浅水行走的能量消耗机制：浮力与阻力的力学平衡及其对人类水生运动适应的启示

《PFLUGERS ARCHIV-EUROPEAN JOURNAL OF PHYSIOLOGY》：An in-depth look at shallow-water walking: the mechanical determinants of the energy metabolic cost of shallow water walking in humans

本研究针对浅水行走(SWW)中能量代谢成本(COT)的机械决定因素展开深入探索，通过构建并验证一种结合浮力与流体阻力作用的生理力学模型，揭示了不同浸水深度（膝至剑突）与行走速度（0.2–0.8 m/s）下能量消耗的优化策略。结果表明，最小COT出现在髋部浸水深度（0.2 m/s），且仅在膝部浸水时呈现J形速度-成本关系；代谢功率在自选速度下跨深度保持稳定。研究进一步发现存在一接近人体质心的浸水深度阈值，超过该阈值游泳比行走更经济。该模型精准预测了实测COT（R2=0.76），为理解人类在水环境中的运动适应性提供了重要理论依据。

　　

人类在陆地上的行走通常以中等速度最为节能，其能量消耗与速度间呈现经典的U形曲线。然而，当环境变为水体，浮力与流体阻力两大因素显著改变了运动的力学基础。浅水行走（SWW）作为陆地行走在水中的适应性行为，虽常见于康复训练和日常活动中，但其能量消耗的机制一直缺乏系统模型阐释。尤其值得关注的是，浮力减轻了体重负荷，而阻力却随速度和浸没体积增加，二者如何共同影响能量优化策略？不同水深下，人类是会坚持行走，还是转而选择游泳？这些问题对理解人类运动适应性及设计水上康复方案具有关键意义。

为解决上述问题，André Ivaniski-Mello 等人在《PFLUGERS ARCHIV-EUROPEAN JOURNAL OF PHYSIOLOGY》发表研究，通过实验测量九名健康男性在四种浸水深度（膝、髋、脐、剑突）和四种速度（0.2、0.4、0.6、0.8 m/s）下的能量消耗（COT），并构建了一个基于对抗浮力修正体重和流体阻力所作机械功的生理力学模型。该模型首次将浮力与阻力整合，用于预测SWW的COT，并通过与游泳及陆地行走（包括模拟低重力条件）的对比，揭示了水深与速度对能量优化的交互影响。

主要技术方法

研究采用水下运动实验结合间接测热法（使用K5便携式气体分析系统）测量代谢功率；通过防水摄像机采集运动学数据，并基于分段锥台模型和条带理论估算阻力；利用表观体重计算平均垂直地面反作用力（GRF_v），以表征浮力效应；通过多项式回归和留一法交叉验证（LOOCV）验证模型鲁棒性。

研究结果

浅水行走的能量消耗与力学响应

COT随浸水深度和行走速度增加而显著上升（深度主效应p<0.001，η2=0.33；速度主效应p<0.001，η2=0.60），且存在深度×速度交互作用（p<0.001，η2=0.43）。最小COT出现在髋部深度、0.2 m/s速度下（1.3 J/kg/m），而非中等速度。阻力（DrF）与COT高度正相关（r=0.88），而GRF_v（反映浮力）与COT负相关（r=-0.39）。仅在膝部浸水时，COT-速度关系呈J形，类似陆地行走的优化模式；更深水深下，曲线变为单调上升，表明阻力主导能量消耗。

生理力学模型的验证

模型计算的预测COT（COT_predicted）与实测值高度一致（R2=0.76，p<0.001）。留一法交叉验证R2=0.75，Bootstrap分析R2=0.70（95%CI: 0.60–0.79）。敏感性分析显示，肌肉效率（假设为0.25）和体重±10%变动引起COT_predicted反向等比例变化，而速度±10%变动因阻力平方效应导致COT_predicted放大变化约±20%。

浅水行走与游泳、陆地行走的对比

在低速（<0.36 m/s）下，所有水深SWW的COT均低于游泳；但在脐部和剑突深度，速度超过0.36 m/s后游泳更经济。等效成本点分析表明，仅在深层水深存在行走向游泳的转换阈值（脐部：0.36 m/s；剑突：0.26 m/s）。与陆地行走相比，SWW的等效成本速度随水深增加而降低（膝部0.49 m/s → 剑突0.25 m/s），凸显阻力对经济性的负面影响。

自选速度下的能量调节

自选行走速度随水深增加而下降（膝部0.62 m/s → 剑突0.43 m/s），但代谢功率却保持稳定（约2.1–2.9 W/kg），提示代谢功率（而非COT）可能是水深变化时速度选择的主要调节变量。

结论与意义

本研究通过构建首个整合浮力与阻力的SWW生理力学模型，明确揭示了水深与速度对人类水生运动能量优化的共同作用：最小COT出现在浮力减重与阻力尚未显著升深的髋部深度低速条件；而水深超过质心附近阈值时，游泳成为更经济的选择。这一发现不仅量化了水环境对人类运动能量消耗的力学影响，还为康复训练中水深与速度的参数优化提供了理论依据。此外，研究提出的模型为未来探索特殊人群（如老年人、神经肌肉疾病患者）的水中运动适应性奠定了基础，凸显了人类在陆地与水生环境间运动策略转化的生理学智慧。