通过力学行为学理解行为的涌现

01 · 蚂蚁尺度的仪器研发

观察足部接触的测力平台

如何测量蚂蚁运动时各足产生的微小力？这项与以下研究者和机构的合作： Vincent FOURCASSIÉ 和 LAAS-CNRS 将生物力学与光学传感器设计相结合，利用可变形微柱阵列，把相机观察到的位移与支撑平面内的力联系起来。

MANSARD et al. (2026) 提出一种大视野装置，可在多个步态周期中同时测量各足的平面内力，报告的分辨率为 0.5 µN。项目侧重于可适配、稳健且低成本的系统。共同作者：Vincent MANSARD、Elliot PERREZ、Dorian GAUTIER、Julien ROUL、Christian BERGAUD、Pierre MORETTO 和 Vincent FOURCASSIÉ。[1]

观察足部接触：Paul-Alain RAYNAL 硕士论文的贡献

该硕士二年级论文记录了足部与微柱的接触及荧光跟踪。[2] 目前正在研究法向分力的估算方法。

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02 · 橄榄球与团队运动

Florent LOKTEFF — 量化十五人制橄榄球中的冲击

Vers un indice de charge des impacts au rugby à XV : études préliminaires des données des systèmes embarqués. 导师：Pierre MORETTO；共同导师：Saad DRISSI.

该研究通过 Stade Toulousain 的 CIFRE 产学合作博士项目开展，于 2023 年答辩，旨在利用可穿戴系统建立冲击负荷指标，并研究加速度数据表征球员力学负荷的能力与局限。[3]

以下作者的论文： LOKTEFF et al. (2022) 分析了精英俱乐部两个赛季的数据。冲击频率与强度因位置而异：后卫受到的冲击次数少于前锋，但强度更大。这提示应根据位置要求调整负荷监测。[4]

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Thomas BÉCHARD — 联系集体指标与个体贡献

Performance en Rugby à XV : articulation entre indicateurs collectifs et impact individuel. 导师：Pierre MORETTO；共同导师：Cristian PASQUARETTA.

该论文通过与 Colomiers Rugby 的 CIFRE 合作完成，于 2025 年答辩，将比赛分析与团队表现联系起来。[5]

BÉCHARD et al. (2025) 研究了一支成绩优异球队的 34 场比赛，区分开放式进攻与定位球阶段产生的突破。动态突破在主客场均与更有利的分差相关；静态突破的关联则更依赖比赛地点。结论限于一支球队和一个赛季，不构成普遍规律。[6]

Arnaud ODET — 解释与获胜相关的策略

与 Thomas BÉCHARD、Pierre MORETTO、Sébastien DÉJEAN 和 Cristian PASQUARETTA 合作， ODET et al. (2025) 提出结合机器学习与可解释性的方法。模型通过表现指标预测结果，再用 SHAP 分析解释三个层面的指标作用：总体趋势、球队优劣势以及单场比赛诊断。目标是让分析师和教练能够理解预测依据。[7]

对 CAB 9 研究的贡献

这些工作推动了集体动力学研究；我通过博士指导及促成 Cristian PASQUARETTA 加入团队的科研合作参与其中。我在 CAB 9 的工作包括：i）将冲击检测与量化纳入体育集体运动的分析和预测；ii）研究向球员提供反馈对个体体能及球队集体组织的影响 （项目 TIRIS Sens-Perf 2026–2030，进行中）. SUSP 项目征集 — Scaling Up Science Program ↗

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比较不同身材的人

两个人以相同速度行走或跑步，并不一定面临力学等价的任务。肢体长度、步频与能量交换都会改变运动条件。无量纲分析旨在把尺寸效应与运动策略差异区分开。

该研究计划依次通过以下博士工作发展： Michaël BISIAUX ，研究行走（2002 年）； Nicolas DELATTRE ，研究跑步的动力学相似性（2008 年）；以及 David VILLEGER ，研究弹性能回馈与运动（2014 年）。以下研究者的工作：Antony COSTES ，研究骑行（2016 年），与 David VILLEGER 的论文一样由我和 Bruno WATIER 共同指导，拓展了对力学约束与运动选择的研究。

