编著者自20 世纪80 年代大学学习期间就开始编写计算机程序，进行了流体力学和固体力学方面的推演计算。在以后的硕士、博士及博士后学习期间又一直借助自己编写的计算机程序，进行有关人体运动的多刚体系统动力学、人体心血管系统应激反应等方面的建模仿真研究。从事体育工作以来，坚持带领课题组开展有关人体运动（特别是运动专项动作技术）的生物力学建模仿真研究。写一本关于人体系统建模仿真理论与应用相结合的专著，是我多年来的夙愿。
现在终于完成了。
郝卫亚
2024 年6 月10 日
于北京亦庄
人体运动是人类最基本的活动方式之一。人体运动的本质是人体肌骨系统在神经系统的调节控制下，肢体环节遵循着力学规律在空间中运动。人体运动科学历来是人类最关注的研究内容之一。生物力学能够定量阐明人体的运动是如何发生的，以及人体结构、形态和功能与力学之间的动力学关系。自21 世纪以来，随着计算机科学与技术的迅猛发展，人们利用计算机软件系统，整合运动相关的人体肌骨系统的解剖特征、肌肉力学和神经-肌肉控制生理机制、刚体力学和固体力学等知识和原理，结合人体测量学参数、人体环节惯性参量、人体组织力学参量和医学影像学等测量数据，建立描述人体不同运动形式的生物力学模型，并进行了大量的计算机仿真研究。由于建模与仿真方法不像实体实验测试受到伦理、技术、资金和时间等诸多因素的限制，可获得很多人体和动物实验无法测量的指标，因此近年来有关人体运动的生物力学建模与仿真取得了很大的进步。
体操运动员落地神经力学特征研究
后空翻对于体操运动员而言，是非常基础的动作，在训练和比赛中会经常用到，由它可以发展出许多复杂的动作，以及组合动作。以下展示了国际级水平的体操运动员在后空翻落地过程中下肢运动学、动力学和表面肌电等指标的变化特征。体操运动员在落地前需要伸展身体以增加转动惯量，为落地减小身体转动角速度创造条件。触地前，下肢关节主动屈曲，并在落地冲击初期继续快速主动屈曲，而在落地冲击末期尽力伸展，以抵抗落地冲击，维持身体的姿态。通过对体操运动员后空翻落地动作的研究，分析他们在落地过程中的下肢关节运动控制策略，拓展了人们对于体操落地的理解，并为体操运动员落地训练和预防损伤提供了理论指导。
▲ 红外反光Markers 和EMG 传感器在体操运动员身上的位置（A～C），LifeMod 仿真软件中建立的19 个环节人体模型（D）
▲ 后空翻落地关键瞬时示意图
T0. 预激活阶段，触地前100ms；T1. 落地冲击初期，从触地到PvGRF；T2. 落地冲击后期，从PvGRF 到vGRF回到1 倍体重
▲ 后空翻落地中下肢关节的角度（A、B）、角速度（C、D）和力矩（E、F）。人体骨架模型展示了落地过程中4 个关键帧的身体姿态（触地前100ms，触地瞬间，PvGRF 时刻，以及vGRF 回到1 倍体重时刻）。整个落地过程被实垂直线分为三个阶段：T0. 预激活阶段，触地前100ms；T1. 落地冲击初期，从触地到PvGRF；T2. 落地冲击后期，从PvGRF 到vGRF 回到1 倍体重
《人体运动生物力学建模与仿真：从基础到应用》（郝卫亚等编著. 北京：科学出版社，2024.6）旨在系统阐述人体运动的生物力学建模与仿真的基础理论和应用方法。在内容选择上，按照学科的科学性和系统性，形成了较完整的知识体系。本书首先从人体运动的生理功能和解剖结构、力学基础理论和系统建模仿真三个方面，综合阐述了人体运动的生物力学建模与仿真的基础理论与方法；然后选择性地编入了一些代表性的应用研究，包括人体基本动作和运动专项的生物力学建模与仿真研究。这些运动专项包括体操、跳水、跳台滑雪和自由式滑雪空中技巧，这些专项都是技巧性项目，生物力学在其动作技术中发挥着关键作用。
