快速泳衣在竞技游泳运动项目中发展与展望

戴承铭 赵婧 陆乙锋

摘 要：世界游泳竞技水平飞速提升也得益于高科技产品的使用与创新。通过对近20年文献资料的梳理，探讨了快速泳衣对游泳运动员竞技表现的影响，发现我国对于快速泳衣的研发与生产仍然停留在仿制阶段，缺乏研究基础与创新能力。在未来可以针对不同泳姿项目的生理学以及生物力学特点，建立人体工效学评价体系，探索适用于我国运动员个体特点的快速泳衣。

关键词：快速泳衣；游泳；减阻功效；鲨鱼皮

中图分类号：G818.4               文献标识码：A               文章编号： 1674-2346（2023）01-0053-05

在2008年北京奥运会游泳比赛中，著名美国游泳运动员菲尔普斯共计打破8项世界纪录，他所穿着的快速泳衣凭借在减少游进阻力、增大身体浮力、减少游泳运动员能量消耗与肌肉振动等方面的优势，充分提升游泳项目的运动成绩。在当今游泳竞赛中，快速泳衣凭借独有的制作工艺与性能表现，成了游泳运动员取得成绩突破的重要科技辅助手段。本研究通过检索中外文数据库（WoS、EBSCO、中国知网），综述了快速泳衣的发展历程、产品特点、性能特点和其他相关应用研究， 并结合该研究领域的若干热点问题，分析了快速泳衣在助力游泳竞赛方向的发展趋势， 为我国快速泳衣装备的创新研发提供有价值的经验借鉴与参考。

1    快速泳衣的发展历程

1.1    前鲨鱼皮泳衣时代

在古代奥林匹克运动会上的选手们几乎是赤身裸体参加比赛，衣服有可能会成为运动员们的累赘，妨碍运动表现。现代科技已经彻底改变了这种状况，特别是在竞技游泳运动项目中，合适尺码的紧身泳衣不仅不会影响成绩， 还会给运动员带来一定的辅助作用^[1]。

美国国家航空航天局兰利研究中心在20世纪80年代研发的技术，被Speedo公司的研发团队应用到泳装研发上^[2]。凭借这项先进材料技术，Speedo公司于1996年研发了“水刃”泳衣，并在泳衣面料上取得了重大创新，发明了世界上首例专为泳衣减阻所设计的面料S2000^[3]。S2000系列泳衣开启了快速泳衣的时代，在亚特兰大奥运会游泳比赛中有77%的获奖运动员都身着这款泳衣。

1.2    鲨鱼皮泳衣时代

1999年，国际泳联开始正式允许泳衣运动员穿着快速泳衣参赛^[4]。2000年，Speedo为游泳运动员们带来了具有划时代意义的快速泳衣――FASTSKIN鲨鱼皮泳衣，并采用了纤维仿鲨鱼皮肤结构，表面材质会与水流产生小漩涡，可将游进速度提升3%～7.5%^[5]。在悉尼奥运会游泳比赛中有83%的参赛选手选择身穿该款“鲨鱼皮”参加比赛，其中澳大利亚著名游泳选手伊恩·索普凭借这款泳衣分别在100米、200米自由泳、4x200米自由泳接力项目中斩获金牌，同时打破了两项世界纪录^[6]。

2004年，Speedo公司全新推出了第2代鲨鱼皮（FASTSKIN FS2）泳衣，在第1代鲨鱼皮泳衣的基础上增加了面料表面颗粒状的小点，成功减小了游泳运动员在游进过程中4%的水阻，整体功能相较于第1代快速泳衣提升7.5%^[7]，成功将47名游泳运动员送上了雅典奥运会的最高领奖台。

2007年，第3代鲨鱼皮泳衣“FASTSKIN FS_PRO”面世，面料成分主要由特细尼龙纱和防氧弹性纱组成，泳衣的弹性比同时期同类产品高出约15%，有研究显示这款泳衣可以通过增加肌肉的稳定性来节省运动员能耗约15%，在不到1年时间里先后助力世界各国的游泳运动员 21 次打破世界纪录^[8]。

