北京服装学院刘莉教授团队:竞技泳衣设计的生物力学与运动生理学机制

特尔格林,刘静,刘莉. 竞技泳衣设计的生物力学与运动生理学机制[J]. 纺织工程学报, 2026, 4 (2): 1-10.

Teer Gelin, LIU Jing, LIU Li. The biomechanical and exercise physiology mechanisms of competitive swimsuit design[J]. Journal of Advanced Textile Engineering, 2026, 4 (2): 1-10.

竞技游泳对速度与效率的要求近乎极致——水阻控制、推进效率与能量利用率是决定金牌归属的核心因素。作为直接作用于“人体—水体”界面的关键装备，竞技泳衣已从传统防护用品演变为影响水动力特性、动作稳定性与生理负荷的重要功能性装备。

然而，一个长期困扰行业与学界的问题是：高科技泳衣的性能提升究竟源于什么？是材料表面的超疏水涂层？是仿鲨鱼皮微结构？还是压缩带来的身体姿态优化？

鉴于此，北京服装学院刘莉教授团队在《纺织工程学报》发表了“竞技泳衣设计的生物力学与运动生理学机制”的综述论文，系统整合了生物力学与运动生理学视角，揭示了竞技泳衣性能提升的核心机制——“结构—动作—生理响应”的协同优化，并指出未来泳衣将沿着机制驱动的系统集成化与个性化方向发展，由被动减阻装备向具备动作调控与智能反馈能力的工程系统演进。

图1 竞技泳衣性能提升机制

针对“泳衣如何真正提升运动表现”这一核心问题，该综述从不同泳姿的运动学特征出发，系统分析了分区压缩结构在姿态稳定、减阻调控与动作路径引导中的作用机理，并总结了其对运动经济性、神经肌肉控制、肌肉振动抑制及疲劳调节的影响。

一、生物力学基础与泳姿运动机制

自由泳、仰泳、蝶泳、蛙泳——四种泳姿在推进方式、身体姿态控制及关节活动模式上存在显著差异。自由泳双臂交替划水提供70%~85%的推进力，身体围绕纵轴有节奏旋转；蝶泳双臂同步划水产生最大推进力，躯干与腿部协同做海豚式波浪摆动；蛙泳则面临最大水阻，推进力主要来源于对称的蛙式蹬腿。

这些动作特点对泳衣设计提出了截然不同的要求：肩部需要极高的灵活度以适应自由泳、仰泳和蝶泳中的大幅外展与后摆；躯干需要在保持紧致的同时允许一定的旋转或起伏；髋关节和膝关节在蛙泳中要求较大外展和屈曲范围。这些特点要求泳衣必须在压缩支撑与运动自由度之间实现精细平衡。

游泳水阻包括摩擦阻力、压差阻力和波浪阻力，而稳定、流线型的身体姿态可显著降低这三种阻力——这正是泳衣压缩结构发挥作用的关键战场。

图2 四种主要泳姿示意图：（a）自由泳；（b）仰泳；（c）蝶泳；（d）蛙泳

二、泳衣压缩的生物力学机制与动作调控效应

现代竞技泳衣的核心策略是“分区压缩设计”。有研究团队通过3D-CG皮肤应变模型与各向异性超弹性织物模型发现：肩部、背阔肌区、大腿前侧等主要推进肌群需采用高刚度织物，以限制局部过度形变、减少肌肉振动；而腹侧、腋下及关节活动区则需低压缩柔性区域以保证动作幅度。

实验与数值模拟表明，高性能全身泳衣可使被动阻力系数降低约6.9%~12.2%，其主要机制并非材料表面特性，而是“姿态控制与材料性能的协同结果”。泳衣在纵向与横向的差异化刚度（纵向高拉伸刚度以提供方向性支撑，横向低拉伸刚度以保留关节自由度），实现了“刚柔并济”的动作引导，使泳衣由“被动减阻覆盖层”演变为“动作辅助型装备”。