本书第1～3 章为基础理论与方法部分。第4～7 章为本书的应用研究部分。
第1 章简要介绍人体运动的生理解剖学基础，包括骨骼肌肉系统、肌肉活动与肌肉力学，以及神经系统对躯体运动的调控。
第2 章简要阐述了人体运动的力学基础，包括经典力学基础、固体力学基础、人体测量学和骨与软组织的力学性质，其中经典力学基础是运动生物力学最重要的内容，涵盖刚体平面运动、分析动力学和多刚体动力学三个方面的内容。
第3 章阐述了人体运动的生物力学建模与仿真的基本原理，包括系统仿真学科中的建模与仿真的基本理论、方法与步骤，以及人体运动生物力学模型的建立和人体运动的计算机仿真、神经肌肉骨骼的数学模型、人体运动的控制等。
第4 章介绍了人体生物力学建模与仿真在站立、步态分析、跑步、跳远、跳高和跌倒等动作方面的应用。
第5 章以体操项目为例，介绍了生物力学建模与仿真在起跳动作研究中的应用，包括跳马踏跳和推手，以及平衡木起跳等高水平运动员完成高难度动作的技术研究。
第6 章也以体操项目为例，说明生物力学建模与仿真在落地动作研究中的应用，包括高水平运动员跳马和自由操落地动作中的下肢负荷和神经力学特征，以及关节有限元分析等内容。
第7 章涵盖了多个项目空中动作的生物力学建模与仿真研究，包括跳水、体操、跳台滑雪和自由式滑雪空中技巧等。
在规划本书的过程中，曾经有意撰写有关人体系统建模仿真的著作，不仅包含人体运动，还包含生理系统（如心血管系统）的建模仿真研究内容，但唯恐力有不逮，最终只编写了人体运动方面的内容。在编写过程中又发现，即使人体运动的生物力学建模仿真研究，也包罗万象。人体基本动作就有很多类型：站立、行走、跑步、起立、坐下、卧倒、跳跃、击打、投射、砍击、攀爬、推、举、踢、蹬等。至于体育中运动专项中的动作，则更是变化万千。针对这些动作的生物力学建模仿真，自然就无穷无尽，大量内容还有待进一步研究，无法在一本书中一一讨论。不仅如此，人体运动的生物力学建模仿真的应用领域也很多，除了人体基本动作和体育领域，还有交通安全、航空、航天、人因工程、临床医学、康复医学和工程、公共安全、外骨骼、机器人、人工智能等领域。近年来，人工智能、可穿戴传感器和大数据技术等新型科技手段也逐渐向生物力学领域渗透，人体运动的生物力学建模仿真也面临着新的发展机遇。总之，因受到本人学识与能力等因素的限制，本书放弃了很多原来计划编入的内容，大量有趣、有意义的研究内容都有待进一步充实。
本书的研究内容和出版工作得到了国家自然科学基金（ 10972062 ，11672080、12372323）、国家重点研发计划（2017YFC0803802）及国家体育总局体育科学研究所基本科研业务费（基本24-43）等的支持。
本文摘编自《人体运动生物力学建模与仿真：从基础到应用》（郝卫亚等编著. 北京：科学出版社，2024.6）一书“前言”“后记”，有删减修改，标题为编者所加。
责任编辑：李 悦 赵小林
本书系统、全面地论述了人体运动的生物力学建模与仿真的基础理论，以及部分应用研究。本书首先从人体运动的生理解剖学基础、力学基础理论和系统建模与仿真三个方面，综合论述人体运动的生物力学建模与仿真的基础理论与方法；然后介绍了人体基本运动动作，以及体操、跳水、跳台滑雪和自由式滑雪空中技巧运动专项中运动员动作技术的生物力学建模仿真研究。特别在应用研究中介绍了作者团队长期研究的结果，部分代表性的研究内容注重人体运动的生物力学建模与仿真在体育运动中的应用。
本书可作为高等院校体育、力学、物理、工程和医学专业高年级学生，以及研究生学习和研究的参考书，也可供有关教师和科研、工程技术及临床医学工作者参考。
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