Функциональное совершенствование человека в условиях естественно-искусственного управления характеристиками двигательной деятельности (на примере спортивных упражнений)

Размещено на http://www.Allbest.ru/

Функциональное совершенствование человека в условиях естественно-искусственного управления характеристиками двигательной деятельности (на примере спортивных упражнений)

Е.С. Бойко, Н.Е. Бойко

Аннотация

Представлена разработанная система естественно-искусственной регуляции движений, обеспечивающая интенсификацию силового взаимодействия спортсменов с внешними силами за счет управляемой активизации мышц электрическими сигналами.

Ключевые слова: двигательная деятельность, электростимуляция, результативность, биомеханические характеристики движений, естественно-искусственная регуляция, функциональное совершенствование.

Целью исследований является повышение эффективности методики обучения и совершенствования в спортивных движениях с помощью новых методических приемов, в основе которых лежат возможности использования специализированных технических средств и вычислительной техники. Объект исследования - двигательные режимы спортивных упражнений и системы целенаправленного программирования их желательных состояний. Новизна подхода заключается в том, что в процессе обучения используются персонифицированные гибридные биотехнокибернетические двигательные системы («биокиберы»), в которых самонастраивающаяся и самоуправляемая биосистема спортсмена параллельно поддерживается искусственно организованной технической «нервно-мышечной системой», включающей в себя:

1) искусственный мозг - ЭВМ, способную в режиме реального времени воспринимать информацию о развертывании двигательных действий спортсмена, специальными методами оценивать их характер и выдавать управляющие команды на внесение необходимых коррекций;

2) «опорно-двигательный аппарат» - технические устройства и тренажеры, обеспечивающие возможность внесения в естественные движения определённых силовых, энергетических и иных добавок;

3) анализаторы - высокоточные компьютерные инструментальные системы, позволяющие в режиме реального времени получать количественную информацию о характеристиках движений.

Апробированы в процессе обучения и совершенствования в спортивных движениях различные комбинации компонентов «биокибера», ориентированные на совместное естественно-искусственное обеспечение максимально полной реализации двигательных возможностей спортсменов и их совершенствование [4]. Особо перспективными оказались такие, в которых естественно-искусственная регуляция движений базировалась на приемах, обеспечивающих интенсификацию процесса силового взаимодействия спортсменов с внешними силами за счет управляемой принудительной активизации мышц электрическими сигналами.

Теоретические основы электростимуляции были заложены Н.Е. Введенским [5], который установил, что для мышц физиологично тетаническое сокращение, возникающее в результате раздражения мышц серией электрических импульсов. Среди направлений использования электростимуляции можно отметить ее применение в физиотерапии при различных двигательных расстройствах, при лечении сердца [8], в системах биоэлектрического управления протезами [1]; в спортивной практике электростимуляция используется для лечения травм и развития силы мышц [6]. Однако в настоящее время выбор оптимального сигнала для избирательного воздействия на те или иные мышцы (оптимальным считается сигнал, вызывающий эффективное сокращение мышцы при минимальных чувственных эффектах) продолжает оставаться одним из ключевых вопросов электростимуляции.

В доступной литературе мы не нашли примеров электростимуляционных устройств, сигналы которых были бы пригодны для электростимуляционной активизации мышц, работающих в условиях предельных скоростно-силовых напряжений, тем более размещаемых на человеке и управляемых по радиотелеметрическому каналу связи.

Перед разработкой конструкции радиотелеметрического электростимулятора мышц нами был проведен выбор оптимального электростимуляционного сигнала на основе многочисленных исследований большого количества сигналов разной формы (от прямоугольных до синусоидальных), частоты (от 80 до 1000 Гц), длительности (от 5 мс до 1,5 с).

На основании экспериментальных исследований, которые автор проводил на себе (проводилась подача электростимуляционного сигнала на трехглавую мышцу плеча в попытках толкания ядра с места, осуществляемых автором, как действующим мастером спорта), была выбрана форма электростимуляционного сигнала, приведенная на рис. 1.

