Полный текст

Введение Медицину и спорт многое объединяет. Объектом воздействия выступает человек, а основная задача - качественное изменение свойств биологической системы (человека) за счет использования средств прямого и косвенного воздействия. В связи с высокой сложностью строения и функционирования человека и в медицине, и в спорте ведется непрерывный поиск новых, более эффективных средств воздействия. Внедрение новых технологий позволило выйти на более высокий уровень: эффект становится более контролированным, а средства - более целенаправленными. Приблизить новые разработки к особенностям человека получилось благодаря развитию антропоморфной мехатроники. Спортивные экзоскелеты Актуальность Основной целью спортивных экзоскелетов является управляемое и эффективное изменение свойств опорно-двигательного аппарата для достижения высоких спортивных результатов. Спортивный результат, определяемый и измеряемый различными способами, не позволяет выделить единичный фактор успеха в спорте. В спортивных состязаниях решающим может оказаться любой из многочисленных факторов: субъективное восприятие судей, психологический настрой, выбор тактики, физическая подготовленность спортсмена, эффективность техники двигательных действий спортсмена, межличностные отношения, просто случай и др. Поэтому в зависимости от специфики вида спорта ведущие факторы, а также пути их установления могут существенно различаться (например, в барьерном беге [12], велогонках ВМХ (Bicycle Moto eXtreme) [11] или хоккее [13]). Несмотря на прогрессивно развивающуюся спортивную науку, преобладающее количество вопросов, связанных с чётким определением факторов успеха в спорте, до сих пор остаётся без ответа. А это означает, что большинство традиционных подходов к тренировке спортсменов не имеет соответствующего научного обоснования. В разрабатываемых роботизированных комплексах основной упор необходимо делать на получение и учёт показателей, обладающих именно эмпирической информативностью [9] (а не только содержательной или логической информативностью), а следовательно, эффект выявленных факторов будет экспериментально доказан. На основе эмпирически информативных показателей создается уникальная педагогическая методика, учитывающая не только вид спорта, но и персональные характеристики спортсмена. Таким образом, главной отличительной особенностью использования спортивных экзоскелетов является современная научно-обоснованная педагогическая методика спортивной подготовки, позволяющая гарантированно повысить результативность спортсмена. Необходимо отметить, что бессистемная работа по различным факторам роста спортивных результатов может привести лишь к случайным изменениям, которые нельзя будет отнести к следствиям воздействия на спортсмена [2] (в том числе к следствиям педагогического воздействия). В связи с этим в конце ХХ века особую популярность получили фармакологические средства воздействия на спортсмена. Но вскоре этот путь роста спортивных результатов исчерпал свои возможности [19]. Поскольку цель соревновательной деятельности в большинстве видов спорта достигается посредством двигательной деятельности, то было выявлено, что в спорте наиболее важно не то, какой двигательный потенциал у спортсмена (способности, подготовленность и т.д.), а то, насколько спортсмен реализует свой двигательный потенциал в процессе выполнения соответствующих соревновательных двигательных действий. И ведущую роль в реализации двигательного потенциала спортсмена по результатам последних исследований авторы отводят именно технике соревновательного действия, которую использует спортсмен [8]. Именно поэтому подготовка спортсменов с применением экзоскелета в первую очередь должна обеспечивать совершенствование техники соревновательных упражнений на основе современных достижений науки в этой области. Стало очевидным, что назрела потребность в разработке и использовании подобных тренажёрных комплексов. Так, многие производители внедряют системы биологической обратной связи в стандартные комплексы (велотренажёры, тредбаны, шагомеры и др.), при этом принципиального изменения в самих устройствах не произошло, а совершенствование техники спортсмена посредством имеющихся на рынке тренажёров по меньшей мере сомнительно. Совершенствование техники соревновательных двигательных действий с использованием спортивного экзоскелета В состав соревновательных действий в зависимости от вида спорта может входить как одно двигательное действие, так и несколько двигательных действий. В связи с тем что человек представляет собой многозвенную систему, любое двигательное действие будет состоять из совокупности движений тела и его сегментов. Многозвенность системы в движениях человека предполагает многочисленность различных комбинаций, но из всех внешне схожих вариантов исполнения двигательного действия важны только особые комбинации, которые приведут к достижению конкретной цели - цели двигательного задания. Поэтому понятие «техника» в спорте определяется следующим образом: техника двигательного действия - это алгоритм движений сегментов тела, за счёт которых достигается цель двигательного действия [10]. Не всякая техника позволит спортсмену добиться высоких результатов, технику оценивают по таким показателям, как «рациональность» и «эффективность» [18]. Рациональность техники - это способ выполнения упражнения, который позволяет добиваться наивысших спортивных результатов [18]. Эффективность техники - показатель технической подготовленности, который