Рассматриваемая с более общей точки зрения, наука о движении человека — биомеханика, стала развивается с середины 20-го века благодаря плодотворным обменом с более традиционными областями исследований, такими как биология, психология, социальные науки. Биомеханика человека стала привлекать и более поздние науки, такие как вычислительные, робототехнику и виртуальную реальность.
Но можно обнаружить следы заботы о понимании человеческого движения в более древние времена.
Вспомним основные этапы этой области исследований, которые позволяют значительно продвинуться в понимании человеческого поведения.
История науки о человеческом движении
Начиная с древности, можно обнаружить следы интереса, к телу и движению человека или животного.
- Благодаря своему медицинскому подходу Гиппократ (460-370 гг. до н.э.) использует гипотетико-дедуктивную логику для описания суставных ран.
- Древнеримский медик Гален (131-201) изучал анатомию животных, затем человеческое тело и движения в качестве врача гладиаторов. Врачи древности закладывают первые камни научного подхода к телу и движению, несмотря на множество ошибок, связанных с запретом римского права вскрывать трупы.
- Гениального Леонардо да Винчи (1452-1519) в эпоху Возрождения получил первые подробные описания механики движения. Движение у Леонардо да Винчи воплощено в его анатомических исследованиях, и его живопись раскрыла природу, истину тела, динамику жизни. В области анатомии Леонардо да Винчи особенно увлекался движением проно-супинации, о котором он отлично овладел механизмом. Его страсть к анатомии для него невозможна в компетенциях, которые должен приобрести художник, чтобы быть максимально реалистичным. Основываясь на своем вскрытии человеческих трупов, он был первым, кто связал мышечное действие с ограничениями, которым подвергается кость. Он конкретизирует мышечно-сухожильную функцию, изобретая скелетные модели, в которых связки заменяют мышцы. В его работах дается объяснение работы тела человека и его мышечно-сухожильного блока, применяемого, например, к сгибанию локтя, в котором сравнивается сила и теория рычага. Он страстно увлечен антропометрией, проводя настоящий сеанс акушерства. Анатомия, миология, антропометрия, их множественный подход позволяют ему придать своим картинам то измерение, которое нам знакомо.
- Большой вклад в изучение механики движений был внесен Галилеем (1564-1642). Этот итальянский физик и астроном заложил первые камни кинематики, создав вместе со своей механикой новый подход. Действительно, он противопоставил законы наблюдения и измерения.
- Еще один шаг в понимании человеческого движения был сделан Джованни Борелли (1608 − 1679).
Джованни Борелли
Итальянский физиолог и физик, внесший большой научный вклад в биомеханику. Он был первым, кто объяснил мышечное движение и другие функции тела в соответствии с законами статики и динамики. Он попытался объяснить связь между внутренними силами и мышечными сокращениями. Борелли предположил, что мышцы не осуществляют жизненно важное движение иначе, как путем сокращения и, таким образом, отрицал корпускулярное влияние на движения мышц. Он также признал, что движение вперед влечет за собой движение центра тяжести тела перемещающегося вперед и последовательное покачивание конечностями для поддержания равновесия. Его исследования также выходили за рамки мышц и передвижения.
Борелли в настоящее время считается отцом биомеханики человека.
Биомеханика изучалась с помощью хронофотографии
Затем прошло много времени, прежде чем был сделан новый большой шаг в анализе человеческого движения или биомеханики человека. Это стало возможным с появлением фотографии. Французские исследователи Жорж Демени и Этьен Жюль Марей выполнили значительный объем работ, фотографируя движение людей и животных с использованием последовательной фотографии, то есть хронофотографии (камера с неподвижной пластиной, а позже подвижной пластиной, 1882-1888). В начале хронофотографии (1872) количество кадров составляло от 16 до 18 кадров в секунду. Такой медленный поток создавал впечатление отрывистых изображений. Марей сначала фиксирует движение центра тяжести с помощью кинематографии, позволяя рассчитать проделанную работу и силу импульса и вывести величину движения. Затем он использовал динамограф — устройство для автоматической регистрации мышечной силы.
Несколько лет спустя (1878) в Соединенных Штатах Эдвард Муй Бридж использовал несколько камер для захвата движения на фотографиях с остановкой действия и свой зоопраксископ, устройство для проецирования движущихся изображений, которое предшествовало гибкой пленочной ленте, используемой в кинематографии. Он продолжал проводить множество исследований животных и людей в движении, фиксируя то, что человеческий глаз не мог различить как отдельное движение, подтверждающие теорию.
