角肌等十組肌肉,實驗指出在動作時間內,後腿股直肌具有最大的積分肌電值,
而以後腿半腱肌為最小,上半身則以肱三頭肌為最高;肌肉活化程度提高的順序 則為雙腿股直肌、豎腰肌、闊背肌、中三角肌、肱三頭肌,其中股直肌在準備期 時已有較高之肌電值,其餘肌肉直到太極推前期快結束時,肌電值才突然提高,
此研究指出,肌肉活化的順序符合由近端肢段將角動量傳遞至遠端肢段的動力鏈 概念。
張選惠、黃志強、胡懷中與高興 (1990) 對陳小旺與陳正雷等九位陳式太極
拳大師們在陳氏太極拳不同招式中的肌肉活化反應進行研究,肌電電極黏貼於兩 側三角肌、骶棘肌、股直肌、腓腸肌等八個肌肉,研究發現,在掩手肱捶發勁時,
左三角肌、左股直肌、左骶棘肌、右三角肌、右骶棘肌、右股直肌、左右腓腸肌 依序發力,但所有肌肉的用力時間差僅在0.015秒之內,亦即在0.015秒內會動員 全身肌肉,暴發出極大力量,展現周身上下相隨的協調性。
第二節、電腦模擬之相關研究
以數學式建立生物力學模型,可協助瞭解人體的複雜動作、預測無法直接量 測的肌肉活化狀態、根據不同個體建立適合的個別模型更可評估肌肉活性改變後 的動作型態。
Neptune 與 Hull (1998) 利用實驗收集的六位受試者在 90 rpm 轉速及功率 225 W 的情境下踩踏自行車的動力學、運動學資料,驅動建立出的十五條肌肉的踩 踏中右腿模型,在最佳化演算下獲得模型在 90 rpm 轉速及功率 225 W 下踩踏自 行車時的肌肉活化時間與強度,成功重現了實驗中所獲得的肌電活化現象。
Spägele, Kistner 與 Gollhofer (1999) 建立了一個由九條肌肉-肌腱組織所作動 的三肢段的下肢模型,模擬由向上推動、飛行、落地三個時期所組成的實際垂直 跳,在給予髖關節適當限制以及由測力板所測得之地面反作用力後,計算出最小 肌肉激發下的肌肉活化狀況並與實驗中由肌電圖儀所測得之肌電活化相比對,使
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得預測與實驗之間可獲得相近的結果。
Asakawa, Blemker, Rab, Bagley 與 Delp (2004) 則以電腦模擬的方式評估 手術的效果,其做法為先在模型上將肌肉的附著位置改變,模擬改變後的走路型 態,作為手術時,肌肉附著位置更改的依據,該研究結果顯示此種方法可有效預 估術後的動作及成功率。
Thelen 與 Anderson ( 2006) 採取正向動力學法,利用 computed muscle control (CMC) 演算法,計算出肌肉活化模式並以之驅動具有 21 個自由度及 92 條肌肉 的人體模型,使模型動作符合實驗所得之 10 個健康年輕成人的步態,模擬出的 關節運動學參數與肌肉活化的順序皆與實驗所得數據相近,此方法可將各肌肉的 活化程度作為輸入變數,驅動人體骨骼肌肉模型,依此評估不同肌肉活性下的肢 體動作反應,獲得調整後的動作表現,藉此完成動作最佳化的目標,並可以模擬 結果先行評估該種訓練方法的合適度,作為擬定訓練計畫的依據。
Ma, Zhang, Chablat, Bennis 與 Guillaume (2009) 則用虛擬人體模擬技術,藉 由給定將肌肉或關節張力減到最小之目標函數,設計出最佳化的工作姿勢來防止 或減少在工廠工作檯工作時的潛在肌肉骨骼病變。
近年來也有許多利用 AnyBody 軟體進行的研究,Damsgaard, Rasmussen, Christensen, Surma 與 de Zee (2006) 指出 AnyBody 模擬軟體能夠分析人類或其他 生物的骨骼肌肉系統,而除了人體骨骼肌肉,模型還可外加物體與負荷,並與特 定動作特徵相結合,給定完整的邊界條件,完整模擬欲分析之動作。
de Zee, Hansen, Wong, Rasmussen 與 Simonsen (2007) 使用 AnyBody 並結合 文獻中的資料,建立出一個由 7 個骨節、18 個自由度與 154 條肌肉所組成之腰 椎模型,並提供給各研究團隊使用,但針對各別的研究仍須進行修改模型的步驟,