характеризует степень близости техники данного спортсмена к наиболее рациональному способу выполнения упражнения [18]. Исходя из этих определений, если речь идет о совершенствовании техники соревновательного упражнения у конкретного спортсмена, работа должна быть направлена на повышение именно эффективности спортивной техники. В тех видах спорта, где результат определяется совокупностью выполнения различных соревновательных двигательных действий (или различимых самостоятельных элементов), выбор эффективных техник осуществляется в соответствии с предполагаемыми изменениями условий. Для каждого условия эффективная техника может быть «своя», с этим связано понятие «тактика» в спорте. Тактика - это совокупность эффективных техник двигательных действий, входящих в состав соревновательного действия, комбинация, благодаря которой достигается лучший результат [10]. Несмотря на то, что современные технологии позволяют детально рассмотреть различные показатели двигательного действия, а методы механико-математического моделирования способны в отдельных случаях получить прообраз эффективной техники, до сих пор существует проблема передачи информации об эффективной технике конкретному спортсмену. Формирование двигательной программы и успешная её реализация должны осуществиться самим спортсменом, а весь педагогический процесс направлен лишь на создание специальных условий, в которых спортсмен самостоятельно сможет сформировать новую двигательную программу и показать эффективную технику. Спортивные экзоскелеты способны создавать искусственную среду для целенаправленного формирования эффективной спортивной техники. Технология предлагает совершенно новый подход к передаче «спортивных» знаний, формированию умений и навыков. В отличие от привычной работы тренера по аудиовизуальным каналам (объяснения и показ) спортивный экзоскелет существенный объем информации передает через проприоцептивные каналы (ощущения) при выполнении реального, а не идеомоторного упражнения. Таким образом, контроль при управлении собственными сегментами тела спортсмена осуществляется самостоятельно на основе полученных данных от своего тела, а не вследствие образной обратной связи от тренера. В этом и заключается основной эффект воздействия на спортсмена, за счёт которого можно существенно повысить скорость передачи обучающей информации и как следствие скорость освоения эффективной техники. При проведении тренировочных занятий тренер в основном оперирует только кинематическими характеристиками движения спортсмена, в то время как спортсмен, исполняя двигательное действие, преимущественно контролирует лишь динамические характеристики движений (посредством информации, идущей от проприорецепторов). Поэтому крайне востребованным в спорте будет такого рода «переводчик» с языка тренера (кинематического) на доступный для понимания язык спортсмена (динамический). Кинематика спортивной техники Существуют виды спорта (например, эстетические), в которых рациональность техники уже определена правилами соревнований, и она может быть выражена в конкретных кинематических характеристиках (описание требуемой позы, геометрической фигуры траектории движения, строгие временны́е характеристики - ритм, темп и др.). В таких случаях обучение технике двигательного действия должно быть направлено на создание конкретной внешней формы движения, и спортсмену необходимо привить некоторую кинематику спортивного двигательного действия. В других случаях, когда, по мнению тренера, для достижения лучшего результата спортсмену необходимо изменить именно внешнюю картину движения, создаются трудности, связанные с передачей информации о кинематике, поскольку спортсмен оперирует на основе своих ощущений лишь динамическими характеристиками, а попытка тренера передать собственные ощущения спортсмену оказывается безуспешной из-за существенных различий в ощущениях разных людей (даже если разные люди выполняют одно и то же движение, различия в конструкции опорно-двигательного аппарата создают различную динамику и как следствие различные ощущения). За счет заданной двигательной программы активации приводов спортивного экзоскелета двигательное действие может быть выполнено с четко заданной кинематикой. Повторное выполнение заданной кинематики движения способствует появлению необходимой двигательной программы и формированию соответствующего двигательного навыка. Схожий подход был реализован и апробирован с использованием реабилитационных стендов таких производителей, как Biodex [20] и Cybex [21]. Упражнения на таких устройствах выполняются в заданном изокинетическом режиме, но одновременно может упражняться лишь один сустав (поскольку в конструкции только один привод). Возможности спортивных экзоскелетов позволяют одновременно и с заданным алгоритмом управлять всем арсеналом приводов конструкции. В случаях когда требуется передать кинематические характеристики движений звеньев тела от тренера спортсмену, некоторыми моделями экзоскелетов (рис. 1) предусмотрено использование разработанных и серийно производимых костюмов копирующего типа с обратной силомоментной связью (АО НПО «Андроидная техника») [15]. Кроме решения основных задач, связанных с совершенствованием техники, спортивный экзоскелет позволяет решить и другую, не менее важную проблему, возникающую при обучении заданной кинематике двигательного действия: при попытках повторить какое-либо двигательное действие по показу или рассказу тренера спортсмен либо может не справиться с новой для себя