Рис. 1. Форма электростимуляционного сигнала, используемого в искусственном автоматизированном контуре управления движениями (с экрана осциллографа)

Выбор формы электростимуляционного импульса осуществлялся исходя из двух факторов:

1) максимального производимого двигательного эффекта от подачи электростимуляционного сигнала на работающую с предельными напряжениями мышцу;

2) минимальных чувственных (болевых) эффектов по субъективным ощущениям.

Стимулятор состоит из двух функциональных блоков. Первый - блок формирования и посылки по радиотелеметрическому каналу (от одного до четырех) набора команд, как от внешнего управляющего органа, например мини-ЭВМ, так и от автономного, смонтированного в данном блоке устройства управления длительностью подачи импульсов и интервалами между ними.

Основные характеристики передающей части: мощность - 150 мВт, рабочая частота - 28-28,3 мГц, длительность посылок управляющих сигналов - 20-400 мс, интервал между посылками - 0,8-200 мс, количество каналов - 4, режим питания - 220 В, 27 В, полное время работы - 2,2 с, частота работы каждого из каналов передатчика - 6000, 8300, 10000, 14000 Гц.

Радиоприемное устройство, размещенное на поясе спортсмена, скомпоновано в одном корпусе с блоком включения электростимулятора и самим электростимулятором.

Основные характеристики радиоприемного устройства: рабочая частота - 28-28,3 мГц, чувствительность приемника на гибкую антенну - 5-10мВ, питание - 9В, максимальная амплитуда напряжения электростимулятора (на Rэкв) - 300В, частота - 180 Гц, максимальный ток на R экв - 0,25 мА.

Необходимо отметить открытый нами в результате экспериментов феномен: - подача электростимулирующих сигналов с такими характеристиками (даже до 300В) не вызывала болевых ощущений в работающих с предельным напряжением мышцах.

Структурная схема гибридной биотехнокибернетической системы управления движениями в спортивных метаниях, в частности в толкании ядра, представлена в монографии автора статьи [4].

В параллельно работающем искусственном замкнутом контуре управления движениями роль дополнительного элемента ЦНС спортсмена осуществляла ЭВМ (например, мини-ЭВМ М6000), в которую в режиме реального времени по обратному каналу связи поступала с датчика объективная информация об изменении параметра управляемого движения.

Первичные сигналы формировались трехкомпонентным датчиком ускорения типа 4340 фирмы «Брюль и Къер». Этот датчик укреплялся на кисти руки спортсмена-метателя.

Сигнал датчика подавался на усилитель, который модулировал несущую частоту радиопередатчика системы «Спорт-4».

Переданный по радио сигнал поступал с радиоприемного блока на входы мини - ЭВМ (АЦПА611-8, конфигурация мини-ЭВМ М6000), которая по специальным программам осуществляла экспресс-анализ поступающей информации и формировала управляющие команды, которые через каналы управления МКУКА641-5 передавались по радиотелеметрическим каналам на радиоприемный блок, находящийся на спортсмене (в данном случае, в искусственной технической системе управления, это искусственные двигательные «нервы»). Это, в свою очередь, обеспечивало включение электростимулятора, активизировавшего нужные мышцы в наиболее целесообразные моменты движения.

В проведенных экспериментальных исследованиях принимали участие квалифицированные толкатели ядра в количестве 24 человек. На основании анализа работы двигательного аппарата спортсмена - толкателя ядра в финальной фазе движения были выбраны для последовательной электростимуляционной активизации следующие четыре мышцы: икроножная, четырехглавая бедра, трехглавая плеча, поверхностный сгибатель кисти [7].

Спортсмены выполняли 25-30 попыток толкания ядра со скачка. В эксперименте толкание ядра проводилось в 3 серии толчков по 7-10 попыток в каждой. Толчки первой серии выполнялись в условиях «биокибера», но без применения искусственного контура регуляции движений. В ходе выполнения попыток проводилась регистрация ускорения кисти толкающей руки и ее скорости, значения которой получались путем интегрирования сигнала акселерометра на мини-ЭВМ. Одновременно по правилам соревнований регистрировались результаты при толкании ядра. Значения контролируемых характеристик в первой серии попыток толкания ядра являлись исходными (фоновыми) показателями для дальнейших исследований. По значениям исходных показателей (в частности, скорости разгона кисти руки со снарядом) определялся индивидуализируемый для каждого спортсмена момент движения, в который управляющий компьютер осуществлял включение электростимулятора, подававшего электростимуляционные сигналы на работающие в естественном предельном режиме мышцы.