01 · 行走与跑步

FROUDE 与 STROUHAL：互补的信息

FROUDE 数通常写为 Fr = v²/(gL)，表示惯性效应与重力效应的比值，可基于下肢长度等特征长度选择可比较的速度。 STROUHAL 数, St = fL/v，将运动频率与速度和长度联系起来，明确引入步伐节律。

在一项纳入十五名参与者的跑步研究中， DELATTRE、LAFORTUNE 和 MORETTO（2009） 表明两者均提供有用信息，但单独使用都无法实现完整的动力学相似性：STROUHAL 尤其能使时间参数接近，而 FROUDE 影响部分力学参数。这促使研究者将两者结合。[1]

Modela：联系节律与能量交换

Restitution d’Énergie Élastique et Locomotion (REEL) : une approche adimensionnelle. 导师：Pierre MORETTO；共同导师：Bruno WATIER.

DELATTRE 和 MORETTO（2008） 根据弹簧—质量模型中动能、重力势能及弹性能的交换，引入一个无量纲数。这一公式成为以下指标的起点： Modela，将能量平衡与 FROUDE、STROUHAL 的组合联系起来。该结果最初来自建模，随后接受实验检验。[2]

以下作者的研究： VILLEGER、COSTES、WATIER 和 MORETTO 比较了十九名参与者的三种条件：相同速度、按 FROUDE 调整速度，以及同时调整速度与频率。 Modela-r 用于跑步（2014 年），而 Modela-w 用于行走（2015 年），提高了参与者间的相似性，并降低无量纲力学参数的变异。在所测试方案中，第三种条件在跑步的 54 个参数中有 52 个、行走的 36 个参数中有 30 个满足相似性准则，而仅用 FROUDE 时分别为 32 和 22 个。[3, 4]

在 Modela 无量纲方法基础上， MORETTO et al. (2016) 将弹簧—质量模型弹性能的变化与内部动能变化减去内力做功联系起来，阐明多关节系统的能量交换，揭示关节做功协调在整体刚度涌现中的作用。[8]

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目的是在更一致的力学条件下比较技术、设备或人群。这些结果针对所测试方案，本身并不构成诊断验证。

02 · 骑行

为什么要站立骑行？

Une nouvelle approche du cyclisme : la transition assis-danseuse comme prétexte à l’étude de l’optimisation du mouvement. 导师：Pierre MORETTO；共同导师：Bruno WATIER.

以下研究者的论文：Antony COSTES 研究功率自行车上的优化策略、坐姿—站姿转换及疲劳效应。所选论文分析功率增加时对自行车施加的力与全身协调。

COSTES et al. (2015) 对车座、踏板和车把进行测力，并重建身体运动。在 25 名非专业骑行者中，踏板力增加伴随车座最小垂直力下降。接近自发姿势转换时，车把和踏板上的动作开始抵消躯干上抬。结果提示车座卸载有助于转为站姿。[5]

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上肢分析还表明，腕、肘、肩负荷随功率增加而增大，且站姿更高，因此必须从全身角度理解骑行。[6] 另一项研究将自发转换与基于关节力矩及肌肉活动的代价函数最小化联系起来：低于转换功率时坐姿更有利，高于时则站姿更有利。[7]

肌电与生物力学结果的一致性。 肌肉活动代价函数（包括按肌肉体积加权后）与关节力矩代价函数呈现相同趋势：低功率时坐姿更有利，高功率时优势转向站姿。这种一致性提示，姿势转换参与了随功率增加而重新组织力学和肌肉负荷的策略。[7]