нагрузкой, либо достигнутые положения звеньев могут выйти за пределы прочности биологических тканей (что в результате приведёт к получению травм). Данная проблема в спортивном экзоскелете решается за счёт предварительно заданного анатомического (свойственного конкретному индивиду) диапазона движения в каждом отдельном суставе - ROM (Range of Motion) аналогично процедуре, выполняемой в Biodex System [20]. Если заданная двигательная программа выходит за пределы ROM, пользователь получит уведомление до её реализации (с предложением внесения соответствующих корректив), а во время работы тренера в костюме задающего типа он получит по обратной связи информацию о достижении анатомических пределов при выполнении задания спортсменом. Рис. 1. Костюм копирующего типа с обратной силомоментной связью «Аватар» [15] Факторы, снижающие травматизм Проведем анализ спортивного экзоскелета с позиции снижения травматизма на тренировках. Среди основных профилактических мер, снижающих травматизм, можно отметить следующие: · применение эффективной экипировки спортсмена; · уменьшение двигательной асимметрии спортсмена; · совершенствование технической подготовленности спортсмена [14]. В соответствии с первым пунктом спортивный экзоскелет является, по сути, эффективной (а самое главное - активной) экипировкой спортсмена. Прочность конструкции позволяет значительно снизить внешние негативные нагрузки. Во-вторых, спортивный экзоскелет позволяет решать задачу в двух направлениях: 1) своевременное выявление двигательной асимметрии спортсмена в целостном двигательном действии при помощи предусмотренных конструкцией силомоментных датчиков по каждой оси движения; 2) временная компенсация имеющейся двигательной асимметрии спортсмена за счет привлечения активных приводов (при невозможности демонстрации спортсменом требуемого момента силы в каком-либо суставе). Что касается третьего пункта, то проблема решается за счет совокупности различных преимуществ спортивного экзоскелета: заблаговременное выявление рисков при обучении технике двигательного действия, активная помощь при нестандартных ситуациях, обучение специальной технике, способствующей снижению травматизма. Отдельно следует отметить возможность непрерывного контроля динамических показателей (как внешних, так и внутренних сил) при выполнении спортивных упражнений. Динамика спортивной техники Как было отмечено, лишь некоторая часть спортивной сферы прямым образом связана с кинематикой двигательных действий спортсмена. Но и в этих, и во всех остальных случаях не следует забывать о том, что причиной любого движения является сила - динамическая характеристика. Внешним силам (сила тяжести, сила инерции, сила упругости, силы сопротивления среды и др.) человек противопоставляет свои внутренние силы - силы мышечной тяги. Управление движениями любой сложности осуществляется за счет своевременной и строго определенной активации соответствующих скелетных мышц. Всё это подчеркивает важность формирования динамической картины движения для окончательного формирования у спортсмена эффективной техники двигательного действия. До недавнего времени, выделяя в каком-либо сложном двигательном действии отдельные его части - движения, тренеры предлагали спортсменам набор вспомогательных и подводящих упражнений, которые, по заверениям различных специалистов, имели схожесть кинематической и динамической структуры с соревновательным упражнением. При этом допускалась серьёзная и грубая ошибка: не каждое отдельное упражнение позволит сформировать тот навык, который в чистом виде может быть использован в целостном соревновательном двигательном действии. В результате у спортсмена формировались двигательные программы, которые «конфликтовали» при выполнении соревновательного действия [3, 4]. Данная проблема в настоящее время решается следующим образом. Обращаясь к понятию «техника» [10], можно заметить, что интерес представляют лишь те движения сегментов тела, за счёт которых достигается цель двигательного действия. А значит, при обучении спортсмен, используя именно эти выделенные совокупности движений, учится на различном уровне достигать одну и ту же цель, обозначенную в двигательном задании. Поэтому при «расчлененно-конструктивном» подходе [3, 4] к обучению сложной технике двигательного действия принципиальное значение имеет то, что выделенные части двигательного действия должны достигать той же цели, что и целостное двигательное действие. В основу идеи такого строения двигательного действия положена концепция биомеханизмов [17]. Биомеханизм - это модель части или всего опорно-двигательного аппарата человека, обеспечивающая достижение цели двигательного действия за счёт преобразования одного вида энергии в другой или передачи энергии между звеньями тела [17]. Выделение соответствующих биомеханизмов в технике соревновательного упражнения позволяет выявить значимые факторы в достижении результативности [5], а также взаимодействие и вклад каждого биомеханизма в результат целостного двигательного действия [6]. В связи с этим успешность технологии спортивных экзоскелетов будет связана с возможностью эффективного обучения технике спортивных двигательных действий за счет использования концепции биомеханизмов. Традиционными методами оценить передачу силы и энергии между звеньями и контролировать это в процессе обучения практически невозможно. С учетом этого нет необходимости требовать от спортивного экзоскелета осуществлять целостное соревновательное упражнение, поскольку, как