Амплитуда напряжения электростимуляционных импульсов подбиралась индивидуально для каждого спортсмена и находилась в диапазоне 200-300В. При этом применялась биполярная методика наложения электродов на двигательные точки мышц. При выполнении попыток в 8-10 из них использовался прием дополнительного управления движениями, основанный на электростимуляционной активизации мышц в завершающей части финального движения. В заключительной серии из 8-10 попыток спортсмены толкали ядро без использования электростимуляции мышц (на фоне последействия).

Анализ статистических данных исследования показал, что применение приема дополнительного управления естественными движениями спортсмена посредством многоканальной электростимуляционной активизации мышц позволяет улучшить результат в среднем на 6,21%, или на 0,97 м (t = 12,6; P<0,001). биотехнокибернетический активизация двигательный спортсмен

Особо важным фактором следует считать то, что результативность последующих попыток, выполняемых в обычных условиях, также превышает средний результат исходной серии попыток толкания ядра. Средние результаты этой серии попыток превышают исходные данные на 2,79%, или на 0,43 м (t = 10,3; P < 0,001).

Экспериментальные данные показывают, что использование приема естественно-искусственного управления двигательными действиями спортсмена-метателя также способствует уменьшению числа различных отклонений в выполнении двигательных действий и стабилизации результатов на более высоком уровне. Это проявляется в уменьшении коэффициента вариации результатов с 3,59% в исходных попытках до 3,54 и 2,99% в попытках с использованием естественно-искусственной системы управления движениями и в попытках на фоне последействия соответственно.

В серии опытов проверялась возможность программирования целесообразных перестроек во внешних и внутренних характеристиках пространственных двигательных действий спортсменов - толкателей ядра. В эксперименте приняли участие 29 высококвалифицированных толкателей ядра, было выполнено 496 попыток толкания ядра с установкой на максимальный результат, из них 148 - с электростимуляционной активизацией мышц. В качестве системы анализаторов в техническом контуре управления использовалась автоматизированная система экспресс-диагностики [3]. Результаты опытов приведены на рис. 2.

В исследованиях контролировались: результат, скорость разгона снаряда, площади проекций вектора ускорения в трех плоскостях, интегрированные значения электроактивности трехглавой мышцы плеча (длинная головка), дельтовидной мышцы (передняя и задняя головки), поверхностного сгибателя кисти, большой грудной мышцы, двухглавой мышцы плеча, трапециевидной и крестцово-остистой мышц (мышцы правой части верхнего плечевого пояса и спины), характеристики спектра динамического ряда ускорений по направлению движения кисти руки спортсмена со снарядом.

Было выявлено, что использование дополнительного контура автоматизированного технического управления движениями спортсмена вызывает прирост результативности в среднем по группе на 2,57% (t = 35; P<0,001), обусловленный увеличением скорости вылета снаряда на 1,58% (t = 3,08; P>0,05).

Увеличение скорости вылета снаряда как производной от развиваемых спортсменом ускорений детерминировано увеличением значений площадей проекций вектора ускорения снаряда по осям Y и Z соответственно на 3,61% (t = 4,2; P<0,001) и 1,26% (t = 1,72; P>0,005) и уменьшением площади проекции вектора ускорения по оси X на 17,22% (t = 4,26; P<0,001). Это означает, что все большие значения площадей проекций вектора ускорения (усилия спортсмена) приходятся на ось направления движения снаряда (его разгона). Во время движения спортсменом развивается значительно большая мощность, о величине которой можно судить по точке пересечения графика спектра ускорения с осью ординат, по большим значениям спектральных плотностей ускорения и большим углам наклона кривой спектра к оси абсцисс (рис. 2). А это означает, что спортсмен для выхода на более высокий уровень результативности двигательных действий совместно с техническим контуром управления организует более мощный и эффективный выход в силовое пространство из границ собственного сформированного и стационарного моторного поля [2].