以獲得有效的模擬結果。
而早在 2002 年,Rasmussen, Damsgaard, Christensen 與 Surma 便從人因工程 的觀點,針對手持鋸子鋸物的動作做最佳化的研究,其給定兩目標函數分別為使
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代謝量最小 (最有效率) 及使肌肉最小負荷 (傷害最小) ,設計出不同動作模式 與鋸子造型,而其結果亦會受到各別受試者的人體測量參數影響。
Dubowsky, Rasmussen, Sisto 與 Langrana (2008) 建立一推輪椅的上肢骨骼肌 肉模型,收集受試者以自選速度推進輪椅時的運動學、動力學與肌電圖資料,受 試者的運動學與動力學資料被用來驅動模型,模擬計算出之肌肉活化與實驗所得 相比對,平均絕對誤差 (MAE) 僅達 0.165,此模型經過各別受試者的修正後,
將可用來模擬出使得肩關節最少受力的推進輪椅之動作模式,可對手動推動輪椅 者在肩關節疼痛減緩上有所幫助。
Grujicic 等人 (2010) 利用 AnyBody 建立肌肉骨骼模型,以模擬方式對長途 駕駛疲勞進行研究,模型中包含座椅的設置,研究對人體與座椅的相互關係進行 逆動力學計算,並以最小疲勞設定為目標,結果顯示,座椅設定 (位置、角度等)
、駕駛員後背部的支撐與座椅內的襯墊物對肌肉活化、關節受力、軟組織的正向 力與剪力有複合式的影響。
Han, K. S., Zander, T., Taylor, W. R.與 Rohlmann, A. (2012) 使用 AnyBody 在 舊有的脊椎的肌肉骨骼模型上,再增加了骨節間的短肌肉、腰椎的韌帶及椎間盤 的勁度作為變數,對數種日常活動中的脊椎負荷相對於站立時的脊椎負荷做計算,
並將計算所得的結果與人體實際測量所得數值相比對,最大僅有 9%的差異,該 研究認為在模型上完整建立肌肉與韌帶結構才能獲得正確的脊椎受力。
Zhou, L., Bai, S., Hansen, M. R.與 Rasmussen, J. (2011) 則利用幾何數學分析 模型與 AnyBody 的人體肌肉骨骼模型,預測手臂運動時的代謝量消耗,並對手 臂平面運動做最佳化軌跡的分析,同時將兩者所得結果與參考模型相比較,發現 人體骨骼肌肉模型在預測代謝量方面有較高的準確性。
在包括上述的過去的最佳化研究中,常常是建立好模型後,調整輸入變項,
以獲得不同的結果變項,藉由結果變項的比較來決定最適當的輸入變項,例如 Kim, Lee, and Kwon (2012) 即以模擬方式,對史密斯訓練機作出改良,將原本槓
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鈴軌跡由垂直地面升降改為向後傾斜 10.7∘,結果發現對於股外側肌、股內側肌、
股直肌、股二頭肌的訓練效果較原來更好。但電腦模擬軟體的另一個功能,能給 定模型一目標,經過複雜的數學運算,產生能達成目標之動作,在此過程中,人 體的運動學資料將會產生某一程度上的改變,此功能在 AnyBody 中被稱為
「Posture and movement prediction」,為本研究所採用,這種藉由給定目標使模型 產生動作的分析亦可以正向動力學法進行,Fluit, van der Krogt, van der Kooij, Verdonschot, & Koopman (2012) 即建立了一個可由力矩驅動並預測步態之三維 人體正向動力學模型,並與 AnyBody 之逆動力學模型相比較,藉由輸入質心速 度、步長、步寬三個步態參數,再經過二次動態控制矩陣的計算 (van der Kooij, Jacobs, Koopman, & van der Helm, 2003),使正向動力學模型產生步態,其關節角 度、力矩、地面反作用力結果與實際逆動力學之步態仍有差異,但為外科手術後 之步態預測方法又邁進了一步。