указано в правилах соревнований и по многим объективным причинам, спортсмен должен выполнять соревновательное действие самостоятельно, без помощи различных механических и других устройств (кроме инвентаря). А значит, основная функция экзоскелета - это создание благоприятных искусственных условий для формирования и повышения эффективности спортивной техники. Важно отметить, что динамические характеристики движений сегментов тела и паттерн мышечной активности, а в целом и техника двигательного действия будут существенно зависеть от внешних условий. Поэтому тренировочный процесс обязательно должен включать работу над эффективным выполнением двигательных заданий в определенных условиях. Максимальный тренирующий эффект будет достигнут в случае строгого регламентирования параметров внешнего условия, так как при повторных упражнениях в идентичных условиях возможна требуемая адаптация функциональных возможностей организма [3, 4]. В обычных (традиционных) условиях тренировки этого добиться практически невозможно, и единственный выход - максимально частое выступление спортсмена на различных соревнованиях. Неэффективность такого подхода очевидна. В современных комплексах спортивных экзоскелетов такое решение существует: максимально реалистичное воссоздание любых условий и внешних сред (например, гидродинамическое сопротивление) возможно благодаря особой активной работе соответствующих приводов, создающих специфическую нагрузку на необходимые суставы, а в совокупности с системой VR (виртуальной реальности) создает эффект полного погружения в заданные условия [15]. Таким образом, применение спортивных экзоскелетов не только повысит эффективность учебно-тренировочного процесса, но и выведет спортивную науку на качественно более высокий уровень (поскольку возможности механико-математических методов не позволяют получить реальную картину взаимодействия внешней и внутренней динамики при выполнении двигательных действий человеком). Медицинские экзоскелеты Восстановительная медицина Применение экзоскелетов в восстановительной медицине прежде всего обусловлено необходимостью комплексного решения в реабилитации больных с нарушением или утратой двигательной функции вследствие перенесенных заболеваний различной этиологии. При этом экзоскелет выполняет функцию механизма, задающего движение выбранного сегмента тела. Управление таким экзоскелетом осуществляется посредством специального интерфейса «мозг-компьютер». В результате достигается целостность цепи двигательного акта: принятие решения о выполнении движения - формирование потенциала действия (который передаётся на компьютер) - механический ответ (за счёт активации экзоскелета) - двигательная фаза - проприоцептивный ответ, поступающий в центральную нервную систему. В связи с этим наибольшую популярность такие системы получили в нейрореабилитации [1, 16]. Выполнение двигательных заданий вопреки нарушенной моторике активизирует компенсаторные механизмы мозга (нейропластичность), что приводит к восстановлению утраченной двигательной функции за счёт создания новых афферентных путей. Доказанный клинический эффект наблюдается при применении системы экзоскелета с интерфейсом «мозг-компьютер», причём на начальных этапах реабилитации рекомендуется использовать меньшее число степеней подвижности экзоскелета с последующим их увеличением (рис. 2) [1, 16]. Рис. 2. Комплекс экзоскелета кисти с двумя степенями свободы (НПО «Андроидная техника» совместно с Институтом физики высоких давлений им. Л.Ф. Верещагина Российской академии наук, проект «Пианист») [15] Подготовка медицинских кадров Задача подготовки медицинского персонала с применением роботизированных комплексов в целом совпадает со спортивными задачами, связанными с формированием устойчивого двигательного навыка и совершенствованием техники двигательного действия. Медицинский экзоскелет в таких случаях выполняет роль тренажёра для отработки структуры и заданных характеристик движения при выполнении соответствующих операций. Экспериментально доказаны значительные преимущества при обучении хирургов с использованием роботизированной симуляции по сравнению с иными методами [22]. Применение антропоморфных роботизированных устройств позволяет решать не только широкий круг практических задач, но и проводить фундаментальные исследования с целью получения данных и отработки гипотез о механизмах движений человека как сложной многозвенной системы, тем самым получая ответ на главный вопрос педагогики «чему учить?». Заключение Развитие направления по созданию и внедрению антропоморфной мехатроники в медицину и спорт имеет значительные перспективы, поскольку обеспечивается реализация новых возможностей на основе интеграции существующих достижений науки и современного уровня технологий. Использование спортивных и медицинских экзоскелетов позволяет с большей эффективностью решать задачи по формированию необходимых двигательных навыков человека и повышению его двигательных способностей, проявляемых в различных сферах деятельности человека. В дидактическом смысле антропоморфная мехатроника является мощным средством, благодаря которому осуществляется взаимный транспорт результатов фундаментальных и прикладных исследований, формирующих основу дисциплины «Педагогическая биомеханика» [7].

Об авторах

В. Г Медведев

Российский государственный университет физической культуры, спорта, молодёжи и туризма

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 164

PDF (Russian) - 72

Ссылки

• Ссылки не определены.