[科普中国]-滚翻式跳伞着陆

滚翻式跳伞着陆是指一套标准的跳伞后着陆姿势。跳伞后高速落地时，跳伞者必须协调自身的姿势，通过身体关节屈曲和滚动，将与地面的冲击能量尽可能分散到身体足够多的部位和对冲击不敏感的部位，同时延长冲击作用的时间，避免局部瞬时受力过大，从而减少损伤概率。这种姿势通常用于军事跳伞中。

1. 简介军事跳伞起源于二战时期。由于战争的持续，各国都需要一种有效的手段，将兵力快速运抵具体位置，尤其是通过传统的陆路或水路难以直接到达的位置，例如敌后敏感区域。但是，军事跳伞不同于民用和娱乐跳伞，最为突出的是军事跳伞要求跳伞者尽可能以高速度着陆，以躲避来自陆地的袭击和埋伏，为己方争取足够的反应时间。而着陆速度又必须考虑到人体所承受冲击的能力，因为一个很小的损伤就有可能使士兵失去战斗力，甚至影响到其他战友和整个战斗任务的完成。因此，在军事跳伞着陆中，必须依靠特殊的着陆姿势来保证在高速落地冲击时不发生损伤。自从军事跳伞一出现，各国空降兵部队就对跳伞着陆姿势有非常严格的要求。在世界上绝大多数国家，普遍采用的即是滚翻式跳伞着陆姿势。

2. 滚翻式跳伞着陆的分类2.1. 前滚翻式跳伞着陆在早期跳伞中，美国和德国都采用前滚翻式着陆姿势。前滚翻式跳伞着陆姿势要求跳伞者着陆的瞬间下肢弯曲，脊柱前屈，头朝下向前翻滚，也就是我们常见的京剧中翻跟头动作。这种跳伞着陆姿势很难掌握，而且掌握不熟练，极易引起头颈或脊柱的损伤，而这些部位的损伤通常是非常严重的。因此，在使用不久后，前滚翻式跳伞着陆姿势就被废除。但是，由于这种姿势太帅了，非常具有视觉感染力，所以在许多电影中仍能看到这种着陆姿势。近年来，都市年轻人中兴起一种极限娱乐运动：跑酷。跑酷中的着陆动作部分地继承了前滚翻式跳伞着陆姿势，并在此基础上有所发展，更加增加了娱乐观赏性，同时也兼顾安全性。因此，前滚翻式跳伞着陆姿势并未随着在军事跳伞中的废除而消亡。

2.2. 侧滚翻式跳伞着陆二战时，在德国和美国发展了跳伞后不久，英国人也掌握了这门技术。但是，英国人并没有采用前滚翻式跳伞着陆姿势，二是侧滚翻式跳伞着陆姿势。侧滚翻式着陆姿势可以显著降低着陆损伤，从而使美军在1943年六月也开始采用这种姿势。这种姿势要求跳伞者着陆时双臂抬起，前臂在面部抱紧，下颌内收，足与地面接触时，膝关节微屈，并向侧向旋转，小腿、大腿、臀部和躯干依次触地并完成翻滚，通过身体各关节的运动将强大的身体动能吸收，并延长缓冲时间和增大身体冲击面积。直到现在，大多数国家军事跳伞都采用侧滚翻式着陆姿势。

即使同是侧滚翻式跳伞着陆，各国的训练中的细节要求也不尽相同。例如澳大利亚等国家军队要求跳伞者双足与地面平行着陆，而美国等国家要求足以一定跖屈角度着陆。澳大利亚科学家曾应用志愿者测试方法评价这两种着陆姿势的生物力学差异，结果显示水平着陆膝关节和踝关节屈曲角度较小，承受更大的地面冲击力，到达峰值地面范例的时间更短。虽然研究显示水平着陆有可能比跖屈着陆损伤风险更大，但是研究者承认确认一种更安全的着陆姿势需要更进一步的研究。

需要指出的是，我国空降兵部队采用的跳伞着陆姿势不是滚翻式。但是，我们需要借鉴其中的合理成分，为降低空降兵损失率服务。近年来，我国空降兵部队也开始逐渐认识这种着陆姿势。

3. 在滚翻式跳伞着陆中的踝关节扭伤防护从1994年，美国空军将Aircast伞兵护踝作为标准防护装备。这主要归功于美国环境医学军事研究所在1993年10月的一项对照研究。这项研究发现使用靴外护踝可以使踝关节内翻扭伤减少85%，并且不增加其他部位的损伤概率。但是从2000年起Aircast伞兵护踝被停止使用，其原因包括：（1）成本太高；（2）这种护踝妨碍双足并紧，影响正常的着陆姿势；（3）这种护踝有可能增加其他部位损伤的概率。但是这些原因都属子虚乌有，没有任何对照实验根据。

随后，美国人对在1985～2002年之间使用护踝前后的跳伞损伤数据进行了一项系统调查。调查发现踝关节损伤概率在使用护踝前是使用护踝后的两倍，而且使用护踝并未增加踝关节以外部位损伤概率。使用护踝的费用为每年30,000美元，因此而节省的治疗和康复费用为每年835,000美元，其比值为1:29。这项调查促使美国从2005年6月开始重新启用伞兵护踝，但这次使用直到次年末再次被中断，其原因依然是成本问题和对其他部位损伤概率提高的担心。随后，美国军队改与DjOrtho公司合作，采用该公司的内置护踝（DonJoy A-60）至今。在此过程中，美国空军还通过受试者测试和数字模拟两种方法进行研究比较了Aircast、Form-fit和靴内系带式护踝与无防护在滚翻式跳伞着陆中的生物力学表现，发现使用防护装备可以减小内翻，而对背屈影响有限。

