2022年3月13日，第13届冬季残疾人奥林匹克运动会在北京顺利闭幕，中国代表团以18金20银23铜共61块奖牌的优异成绩位居奖牌榜断层式第一，创造了中国冬残奥的新历史。2018年以来，清华大学摩擦学国家重点实验室的季林红教授作为“科技冬奥”重点专项“冬残奥运动员运动表现提升的关键技术”项目的负责人，组织和带领智能与生物机械团队开展攻关工作。充分利用摩擦学国家重点实验室在生物机械和康复工程方面的研究优势，将生物力学理论成果，肌群评测的技术手段和调整方案，专项技术动作的模拟平台和个性化辅具设计技术紧密结合，完成了国家队残疾人运动员的异常体态和肌群差异性评价，肌群差异的调整辅具训练和器材调整设计，降低残疾人运动员群体肌群差异性的任务。团队坚持理论结合实际，实现了自主知识产权的训练装备和个性化辅具的实际应用，研究成果整体改善了残疾人国家队运动员的肌群差异性，降低了运动损伤概率，提升了运动员的训练表现，为本次冬残奥会上中国残疾人体育代表团六大项目实现全项突破和奖牌数断层式第一起到了助力作用。

冬残奥会冰雪项目的残疾人运动员局部肢体失能或缺失，比如截肢，截瘫，儿麻等，其身体发力特点有别于普通运动员，具有显著差异性。残疾人运动员不能顺利完成某些正常人常规的体能训练。我国冬残奥项目发展晚，底子薄，训练技术和辅助器械方面不能满足残疾人运动员的特殊需求，肢体残疾导致某些体能训练无法完成，容易出现运动员身体肌肉发展不平衡、不对称的问题，即残侧肌肉得不到运动刺激萎缩，健侧肌肉因大量刺激而健壮，残侧健侧不平衡的肌肉牵拉骨骼影响体态，严重的肌群失衡导致异常体态，而异常体态反过来又会影响运动员的训练效果和赛场表现。不均衡的肌群也会影响专项技术动作完成的规范性，进而影响运动员的运动表现。另外肢体功能障碍或缺失导致其他部分肌肉代偿，造成代偿肌肉的过度使用引发劳损和疼痛。如何将残疾人的肢体失能或缺失对人机肌群均衡性的影响降到最低，是提升残疾人运动表现和减少运动损伤的关键问题之一。季林红团队分别从异常体态和异常专项动作的现象出发，从量化评估体态与肌群差异性入手，开发出一套肌群和专项技术动作不对称性的评估技术，并发展出调整不对称性的辅具和器材的设计方法。

运动员异常体态示例（左：盆骨前倾；右：脊柱侧弯）。

1. 肌力不对称评价

团队开发了包含体态，关节活动度，躯干肌群肌电和下肢平衡能力四种维度的肢体不对称评价系统。

体态评价：团队使用Qualisys Tracking System动作捕捉系统，在人体躯干28个骨性标志点上粘贴反光标志，6个近红外动作捕捉相机实时捕捉反光标志点的三维空间位置。通过计算在运动员自然状态下静止站立时标志点之间的相对坐标位置确定肩部、脊柱、盆骨的空间位姿。

动作捕捉系统测试

关节活动度：关节活动度由关节周围肌肉牵拉产生，关节活动范围受制于主动肌与拮抗肌的长度和收缩能力。组成脊柱的椎体在冠状面和水平面上具有一定相对移动的能力，因而人体躯干关节可以左右旋转和偏移。这两个运动主要牵涉躯干核心肌肉。核心肌肉肌力对称的肌体，其躯干左右旋转、偏移所能达到的最大旋转、偏移角应基本相同。反过来，躯干关节左右活动的最大活动角之差，可以用来评估躯干核心肌群的对称性。双侧躯干最大旋转角和偏移角由动作捕捉系统给出。运动员在实验员指示下尽量转动双肩、尽量侧倾躯干，计算每次测试最大处双肩峰连线与盆骨双髂前连线的夹角。

