Совершенствование спортивных движений на основе смарт-технологий искусственной активации мышц

ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ И СПОРТА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОРТИВНЫХ ДВИЖЕНИЙ НА ОСНОВЕ СМАРТ-ТЕХНОЛОГИЙ ИСКУССТВЕННОЙ АКТИВАЦИИ МЫШЦ

В.Л. РОСТОВЦЕВ, В.Д. КРЯЖЕВ, ФГБУ ФНЦ ВНИИФК

Аннотация

В статье приведены результаты многолетних исследований возможностей управления движениями спортсменов на основе искусственной активации мышц с целью повышения спортивной результативности. Показано, что искусственная активация мышц с помощью устройств динамической электростимуляции, осуществляемая в наиболее ответственные моменты спортивного движения, повышает выходную механическую мощность при снижении метаболических затрат, что проявляется в повышении эффективности и экономичности передвижения в скоростном беге на коньках, велосипедном педалировании, лыжных гонках. Спортсмены превышали максимальную скорость и показывали лучший результат на дистанции за счет снижения кислородной стоимости метра пути. После проведения серии тренировок сформированный двигательный навык сохраняется, что проявляется в улучшении спортивного результата в соревнованиях. Для использования данного метода в естественных условиях тренировки разработана смарт-технология совершенствования спортивных движений, реализованная на основе специального мобильного приложения для смартфона и аппаратного программированного комплекса, монтируемого в спортивной экипировке. Испытание данной технологии в процессе подготовки квалифицированных спортсменов выявило удобство ее использования и эффективность, что проявилось в повышении спортивной результативности в гонке на лыжероллерах и легкоатлетическом беге.

Ключевые слова: техника спортивных упражнений, велосипедное педалирование, лыжные гонки, скоростной бег на коньках, легкоатлетический бег, динамическая электростимуляция.

Abstract

In the article results of long-term researches of possibilities of management of movements of sportsmen on the basis of artificial activation of muscles are resulted with the purpose of increase of sports productivity. It is shown that artificial activation of muscles with the help of devices of dynamic electrostimulation, carried out at the most crucial moments of sport movement, increases the output mechanical power with decreasing metabolic costs, which is manifested in increasing the efficiency and economy of movement in speed skating, bicycle pedaling, ski racing. Athletes exceeded the maximum speed and showed the best result at a distance by reducing the oxygen cost of a meter of track. After a series of training sessions, the generated motor skill is preserved, which is manifested in improving the sporting result in the competitions. To use this method in the natural conditions of training, a smart technology for improving sports movements has been developed, implemented on the basis of a special mobile application for a smartphone and a hardware-programmed complex mounted in sports equipment. The test of this technology for the process of training qualified athletes has revealed the convenience of its use and efficiency, which was manifested in improving sports performance in the race for roller skis and track and field athletics.

Keywords: sports exercise techniques, bicycle pedaling, cross-country skiing, speed skating, track and field running, dynamic electrical stimulation.

Введение

В течение многих лет во ВНИИФК в лаборатории биомеханики под руководством профессора И.П. Ратова проводилось исследование факторов, имеющих вклад в спортивный результат, и разработка методов управления дви-

жениями для повышения спортивной результативности. Обобщение проведенных работ позволило разработать теоретическую модель биомеханико-энергетических факторов, определяющих результат в циклических видах спорта (рис. 1).

Равномерность движения ОЦМТ

Наличие посторонних ^движений у

Величина

сил внешнего

сопротивления

Масс-инерционные характеристики телосложения

Качество спортивного инвентаря и покрытий

''Функциональное^ состояние опорно-двигательного аппарата

Рис. 1. Теоретическая модель биомеханико-энергетических факторов, определяющих результат в циклических видах спорта

Анализ этих факторов в сопоставлении с динамикой мировых рекордов позволяет считать, что прирост спортивной результативности вплоть до 70-80-х годов прошлого века происходил в основном за счет увеличения метаболической мощности (МПК); скоростно-силового потенциала мышц и увеличения емкости энергетических источников (кислородного долга) посредством выполнения большого объема тренировочных нагрузок в аэробной зоне; увеличения объема нагрузок силового характера для увеличения объема мышц и увеличения интенсивности тренировок. Дальнейший рост спортивной результативности обеспечивался уже повышением эффективности и экономичности, но в основном за счет улучшения качества спортивного инвентаря, снижающего сопротивление внешней среды, и улучшения взаимодействия спортсмена с опорой, а также «естественной селекцией» спортсменов по антропометрическим признакам, дающим им биомеханические преимущества.