美国军队先后与Aircast和DjOrtho公司合作，共开发了三代护踝产品（图1）。这三代产品大体相同，但有少许变化。第1代护踝使用气囊填补踝关节和小腿与护踝中间的区域，第2代产品将气囊被换为泡沫。第3代护踝对塑料复合板进行了改变，在后跟皮带扣一侧，使用螺钉取代了铆钉，这样就方便拆换后跟皮带。美国连续多年使用了大量人力物力进行调试护踝的研发和对损伤防护的流行病学调查，很多经验值得借鉴。

图1 美国空降兵护踝（a.第1代；b.第2代；c.第3代）

4. 滚翻式跳伞着陆的研究对于滚翻式跳伞着陆，国外有不少研究，主要分为以下几种：

4.1. 流行病学调查Pirson和Pirlot调查了1880名伞兵的身高、体重与他们的损伤率，发现只有体重显著影响损伤率，体重和损伤率符合二次公式。Knapik等使用单变量分析比较了是否使用护踝对跳伞着陆损伤的影响，发现不佩戴护踝的对照组踝关节扭伤率是佩戴护踝组的2倍，踝关节骨折率是佩戴护踝组的1.83倍，任意类型的踝损伤率是佩戴护踝组的1.92倍。佩戴护踝组与对照组在除踝关节外的其他下肢部位具有相似的损伤率。

4.2. 离体测试与动物实验在Withrow等的实验中，采用11具膝关节离体标本来研究在着陆时前交叉韧带牵张与冲击力、股四头肌力和膝关节屈曲角度的关系。Hashemi等通过巧妙的实验设计，应用离体实验来研究在着陆运动中膝关节前交叉韧带的非接触性损伤机制。Yeow等应用人类离体实验研究反复着陆冲击载荷对前交叉韧带失效的影响，以及离体膝关节软骨损伤的程度和分布。他们的这项研究具有明显的跳伞着陆应用背景。

虽然人类离体标本实验具有一定优越性，但是标本来源有限，实验成本较高，而且实验往往受法律法规、宗教或伦理限制。由于动物具有与人类类似的解剖结构和组织力学性质，可以在一定程度上代替人体进行实验。Yeow等使用猪膝关节离体标本研究在着陆冲击时前交叉韧带损伤对关节软骨的影响。另外，他们也采用细胞活性评估、甘油氨基聚糖和胶原成分测定、组织学、免疫组织化学和μ-CT等方法通过猪标本来评价着陆动作引起的膝关节软骨损伤和退行性改变。他们应用猪标本还在着陆损伤及其防护研究领域做了其他有价值的工作。

4.3. 志愿者测试美国Foster-Miller公司、美军Natick士兵中心和马萨诸塞州大学曾经采用8名28-68岁男子进行测试。志愿者从0.93 m或1.37 m的平台跳落模拟跳伞着陆，其运动学数据通过7个摄像头的数字高速运动分析系统来采集，关节的三维角度变化通过志愿者身体上的反射标识点来确定，身体每个节段有三个标识点固定在与其联结的刚性结构上。在实验中使用12通道放大器和电极系统来记录肌电图，确定肌肉收缩活动水平。研究发现着陆时肌肉活动性约为20%最大等长收缩活动性。该实验同时使用测力台测量地面反力。

Kwork等和Kasturi等使用平台跳落模拟跳伞，条件要求简单，易于控制，但是不能可控地提供跳伞过程中的水平速度。在澳大利亚卧龙岗大学（University of Wollongong）生物力学研究实验室Whitting等的实验研究中，使用了4°倾角的滑轨，志愿者借助滑轮从较高一端滑到较低一端，获得2.3 m/s的水平速度。在实验中使用了两台数字摄像机，其中一台用来拍摄着陆。实验对着陆时肌电图的测量针的下肢6条主要肌肉包括：内侧腓肠肌、胫骨前肌、股直肌、股内肌、股二头肌和半腱肌。地面反力通过Kistler多通道测力台测量，与Kwork等和Kasturi等的实验设计基本一致，测力台周围放置木板，使得测力台与木板水平。使用测力台采集数据在客制化软件中计算初始接触时间、竖直方向地面反力峰值、地面反力合力峰值和到达合力峰值的时间。

4.4. 数理模型方法有限元方法是现代计算力学发展的一个里程碑。由于有限元计算精度高，能适应各种复杂形状，因而成为有效的生物力学分析手段，极大地促进了生物力学的发展，在损伤生物力学研究中有重要的应用价值。美国军方已经开展了有限元方法研究跳伞着陆损伤。Kong等基于GEBOD程序建立了人体全身有限元模型研究跳伞着陆。模型中身体除下肢以外的部分都被定义为刚体，刚体之间的联结性质通过适当的载荷偏移曲线定义。这项研究分析了直立着陆和跳伞着陆不同姿势下踝关节竖直方向速度、角速度和冲击力，还分析了各种因素对跳伞着陆冲击力的影响。在Kwok等的研究中，将这个模型进行了改进，尤其对足踝结构进行了更为精确的建模。在其后续研究中，Kasturi等将这个模型应用于评价跳伞着陆时不同护具对踝关节的防护作用，比较分析了不同护踝，着陆速度、负荷条件和地面倾斜度对着陆时足冲击力、背屈、内翻和外翻的影响。

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本词条内容贡献者为:

牛文鑫 - 助理教授 - 同济大学医学院