躯干肌群肌电对称度：对于同一块肌肉而言，表面肌电信号的强度与肌力大小呈正相关关系。理想状态下，机体左右两侧对称的两块肌肉，其肌力-肌电信号强度之间的数值关系相同，在完成某些需要两边肌肉同等发力的动作时，两块肌肉的肌电信号强度亦应相同。实际情况中，二者往往有偏差。团队使用Delsys® Trigno便携式表面肌电仪记录运动员肌肉肌电信息，用左右侧两块肌肉在完成需同等发力的动作时的肌电信号强度偏差来评估肌肉的对称性。

肌电数据采集

下肢平衡能力：团队还使用Y型平衡能力测试架测试冬残奥运动员下肢平衡能力，运动员光脚单腿站立在平衡架中心板上，另一只脚向前、左、右三个方向推动测试板至最远处，记录每个方向的最远推动距离。

运动员下肢平衡能力测试

2019至2020年初，团队查访了冬残奥国家队一线运动员，建立运动员体态问题档案，团队于2021年3月再一次对运动员的体态及肌肉对称度进行了评估，为运动员冲刺阶段备赛训练提供依据。经过一年的备赛训练，很多运动员的肌力不对称性得到了改善，例如，首金获得者刘子旭在开展针对性训练后，竖脊肌的左右差异性从37%降低到13%，腹外斜肌的左右差异性从38%降到3%；高山滑雪两金得主张梦秋竖脊肌的不对称度从36%降到了11%，单板队金牌得主纪立家的竖脊肌不对称度从35%降到了17%，其他运动员也均有不同程度的改善，对运动表现提升起到积极效果。

此外，团队根据国际残疾人奥林匹克委员会（IPC）标准设计制作国内首款分级板，辅助分级师对运动员的残疾程度进行分级。在该分级板上，可以采集坐姿运动员的肌电数据，对运动员肌肉激活不对称性进行分析，辅助教练员开展针对性的训练优化。

团队制作分级板

2. 越野滑雪撑杆不对称评价

为了对越野滑雪运动员在滑雪过程中的撑杆力和肌力等进行定量评价，季林红团队在室内设计搭建了一套气动双无杆气缸式结构的越野滑雪模拟系统，运动员可以将自己的个性化滑雪架固定在合适的位置上，雪杖尖的支撑平台底部能够在导轨上移动，由气泵提供阻力，支撑平台中间是三维力传感器，表面是有台阶结构的硅胶表面来模拟雪地情况，利用该系统，运动员可模拟变阻力的雪上撑杆训练，可进行室内长距离滑雪模拟训练。同时团队自主研发了越野滑雪VR虚拟现实系统，画面会随运动员的撑杆运动而变化，并能够在屏幕上实时显现运动员的速度和加速度等运动数据。

利用该系统可以分析运动员左右撑杆动作的差异性，团队采集了运动员撑杆过程中的三维力与核心肌肉肌电数据，评估运动员运动过程中左右侧的撑杆推进力峰值、时间特性、以及核心肌群发力的不对称性。以坐式运动员为例，经测试，LW10/LW10.5级别的越野队员双侧推进力峰值差异平均值为2.61%，开始撑杆到撑杆力峰值时间为0.8s，背阔肌平均不对称度为9.2%；LW12级别部分运动员为3.12%，开始撑杆到撑杆力峰值时间为0.7s，背阔肌平均不对称度为31%。总体上来看，LW12运动员主要是大腿截肢的运动员，肌电激活和撑杆力的不对称是影响其运动表现的重要影响因素之一，而对LW10/LW10.5的运动员来说，撑杆时间特性显示出爆发力是影响其运动表现的原因。对所有坐姿运动员进行测试后，采用一策一案的方式，将每一位运动员的运动学、撑杆力和肌电等数据撰写成中英文双语报告，提供给冬残奥越野队的教练，为运动员的个性化训练方案提供参考。