Рис. 2. Профилограмма биомеханических и электромиографических характеристик движений в финальной фазе толкания ядра при электростимуляции (до - профиль I, во время - профиль II, после - профиль III)

Опыты показали, что в попытках с гибридным биотехнокибернетическим управлением двигательными действиями метателей (по сравнению с исходными данными) происходит увеличение суммарной площади электромиограммы (ЭМГ) трехглавой мышцы плеча на 53% (t = 24,65; P<0,001), передней головки дельтовидной мышцы - на 3,01% (t = 3,55; P<0,001), задней головки дельтовидной мышцы - на 10,01% (t = 7,07; P<0,001), поверхностного сгибателя кисти - на 16,85% (t = 6,96; P<0,001). В то же самое время было показано уменьшение среднестатистических значений суммарной площади ЭМГ двухглавой мышцы плеча на 10,9% (t = 3,54; P<0,01); значения суммарной площади ЭМГ трапециевидной мышцы оказались меньше исходных данных на 9,25% (t = 6,13; P<0,001).

Одним из важных результатов этой серии опытов является то, что дополнительное управление мышцей, играющей роль ведущего звена в самой ответственной фазе толкания ядра, вызвало комплекс перестроек в соотношениях уровней мышечной электроактивности, наиболее характерные черты которого - возрастание электроактивности мыщц, обеспечивающих разгон снаряда, происходящее одновременно с падением электроактивности мыщц, не играющих активной роли в данной фазе движения.

Как видно из рис. 2, в следующих попытках, после применения гибридной биотехнокибернетической системы управления движениями, также наблюдаются аналогичные изменения (профиль III) в результативности, биомеханических характеристиках движений спортсменов, суммарной площади ЭМГ контролируемых групп мышц, характеристиках графиков спектров ускорений, хотя в данном случае их прирост по отношению к фоновым данным менее выражен.

Таким образом, серии опытов показали, что управление движениями, основанное на управляемой электростимуляционной активизации мышц, играющих основную роль в двигательной деятельности, приводит к безусловному повышению уровня централизации аппарата управления спортсмена и степени организации его функционирования, генерирующих управляющие команды, которые, приходя на мышцы, детерминируются как изменения в мозаике межмышечных переключений, а также изменения в биодинамике взаимодействия спортсмена с внешними силами и в его результативности.

Список литературы

1. Алеев, П.С. Электростимуляция при некоторых поражениях нервной системы / П.С. Алеев, С.Г. Бунимович / Некоторые проблемы биокибернетики и применение электроники в медицине: сб. науч. тр. - Киев, 1965. - С. 3-16.

2. Бернштейн, Н.А. О построении движений / Н.А. Бернштейн. - М.: Медгиз, 1947. - 206 с.

3. Бойко, Е.С. Экспериментальная психобиомеханика двигательной деятельности человека (на примере физических упражнений) / Е.С. Бойко. - Брянск: БГУ, 2004. - 248 с.

4. Бойко, Е.С. Двигательное совершенствование человека в условиях гибридного биотехнокибернетического моделирования характеристик движений (на примере спортивных упражнений) / Е.С. Бойко. - Брянск: Изд-во БГУ, 2004.-278 с.

5. Введенский, Н.Е. Возбудимость, торможение и наркоз / Н.Е. Введенский. - М.: Медгиз, 1952. - 252 с.

6. Коц, Я.М. Тренировка мышечной силы методом электростимуляции / Я.М. Коц / Теория и практика физической культуры. - 1971. - №3. - С. 64-68.

7. Лебедев, В.М. Электрофизиологические исследования активности мышц при толкании ядра / В.М. Лебедев / Материалы Всесоюзной конференции по проблемам спортивной техники. - М., 1966. - С. 76-77.

8. Обросов, А.Н. Электродиагностика и электростимуляция мышц при поражениях периферических нервов / А.Н. Обросов. - М.: Медгиз, 1953. - 176 с.

Размещено на Allbest.ru