图3 分区压缩通过力学耦合调控人体动作与外形的作用机制：(a)分区压缩设计[9]; (b)材料各向异性[10]; (c)关节力矩变化[11]; (d)泳衣-肌骨耦合[16]; (e)人体外形改变[14]

三、泳衣的运动生理学效应与疲劳调控

该综述归纳了泳衣生理效应的三条作用路径：

1.运动经济性改善：通过压缩改善身体线型、降低水动力阻力，运动员在相同速度下的代谢成本显著下降。研究表明，高性能泳衣可使心率、耗氧量及主观用力感降低，划距与水下滑行距离提高。

2. 肌肉振动抑制与神经肌肉控制优化：压缩结构通过减少软组织晃动来稳定肢体运动链，使动作重复性更高、协调性更佳。部分高压缩款泳衣在200m自由泳测试中表现更佳，提示适度压缩有助于提高技术执行的稳定性。

3. 疲劳延缓与运动后恢复：全身压缩服可显著加速迷走神经主导的心率变异性（HRV）指标恢复，心率恢复时间提前约20分钟，促进血液回流与自主神经调节。

表1 不同结构设计竞技泳衣的压缩策略及其生物力学性能对比

图4 泳衣的运动生理学效应与疲劳调控机制

四、研发技术与设计趋势：迈向智能适应

该综述指出，竞技泳衣的开发技术正从以比赛成绩和阻力降低为核心的“性能结果导向”，系统性转向以生物力学机制解析为基础的“机制驱动设计”范式。

数据驱动与多尺度仿真模拟：计算流体力学（CFD）、逆动力学模型、肌肉骨骼仿真以及基于动作捕捉或肌电图的参数输入，使研究者能够在虚拟环境中模拟“人体-泳衣-水流”之间的耦合交互。

智能传感技术：光纤传感器、纺织基电极和柔性传感单元已能够在服装结构中稳定工作，可实时采集心率、呼吸、体温、肌肉激活、身体姿态等多模态数据。BIOSWIM项目构建的智能泳衣已实现心电、动作学与动力学信号的同步监控。

高科技面料与微结构减阻：疏水性防水涂层、超疏水整理、纳米纹理面料以及仿鲨鱼皮棱纹微结构，进一步降低摩擦阻力并改善边界层流动。

成衣结构与工艺设计：超声波无缝拼接、热压贴合与定向压条等先进工艺，在降低传统缝线引起局部湍流的同时，也被用于构建和强化关键分区的力学传递路径。

图5 竞技泳衣的研发技术与机制驱动设计趋势展望

然而，现有研究仍存在若干关键局限：多数研究侧重单一泳姿或静态条件下的分析，缺乏对完整动作周期中动态耦合机制的系统刻画；压缩效应对关节负荷分配、肌肉协同模式的长期影响仍缺乏定量证据；个体差异（体型、柔韧性、技术风格）尚未被充分纳入设计框架。

未来竞技泳衣研究亟需由“性能结果导向”转向“机制驱动设计”，重点加强多尺度建模与实验验证的融合。同时，结合智能传感与数据驱动方法，构建能够反映个体特征与实时状态的自适应设计策略。可以预见，竞技泳衣将沿着“被动减阻→主动调控→智能适应”的递进路径演进，逐步形成设计-监测-反馈-优化的闭环系统，为自适应与智能化竞技泳衣的发展奠定工程与理论基础。

刘莉，北京服装学院二级长聘教授、博士生导师，研究生院院长、服装科技研究院院长。国家级人才青年学者、青年北京学者、国家体育总局“中国冰雪科学家”。兼任中国纺织工程学会科普工作委员会主任、纤维材料及智能可穿戴纺织品专业委员会副主任。曾获北京最美科技工作者、首都劳动奖章、首都最美巾帼奋斗者、全国群众体育先进个人等荣誉。所带领的团队曾荣获“全国五一巾帼标兵岗”荣誉称号。《丝绸》《针织工业》等编委会委员，科普中国专家。主要研究方向为服装舒适性与功能、高性能服装研发。