室内模拟滑雪训练系统

3. 体能训练辅具辅助调整不对称性

通过一系列的测试发现，残疾人运动员肌力不对称问题较为突出，这是影响了他们的运动表现的重要因素之一，容易导致部分肌肉的过度疲劳损伤。改善肌力不对称问题需要为残疾人设计专用的训练辅具。训练辅具的调整能够通过周期性的训练来改善运动员自身肌群的不对称性，可以改善运动员的基础能力。运动员的残疾类型和残疾程度有个体性差异，季林红团队基于运动员的个人需求和残疾特点，一人一案，设计制作了个性化的训练辅具。经过调研测试，团队采用亲肤的低温热塑性材料。这种材料能够在特定温度下软化，可较好的贴合运动员残肢端形状，并根据运动员的训练需求，设计制作成相对应的端口情况，以上肢截肢运动员为例，对俯卧撑训练，上肢辅具要做端口平切处理；对推举杠铃训练，需要在端口增加杠铃杆约束设计。对于提重物训练，需要在端口做承力挂钩结构。定型后进行冷却，再用绑带进行松紧约束调整。经过测试，制作的辅具能够达到运动员训练的承重要求，并且能够在运动员使用过程中方便的进行局部调整。团队为肢体残缺的运动员，制作了多种个性化的专项训练辅具，辅具的个性化设计能够适配运动员的残肢形状，辅助运动员完成之前因肢体残缺无法实现的体能训练，包括俯卧撑、平板支撑和卧推等，应用在单板和高山等上肢截肢运动员的日常训练中，让残肢侧缺乏训练的肌肉得到充分锻炼，从而增强弱侧能力，降低两侧肌群的不对称水平，从而能够在一定程度上降低运动员的损伤概率，提升运动员的基础能力和运动表现。

肘下截肢运动员在辅具帮助下做俯卧撑训练

肘下截肢运动员在辅具帮助下做卧推训练

小臂畸形运动员在辅具帮助下做俯卧撑和拉力训练

4. 人机界面上的个性化约束调整不对称性

坐式残疾运动员在比赛中需要依靠坐式滑雪器，比如高山滑雪坐式运动员需要坐式高山滑雪器，器材如果没有和运动员的残疾状况适配，也会导致不对称现象，影响运动员发力，进而影响运动员的运动表现。以高山滑雪为例，LW12的截肢运动员在滑雪座舱内的约束方式导致对残肢的约束不足，实际滑雪中残肢容易在座舱中晃动，无法有效传力，运动员对左右转弯的控制能力不同，导致左右转弯半径不同，影响运动表现，也增加了损伤的概率。季林红团队利用自主研制的分级板模拟座舱约束对运动员肌力不对称性进行测试，并测试了残肢端的个性化约束调整对不对称性的影响。测试发现，对运动员添加特殊约束，即通过对残肢的额外约束来对残肢做固定，可降低残疾运动员肌肉激活度的差异程度，数据具有显著差异。腹直肌和腹外斜肌在各个运动中的不对称度均从大于10%降到了低于5%。如高山坐姿滑雪运动员张海原在对残肢进行约束后，腹直肌的激活不对称度降低了78%。改善了肌肉的整体发力差异性，肌肉协调发力更均衡。团队提出在坐式座舱内对截肢运动员增加个性化约束的建议，被外教迅速采纳并应用于刘思彤和张海原的日常滑雪训练中。在冬残奥会期间，刘思彤等高山坐姿滑雪截肢运动员的座舱中使用了个性化的约束配置征战比赛，在滑降，超级全能，大回转和回转比赛中都有突出表现。

分级板约束测试

某高山运动员前倾运动肌肉不对称度均显著降低且发力更均衡

高山运动员（TAA）残肢优化约束后腹直肌RA和腹外斜肌EOA不对称度显著降低

残肢约束方案应用在高山滑雪国家队运动员的座舱中

在北京冬残奥会备战和参赛过程中评测和改善残疾人运动员肌力不对称问题的一系列科技成果的成功应用，让肌力不对称问题及其改善措施和辅助器械设计技术在残疾人体育和运动辅具领域都获得了高度关注。我国上冰雪的三亿人中有相当一批残疾朋友，随着肌力不对称评估技术和辅助器械设计技术的发展，将帮助残疾人朋友更多的接触冰雪运动，降低损伤率，提高运动能力，助推残疾人用运动辅助器械的技术产品推广及产业化能力建设，为提升残疾人参与体育运动的热情，提高残疾人社会融入感、自信心和身体素质贡献力量。