与行走和跑步研究的联系在于寻找解释策略涌现的力学原理。此处骑行论文并未验证 Modela 对踩踏运动的适用性。

CAB 10 的基础

这些工作提供两种互补工具：跨尺度比较系统，以及寻找决定运动的约束。CAB 10 将其拓展到蚂蚁、机器人腿和外骨骼，并在每次应用时核查物理假设及材料特性。

另一研究方向涉及足部接触测量及对行走者的反馈：如何将生物力学测量转化为帮助人调整运动的信息？

让足部负荷可感知

足底压力测量用于分析压力分布。生物反馈增加一个闭环：视觉或声音信号告知受试者足部负荷，帮助其主动调整步态。目标是在减轻指定区域负荷的同时，监测足底其他区域的压力再分配。

以下研究者的博士工作： Virginie FEMERY （2003 年），以及之后的Aurélien DESCATOIRE （2009 年），在里尔第二大学推动了该方法的开发与评估。在图卢兹， Laëtitia CLAVERIE （2017 年）的研究通过与 Médicapteurs 合作的 CIFRE 博士项目开展，由我与 Anne ILLE 共同指导，研究基于足底压力评估运动的可穿戴系统。

01 · FEMERY 与 DESCATOIRE

BIRD：通过反馈改变足部负荷

以下作者的研究： FEMERY et al. (2008) 研究利用视觉和听觉信号主动减轻第一跖骨头部分负荷的可行性。八名健康参与者中五名能按要求显著改变支撑负荷。但过度卸载的倾向说明学习及精确反馈的重要性。[1]

BIRD — Baropodometric Information Return Device 将足底传感器与压力阈值反馈结合。DESCATOIRE 等描述了该装置，并在可行性研究中展示通过改变步态策略减轻指定区域负荷的可能性。临床目标之一是在足部保护性感觉受损时提供替代信息。[2, 3]

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这些研究确认了足底压力反馈的可行性，但其本身并不能证明可降低溃疡发生率或具有长期临床疗效。

02 · CLAVERIE 与 Médicapteurs

精确布置传感器，实现可穿戴测量

Biofeedback pour l’optimisation de la locomotion : conception et validation d’un système embarqué d’évaluation de la locomotion à partir des pressions plantaires. 导师：Pierre MORETTO；共同导师：Anne ILLE.

可穿戴系统必须轻便、简洁，同时准确描述足部负荷。以下作者的研究： CLAVERIE、ILLE 和 MORETTO 提出一个关键问题：足底有限数量的传感器应放在哪里？2015 年报告介绍方法；2016 年论文比较了以下系统的两种传感器布局： W-inshoe® ，并以测力平台作为参照。[4, 5]

十名健康志愿者的结果表明，优化布局测得的压力中心位移和垂直力与测力平台结果有较好相关性。因此，测量质量不仅取决于传感器数量，也取决于其位置。这项仪器验证为实验室外监测及实时反馈提供前景。[5]

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Laëtitia CLAVERIE 的博士论文属于与以下公司的合作： Médicapteurs。活动报告还介绍了 Olivier GUTIERREZ 关于步态听觉反馈的补充研究，将仪器研发、感知与运动调整联系起来。

03 · 技术转化与康复

Serious GaRS：以足部负荷作为游戏界面

Serious Games for Rehabilitation in Seniors — Serious GaRS 在地区及欧洲区域发展基金（ERDF）资助下延续与 Médicapteurs 的合作。项目响应以下征集：EASYNOV 2016 — 银发经济项目征集，获选资助，报告所列金额为 350 k€ （依据活动报告）。

报告描述了连接游戏环境的压力平台：参与者的动作控制一个与虚拟群体互动的化身。Guy THERAULAZ 和 Mathieu LIHOREAU 等关于集体行为的研究，为生物力学、身体活动与游戏的结合提供支持。

目标是为老年人康复和跌倒预防提供有吸引力的练习。报告介绍了原型开发及拟开展的评估；本页将这些目标与测量系统已发表的仪器验证结果加以区分。

查看 Médicapteurs 的 EASYNOV 项目 ↗

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