На наш взгляд, возможности повышения спортивной результативности за счет улучшения экономичности

и эффективности спортивных движений далеко еще не исчерпаны. В соответствии с теорией управления движениями, разработанной И.П. Ратовым [5], значительные резервы в повышении спортивной результативности лежат в перераспределении усилий в системе двигательных звеньев и в улучшении межмышечной и внутримышечной координации. Так, наблюдаемая в исследовании [2] более высокая экономичность движения высококвалифицированных конькобежцев была обусловлена упорядоченностью работы мышц, что проявлялось в снижении суммарной электроактивности в цикле скользящего шага и в повышении ее значений в наиболее ответственный момент - одноопорном отталкивании. Такое перераспределение уровней мышечной активности может быть достигнуто при использовании методического приема искусственной активизации мышц с помощью динамической электростимуляции непосредственно в спортивном движении. Экспериментальное исследование этого подхода в группе квалифицированных спортсменов показало, что через 10 опытных занятий у конькобежцев

существенно улучшаются показатели техники, а спортивный результат на дистанции 1500 м улучшался в среднем на 1,1-1,9 с, на дистанции 3000 м - в среднем на 1,52,3 с [9]. Аналогичная картина наблюдалась и в велосипедном педалировании [3, 4]. Так, при использовании ЭМС коэффициент использования импульса силы возрастал на 13%, что приводило к увеличению максимальной мощности и скорости педалирования на 5 и 2% соответственно. Кислородный запрос на преодоление дистанции 4 км со скоростью 40 км/час снижался на 14%, что свидетельствовало о существенной экономизации движений.

В модельном эксперименте по воспроизведению рекордных режимов на дистанции 1000 м в условиях велотренажерного стенда [10] спортсменки высокой квалификации смогли удерживать скорость 15 м/с, в среднем на 10,07 с дольше. При этом пройденный путь составил 846,3 ± 106 м, что на 177 м больше, чем в обычных условиях. Достижение этих высоких показателей было обусловлено снижением кислородной стоимости метра пути в среднем на 21,8 м/с при той же величине кислородного запроса на всю работу в первом и втором случае. Механическая эффективность при этом возросла с 14,2 до 18,7%. Замечательным является то, что достигнутая с помощью динамической ЭМС экономичность движения сохраняется после серии тренировок и в обычных условиях.

Методический прием искусственной активизации мышц в спортивном движении был с успехом апробирован в лыжных гонках [6] и в легкоатлетическом беге [1]. Однако из-за технических сложностей реализации этого метода он тогда еще не нашел широкого распространения.

В последнее время благодаря развитию IT-технологий были разработаны прикладные программы для мобильных телефонов - смартфонов, позволяющие регистрировать скорость и дистанцию, преодолеваемую спортсменом, регистрировать ЧСС, время опоры и полета, величину вертикальных колебаний тела, рассчитывать лактатный порог и VO2 max [11]. Появившиеся новые возможности позволили нам поставить задачу разработки

смарт-технологии управления движениями спортсмена с помощью ЭМС на основе мобильного телефона.

Цель работы - разработка смарт-технологии совершенствования спортивных движений и ее апробация в тренировочном процессе.

Методы и организация исследования

На основе авторского свидетельства [7] было изготовлено устройство регистрации кинематических параметров движения нижних конечностей с помощью микроакселерометров и микрогироскопов, зашитых в спортивные шорты, где размещен и микроэлектромиостимулятор, работающий от батарейки телефона. Вес всего устройства не более 50 г. Специально разработанное для смартфона мобильное приложение позволяет выбирать точку начала воздействия на кинематической кривой, амплитуду и длительность управляющего импульса. Блок-схема управления движениями спортсмена представлена на рис. 2.

Рис. 2. Схема управления движениями спортсмена на основе смарт-технологии искусственной активизации мышц

Сигнал датчиков обрабатывается и регистрируется. В нашем случае мы регистрировали угловые скорости бедра. Электроды, вшитые в спортивные шорты, накладывались на четырехглавую мышцу бедра. При достижении максимальной угловой скорости включался электростимуляционный сигнал, длительность и амплитуда которого регулируются (рис. 3).