2008年，在美国宇航局、澳洲流体力学实验室和Speedo公司的合作下研发了第4代鲨鱼皮泳衣 “FASTSKIN LZR RACER”，面料材质是由极轻、低阻、防水和快干性能的尼龙弹力面料组成，是全球首套以高科技熔接生产的无皱褶比赛泳装。与前一代相比，这一代“鲨鱼皮”泳衣融入了仿生学原理，在降低水中动态阻力方面提高了24%，穿着该款泳衣的运动员比穿着普通泳衣的运动员耗氧量减少3%。凭借这件新型鲨鱼皮泳衣，在2008年共计108项世界纪录被刷新^[9]。鲨鱼皮泳衣的出现改变了泳坛格局，使得全世界对这款装备的使用方式“伦理之争”达到了白热化程度。鲨鱼皮泳衣在2009罗马世锦赛中展现出的对竞技成绩的疯狂提升，导致国际泳联无法再承受社会舆论所带来的压力，最终对参赛泳衣的形态和尺寸展开了规则性的约束^[10]。鲨鱼皮泳衣时代虽然结束，但是随着体育产业科技的飞速发展，新型符合参赛规则的纺织材料快速泳衣出现了新一轮的科技装备竞赛。

1.3    后鲨鱼皮泳衣时代

2012年伦敦奥运会前夕，Speedo公司研发出符合新规则的“快皮 3”（FASTSKIN3）泳装系统。它使用了英国利兹大学索尔比环境流体力学研究室研发的一种具有最低流动阻力的纺织材料，由泳衣、泳帽和泳鏡3个部分组成，对比上一代产品在肢体覆盖面积上发生了很大的变化。通过相关实验证明，游泳运动员使用该款泳装系统能减少16.6% 的水流阻力和11% 的氧气消耗，在泳衣表面的浮凸线条显著地增加了游泳运动员在入水与转身过程中的身体稳定性。这款产品是国际泳联实行泳衣新规之后在泳衣设计上的最大进步。

2019年后，Speedo公司推出了“FASTSKIN LZR Pure Intent”和“FASTSKIN LZR Pure Valor”这两款新型快速泳衣。前者是为短程比赛游泳运动员所设计，表面材质由尼龙弹性织物制成，并在制作过程中根据人体工程学的特点将模仿鲨鱼皮肤的齿状纹理织入面料。对腿部与髋部展开灵活的压缩支撑分区设计，可以减少游泳运动员游进过程中的皮肤振动和疲劳。后者是针对多项目的长距离游泳运动员，它也是Speedo公司有史以来最轻量级的快速泳衣，优点在于腿部与腰带的全新压缩内缝处理，可以使运动员获得更大的肌肉支持，并对不同穿着喜好的运动员提供高腰和低腰两个版本的设计。

2    各阶段快速泳衣的产品特点

美国著名游泳教练员鲍曼曾指出，现今泳池内的技术动作普遍较为稳定，顶尖游泳运动员在技术上的差别很小，在此种情况下，快速泳衣的使用就会对运动员名次起到决定性作用。自1999年快速泳衣问世以来，该产品共经历了6个阶段的发展与改进，在6个不同的周期内，快速泳衣的特点如表1所示。通过对比分析可以看出，这6代泳衣在产品材质、特点和款式上逐渐改善和提高，科技含量也越来越高，逐渐贴合人体肌肉，并能够有效提高运动员的本体感觉。

3    快速泳衣对运动员竞技表现的影响作用

3.1    快速泳衣的减阻功效

在流体力学中，阻力一般分为3个部分：形态阻力、摩擦阻力和波浪阻力。

形态阻力与摩擦阻力的测定取决于雷诺数（Re）^[11]：

式中v为流体的流速、l为流体的长度、ρ为液体密度、μ为黏性系数。

波浪阻力的测定取决于弗劳德数（Fr）：

式中v为平均流速、g为重力加速度、H为平均水深度。

对快速泳衣的早期研究主要是针对减阻功效，开展流体力学试验，模拟水中的速度、运动员比赛姿态以及人体测量学数据，开发特殊的泳衣面料和表面处理工艺来减少阻力。

研究者在早期的产品研发中对快速泳衣的身体覆盖面积进行了相关的探讨。Benjanuvatra^[12]对9名穿着连体快速泳衣的运动员进行了被动阻力和主动阻力测试，实验结果显示连体快速泳衣在1.6、2.2和2.8 m/s速度下被动阻力和主动阻力均低于普通泳衣，并存在显著差异。Mollendorf等人^[13]对穿着肩到踝，肩到膝，腰到踝，腰到膝和三角裤的5组实验者展开被动阻力拖拽的对比实验，并对形态阻力、摩擦阻力和波浪阻力展开评价，研究显示使用不同覆盖面积的快速泳衣可以减少3%～10%的阻力，且身体覆盖面积与阻力的减少成正比。

