力的关键。”

在纽约的运动科学实验室，一位拳击运动员正在使用视觉模拟系统来提高反应。

Joseph Santangelo

“每一项运动都能从运动科学中获益，不同的运动甚至可以应用同一项技术，”在JISS从事女性健康和运动研究的Mariko Nakamura表示，“对于创造世界纪录，我认为这既需要运动员全力以赴，也需要辅导和训练跟上来。运动科学提供一个细微优势，就可能帮助他们创造出完全不同的结果。”

链球世家的动力学

原奥运会链球选手室伏广治从小就知道技术对于运动的重要性。室伏广治的父亲室伏重信曾参加过几届奥运会链球比赛，他的母亲Serafina Moritz是罗马尼亚标枪运动员。

上世纪六十年代，室伏广治的父亲从早到晚地训练，每天扔300次链球，成绩却越来越差。有一次他录下了自己训练的视频，才注意到自己的投掷方式出了严重错误，于是立即改正了。从那件事情之后，他坚持将儿子所有的比赛都录制下来，并和儿子一起观看。

室伏广治说：“作为一名运动员，你对自己有着主观的感觉，同时也有一种客观的感觉。我父亲坚信，你必须要客观地审视自己。甚至当我已经从他那里学到了他能教我的所有东西后，他还是总带着摄像机，让我能够看清自己的表现。”

无数次的回看收到了回报。室伏广治在全国和地区田径比赛中取得了成功。2003年，他创造了84.86米的个人最好记录，这也是链球运动史上排名第四的成绩。室伏广治在2004年雅典奥运会上夺得银牌，随后由于匈牙利选手Adrián Annus因兴奋剂违规被判成绩无效，这枚银牌升级成了金牌。雅典奥运会后，室伏广治对运动科学的兴趣更加浓厚，并于2008年在日本名古屋中京大学取得了体育博士学位。

室伏广治探索利用高科技手段来完善链球运动并加深自身对运动科学的认识。他与日本福冈系统、信息和纳米技术研究所的Ken Ohta以及东京庆应大学的Yuji Ohgi合作开发了一个配有传感器的链球原型，它可以帮助运动员提高运动表现。最初版本的链球在单次投掷后，内部的电子器件就会损坏，而现在研究人员已经使器件能够承受超过29米/秒的冲击速度。

该链球包括两个可以测量角速度的加速计，以及一个可以将数据无线传输到记录仪的装置，数据信息在记录仪中被转化为声音。根据链球旋转的速度，记录仪发出不同音高的声音，实时反馈正确的速度及投掷的时机。室伏广治将它描述为由人工智能支持的潜在“第六感”，可以协助和辅导运动员。

2014年东京医科牙科大学新成立了体育科学组织，室伏广治被任命为教授，并担任该校体育科学中心主任。除了为该校一年级医学生讲授有关运动益处的课程，他还与NBA马刺队前助理训练员Dice Yamaguchi等工作人员一同帮助运动员进行力量增强训练或伤病康复。

室伏广治的背景是生物力学，但他认为将生理学等客观学科纳入运动科学十分有益。他说，“任何可以让你从外部审视自己的学科都可以成为运动科学的一部分。对于你面临的挑战，科学也许不能给出所有答案，但至少可以告诉你发生了什么。”ⓝ

Nature|doi:10.1038/549S1a

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