град/с

2 ООО 2 050 2 100 2 150 2 200

2 250 2 300 2 350 2 400 2 450 Отсчеты

2 500 2 550 2 600 2 650

Угловая скорость

Стимуляция

Рис. 3. Включение стимуляционных импульсов. Их длительность и амплитуда синхронизируются с динамикой угловой скорости бедра

Данная схема управления разработана для совершенствования в важнейшей фазе движения - отталкивании в лыжных гонках, легкоатлетическом беге и скоростном беге на коньках. В легкоатлетическом беге время подачи стимуляционного импульса должно сдвигаться вперед на 20-30 мс.

Оптимальные для каждого спортсмена параметры управления подбирались опытным путем. Для этого спортсменам давалось задание преодолеть 10 коротких отрезков, чередуя нагрузку в обычных условиях с движениями со стимуляцией. При правильном подборе параметров управления, скорость преодоления отрезков со стимуляцией достоверно выше. После настройки работы прибор работает автономно, уже без мобильного телефона и очень удобен для тренировки.

Апробация метода проводилась с группой квалифицированных лыжников и бегунов на средние дистанции. После 10 тренировочных занятий спортсмены участвовали в соревнованиях. В июле 2017 г. 8 квалифицирован-

ных лыжников и 6 квалифицированных бегунов на 400 м тренировались с использованием метода искусственной активизации четырехглавой мышцы бедра в движении. Для отработки режимов стимуляции и определения срочного эффекта лыжники на лыжероллерах преодолевали на подъеме отрезок 100 м с максимальной скоростью, чередуя один отрезок со стимуляцией с одним отрезком без стимуляции. Спортсмены преодолели всего 10 отрезков через 5 минут активного отдыха после каждого. Бегуны аналогичным образом выполняли 10 раз по 30 м со старта. На последних 20 м дистанции регистрировалось время с помощью электронного секундомера с лазерными датчиками с точностью 0,01 с. В дальнейшем спортсмены провели 10 тренировочных занятий с искусственной активизацией мышц в соответствии с тренировочным планом. До и после тренировочной программы проводилось тестирование лыжников на дистанции 5 км, бегунов - 200 м. Результаты эксперимента представлены в табл. 1.

Таблица 1

Срочный и тренировочный эффект от использования смарт-технологии управления движениями спортсменов

Спортсмены Срочный эффект Тренировочный эффект

Лыжники Время сократилось в среднем на 0,53 с на дистанции 100 м Результат на дистанции 10 км улучшился в среднем на 27,3 с

Легкоатлеты Время сократилось в среднем на 0,06 с

Представленные в таблице данные указывают на то, что срочный эффект управления движениями на основе смарт-технологии проявляется повышением максимальной скорости передвижения на лыжероллерах на 3,3%, а в беге - на 2,9%. Спортивный результат после 10-дневной тренировочной программы на дистанции 10 км при передвижении на лыжероллерах улучшается в среднем на 27,3 с, а в беге на 200 м - на 0,38 с.

Обсуждение результатов исследования

Полученный результат вполне прогнозируем и подтверждает данные ранее проведенных исследований [4, 9, 10]. Однако эксплуатационные возможности аппаратно-программного комплекса, вмонтированного в спортивную экипировку и мобильное приложение, значительно превосходят ранее используемые устройства. Данный комплекс является универсальным и может использоваться для управления движениями без переделки в различных двигательных локомоциях: ходьбе, беге, лыжных гонках, велосипедном педалировании, академической гребле. После настройки аппаратный комплекс может использоваться спортсменом как индивидуальный тренажер, оснащенный средствами регистрации параметров техники и средствами искусственной активизации мышц,

т.к. совместим с другими мобильными приложениями для определения скорости, дистанции, ЧСС, частоты и длины шага. Мы уверены, что в ближайшее время развитие мобильных приложений приведет к тому, что индивидуальные средства регистрации биомеханических и физиологических параметров в сочетании со средствами управления движениями заменят целую исследовательскую лабораторию и при массовом использовании обеспечат новый рост спортивных результатов на основе достижений научно-технической революции.

Заключение

Разработаны и изготовлены аппаратно-программный электромиостимуляционный комплекс и мобильное приложение, применимые в беге, ходьбе, при передвижении на роликах, лыжах, коньках, велосипеде и управляющие продолжительностью, амплитудой, моментом подачи электрического импульса на 4-х главую мышцу бедра в момент ее наиболее активного естественного напряжения. Разработанная методика показала на практике возможность эффективно влиять на проявление силы, быстроты, выносливости в процессе спортивной деятельности.

