人体在跨越坑洞步态中能量调控、额状面角动量与内外侧稳定裕度的功能权衡机制研究

本研究针对不平坦地形行走时人体如何调控总质心(CoM)能量、额状面全身角动量(H)和内外侧稳定裕度(MoS)这一关键问题，通过三维运动捕捉和肌电分析技术，揭示了18名健康成年人在坑洞跨越步态中存在的功能权衡机制。研究发现坑洞跨越时总CoM能量和角动量波动范围显著增加，而内外侧MoS降低，证实了肌肉激活模式优先支持能量调控而牺牲角动量控制的策略，同时足部着地位置的适应性调整虽有利于角动量控制却会降低稳定性。该研究为理解复杂地形行走的神经肌肉控制机制提供了新视角，对康复医学和外骨骼设计具有重要指导意义。

　　

行走是人类最基本的运动方式，但在现实环境中，我们常常需要应对各种不平坦的地形。坑洞、台阶等障碍物不仅增加了行走的难度，也大大提高了跌倒的风险。据统计，老年人跌倒中有相当比例是由于未能成功应对地面高度变化导致的。那么，人体是如何在跨越坑洞这样的复杂地形时保持平衡和稳定的呢？这正是Adamantios Arampatzis团队在《Annals of Biomedical Engineering》上发表的最新研究要回答的核心问题。

以往研究表明，在不平坦地形行走时，人体需要同时调控多个生物力学参数：总质心(CoM)能量、额状面（即左右方向）的全身角动量(H)，以及内外侧稳定裕度(MoS)。这些参数之间可能存在相互制约的关系——比如增加肌肉活动可以帮助吸收或产生能量，但同时也会增加角动量；调整足部着地位置可以控制角动量，但又可能影响稳定性。这种功能权衡(functional trade-offs)的机制尚未被充分理解。

为探究这一问题，研究人员设计了一项精巧的实验。18名健康成年人（5女13男）在特制的18米长走道上进行水平行走和坑洞（深15cm）跨越测试。通过19摄像头红外运动捕捉系统(250Hz)和无线表面肌电(2000Hz)同步采集下肢22个标记点的三维坐标和7对下肢肌肉活动。关键创新在于同时分析了准备步（跨越前）、坑洞步（跨越时）和恢复步（跨越后）三个阶段的全套生物力学参数，包括关节角度、CoM轨迹、角动量、稳定裕度等。

主要技术方法包括：1）使用Vicon系统获取全身运动学数据，依据Maiwald方法确定足部触地和离地时刻；2）基于Dempster人体测量学数据计算CoM能量（势能mgh_CoM+动能1/2mv_body^CoM2）和角动量（H=Σ[(r_i^CoM-r_body^CoM)×m_i(v_i^CoM-v_body^CoM)+I_iω_i]）；3）采用Hof提出的外推CoM法计算内外侧稳定裕度；4）使用Zajac肌肉激活模型处理肌电信号，考虑不同肌肉的慢/快肌纤维组成。

研究结果揭示了三个关键发现：

能量调控机制

在准备步阶段，受试者通过增加对侧腿（非跨越腿）的踝背屈和膝屈曲幅度（p<0.05）主动降低CoM高度，使势能减少13%（图3）。肌电显示股四头肌出现双峰激活模式，第二峰与能量吸收显著相关（p<0.001）。跨越步时，跨越腿比目鱼肌(SOL)激活增加173%（p<0.001），通过提前跖屈帮助缓冲冲击（图5）。这些调整使总CoM能量波动范围较水平行走增加70-549%（图2）。

角动量控制

跨越步时跨越腿三头肌（SOL+GM+GL）和股四头肌（VL+VM）的加权激活与额状面角动量范围呈显著正相关（p<0.001）。尽管受试者采用将腿更接近垂直轴（内外侧腿角减小33%）的策略减小地面反力力臂（从4.4cm降至3.3cm，p=0.011），角动量波动仍增加70-97%（图2），单腿支撑期角动量变化率增加72%（p<0.001）。

稳定性代价

上述足部着地策略虽有助于角动量控制，却使跨越步触地时的内外侧稳定裕度从4.5cm降至3.1cm（p<0.001，d=1.05）。准备步的稳定裕度也显著降低（5.5cm→5.0cm，p=0.039），表明稳定性被部分牺牲（图4）。

讨论部分指出，这项研究首次系统揭示了坑洞跨越步态中存在的三重功能权衡：1）能量调控需要增加肌肉激活，但会加剧额状面角动量；2）减小足部着地力臂可控制角动量，却会降低稳定裕度；3）双关节肌（如腓肠肌）通过膝-踝能量转移协调关节运动。这些发现为理解复杂地形行走的神经肌肉控制提供了新框架，特别指出老年人跌倒风险可能源于这种权衡能力的下降。

该研究的实际意义在于：1）为康复训练提供新靶点——应同时训练能量吸收和角动量控制能力；2）提示外骨骼设计需考虑各参数间的相互制约；3）建立了评估动态平衡的多参数体系。未来研究可拓展到老年人和神经系统疾病患者，进一步验证这些机制在跌倒预防中的应用价值。