Интересно отметить, что эти очень инновационные работы Муй Бриджа в Соединенных Штатах и Демени и Марея во Франции по кинематике и динамике на самом деле не получили распространения в последующие десятилетия. Их работа, вероятно, в основном рассматривалась как иллюстрация возможностей, предоставляемых технологией фотографии.
Эта технология также, вероятно, была слишком продвинута вперед по сравнению с научными исследованиями того времени. Например, не было возможности выйти за рамки этой описательной стадии и принять во внимание мозговые механизмы, которые управляют такой сложной последовательностью движений.
Современный научный подход к движению
Один из главных вопросов науки о движении человека касается контроля движения. С середины двадцатого века было предложено несколько теорий для объяснения его принципов. Биомеханика человека иногда находилась в прямой оппозиции, и дискуссия между несколькими концепциями управления движением все еще открыта.
Когнитивный подход
Когнитивный подход базируется на знаниях к человеческому движению и был разработан во второй половине 20 века. Согласно этому подходу, человеческое существо рассматривается как система обработки информации, которая действует на основе знаний и ментальных представлений с вычислительным расчетом. Система обработки информации, как тайны мозга, позволяет осуществлять различные операции на уровне восприятия, принятия решений и моторики для производства и управляющих действий.
Когнитивный подход определил двигательную программу как набор мышечных команд, которые являются структурами до начала последовательности движений и которые позволяют выполнять последовательность без влияния периферийных обратных связей. Это определение реализации двигательной программы с исключительным прямым управлением было быстро оспорено, а затем дополнено определением управления с обратной связью, основанной на контурах регулирования. Модели, предложенные на этом уровне, были вдохновлены кибернетическими моделями, в которых команды системы регулируются заданными эталонными значениями. Учёные предположили, что двигательная программа регулируется на основе следа восприятия, соответствующего копии исходной программы и позволяющей корректировать движение в процессе выполнения, когда обнаруживаются ошибки между первоначальным планом.
В 70-е годы велись дебаты по определению соответствующей части прямого управления и управления с обратной связью. Эта дискуссия была урегулирована консенсусом, который состоялся с учетом того, что соответствующая часть обоих режимов управления изменялась в зависимости от поставленной задачи и индивидуального уровня знаний.
Движение зависит от информации, силы, энергии
Современный подход к движению человека может быть определен различными уровнями анализа — от макроскопического и поведенческого подхода до микроскопического и нейромышечного подхода. Основная критика, заключается в том, что все эти новые теории не способны предложить общую модель понимания человеческого поведения. Биомеханика не учитывает роль информации и поэтому рассматривает человека как ящик, который отключен от окружающей среды.
Необходимы различные уровни анализа соответствующие основным сущностям в ответе на вопрос, как возникает движение, это: информация, сила, энергия и материя.
Вокруг информации, силы, энергии и материи расположены дисциплины современного подхода к науке о движении человека: биомеханика человека, экологическая психология и нейронные сети. Подход, связанный с восприятием информации с основной идеей, что восприятие управляет движением и позволяет генерировать силу, и наоборот, генерация силы изменяет восприятие.
Биомеханика человека позволяет анализировать сложные движения либо с помощью аналитического и описательного подхода, либо с помощью механического моделирования, чтобы охватить эту сложность с помощью макроскопического подхода.
Психологи, работающие в области двигательного контроля, пытаются объяснить биомеханические и психологические свойства системы человека на более общем уровне анализа.
Нейронная сеть мозга устанавливает связь между информацией и материей, конфигурируя нейроны и силу их связи.
Будущее науки о движении человека
Будущее науки о движении человека заключается в том, чтобы соединить различные области, например, для изучения сложного двигательного поведения с полным моделированием.
Наука биомеханика человека должна учитывать, как информация регулирует силы, моменты, координацию между конечностями, с полным обзором того, как нейронная сеть создает эту синергию. Это означает, что ученый биомеханик должен иметь более сложное образование с большим количеством компетенций в разных областях или создавать сложный проект с несколькими исследователями, чтобы иметь всю группу компетенций для этого.
Этот комплексный подход станет возможным благодаря новым технологиям, которые позволят анализировать более сложные перемещения в естественных условиях. Миниатюризация технологии и инструменты (GPS, акселерометр, датчики положения, давления, указатель направления и т.д.), вероятно, ускорят этот процесс рационализации науки о движении человека. Эти достижения будут полезны во многих областях, таких как образование, эргономика и спортивная подготовка.