Литература

1. Кряжев, В.Д. Развитие, сохранение и восстановление двигательных возможностей человека. - М.: Изд-во ВНИИФК, 2002. - 247 с.

2. Кряжев, В.Д., Скоросов, К.К., Курбакова, Н.В. Взаимосвязь экономичности движений и уровня электроактивности мышц в скоростном беге на коньках // Теория и практика физической культуры. - 1986. - № 3. - 13 с.

3. Кряжев, ВД, Козлов, А.М, Басов, Н.В. Формирование рациональной техники велосипедного педалирования // Теория и практика физической культуры. - 1983. -№ 9. - 16 с.

4. Козлов, А.М. Формирование структуры движений велосипедного педалирования на основе искусственной активации мышц: автореф. дис. ... канд. пед. наук. -1983. - 17 с.

5. Ратов, И.П. Исследование спортивных движений и возможностей управления изменения их характеристик с использованием технических средств: автореф. дис. . докт. пед. наук / И.П. Ратов. - М., 1972.

6. Ростовцев, В.Л. Биологическое обоснование технологии применения внетренировочных средств для

повышения работоспособности спортсменов высокой квалификации: автореф. дис. ... докт. биол. наук / В.Л. Ростовцев. - М., 2009.

7. Ростовцев, В.Л. Способ управления параметрами двигательного стереотипа физического упражнения и устройство для его осуществления: патент № 2546421 / В.Л. Ростовцев. - М., 2015.

8. Ростовцев, В.Л. Применение вспомогательных средств в подготовке спортсменов высокой квалификации / В.Л. Ростовцев // Вестник спортивной науки. -2014. - № 1. - С. 15-20.

9. Скоросов, К.К. Методические приемы ограничения двигательной избыточности при совершенствовании техники скоростного бега на коньках: автореф. дис. . канд. пед. наук. - 1985. - 20 с.

10. Шмонин, Б.В. Методические приемы реализации целевых двигательных заданий с использованием вело-тренажера адаптивного типа: автореф. дис. . канд. пед. наук. - 1986. - 22 с.

11. HRM-RUN

References

1. Kryazhev, V.D. Development, preservation and restoration of the human motor abilities. - Moscow: Publishing house VNIIFK, 2002. - 247 p.

2. Kryazhev, V.D., Skorosov, K.K., Kurbakova, N.V. Interrelation of the economy of movement and the level of electro-activity of muscles in high-speed running on skates // Teo-riya i praktika fizicheskoy kul'turi. - 1986. - No. 3. - 13 p.

3. Kryazhev, V.D., Kozlov, A.M., Basov, N.V. Formation of rational technique of cycling pedaling // Teoriya i praktika fizicheskoy kul'turi. - 1983. - No. 9. - 16 p.

4. Kozlov, A.M. Formation of the structure of movements of bicycle pedaling on the basis of artificial activation of muscles: the author's abstract. Dis. ... Cand. Ped. Sciences. -1983. - 17 p.

5. Ratov, I.P. Research of sports movements and control capabilities of changing their characteristics using technical means: the author's abstract. Dis. ... Doct. Ped. Sciences / I.P. Ratov. - M., 1972.

6. Rostovtsev, V.L. Biological substantiation of the technology of application of extra-training aids to improve the

performance of athletes of high qualification: the author's abstract. Dis. ... Doct. Biol. Sciences / V.L. Rostovtsev. -M., 2009.

7. Rostovtsev, V.L. The method for controlling the parameters of the motor stereotype of physical exercise and the device for its implementation: patent No. 2546421 / V.L. Rostovtsev. - M., 2015.

8. Rostovtsev, V.L. The use of auxiliary tools in the training of athletes of high qualification / V.L. Rostovtsev // Vestnik sportivnoy nauki. - 2014. - No. 1. - Pp. 15-20.

9. Skorosov, K.K. Methodical methods of limiting motor redundancy in improving the technique of high-speed running on skates: the author's abstract. Dis. ... Cand. Ped. Sciences. - 1985. - 20 p.

10. Shmonin, B.V. Methodical methods of realizing target motor tasks using an adaptive type exercise bike: the author's abstract. Dis. ... Cand. Ped. Sciences. - 1986. - 22 p.

11. WWW.Garmin HRM-RUN