纺织材料的特殊处理工艺是近年来快速泳衣主要的减阻研发方向。在2010年国际泳联下发泳衣设计禁令后，制造商开始通过探究不同纺织材料的粗糙度，以及对不同纺织材料使用部位的流体阻力特性来对快速泳衣的减阻功效进行评估。泳衣纺织组件中各层的表面粗糙度对运动员游进过程中的阻力有很大的影响。Debraux等人^[14]从流体力学对快速泳衣表面粗糙度展开了相关研究，结果表明使用表面粗糙度增加的纺织物可以减少运动员游进过程中的阻力，能有效提高竞赛成绩。增加表面粗糙度的主要方法为超疏水表面处理技术。超疏水表面是指具有低湿润性和接触角大于150°的材质。在目前的研究中发现， 通过在泳衣织物表面注入纳米级SiO₂颗粒，填充于织物纤维缝隙之间，形成有序排列的分子凹凸结构来增加泳衣的表面粗糙程度^[15]。在100m自由泳测试实验中，穿着疏水处理快速泳衣的相较于未穿着的运动员能够提高1.25s的成绩，且此差异具有显著性意义，证明该设计工艺能够达到疏水和减阻的目的^[16]。

3.2    快速泳衣对运动员机体能量代谢、肌肉功能以及力学表现的影响

目前，关于紧身运动服装帮助运动员提升运动表现的研究，主要涉及生理和能量代谢、肌肉功能等领域^[17]，针对快速泳衣的体育科学研究起步较晚。

在运动员机体能量代谢方面，Chatard等^[18]对14名游泳运动员开展最大速度下的1500米自由泳的水槽实验，对运动员的最大摄氧量、血乳酸浓度等指标进行采集，结果表明穿着快速泳衣的运动员相较于普通泳衣，平均能量消耗下降4.5%～5%，血乳酸浓度下降17%。该研究认为，能量消耗的下降可能会受到相同划频情况下划幅增加的影响。在对泳衣加压阈值与机体的能量代谢关系探索中发现，对于躯干部位，施加低于7.5 mmHg压力值的泳衣更有助于提高人体静脉血流的工作效率^[19]。目前以快速泳衣为对象促进机体代谢与疲劳延缓为主题的研究较少，但在对于其他体育项目的研究中发现，紧身服装具有增加血氧饱和度、改善运动后乳酸清除的作用^[20]。游泳项目具有长短距离分项和复杂的技战术影响因素，各个项目的生理学、运动学特征存在一定的差异。因此，探索快速泳衣对运动员机体能量代谢的影响机制仍有很大空间。

对于快速泳衣的肌肉压缩功能和力学表现研究表明，快速泳衣与穿着者、活动方式以及运动环境需保持动态关系，最终目的是凭借泳衣的织物特性和服装结构使运动员在水中保持良好身体姿势与力量使用效益，从而提高游泳运动员的速度和技术动作效率，而不是产生额外的负面压力和不适感^[21]。因此，在对泳衣的肌肉压缩功能设计的过程中需要保持运动员在水中的流畅性，并减少一系列由压缩肌肉而产生的动作限制问题。对于快速泳衣压缩肌肉的功能设计新理念是提升回能效果（回能效果是指游泳運动员通过织物收缩再利用自己的力量），主要特征为上下半身采用不同的弹力系数材质。相关研究表明在泳衣上半部分采用弹力小的纤维材料，在身体下部分用弹力大的纤维材料，可以有效回收运动员打腿时下打的反作用力，辅助下阶段打腿动作的复位，从而达到提高游进效益的目的^[22]。

4    快速泳衣的未来研发展望

4.1    搭建定制化剪裁设计平台

由于成本和产量等问题，现阶段的快速泳衣均按各个品牌自行规定的标准尺码展开销售。目前可选择的剪裁设计只提供了高腰和低腰两个版本设计，对于有许多特殊体型或不同穿着喜好的游泳运动员来说，存在剪裁不合理、体感不适、尺码不合身、妨碍技术动作等问题。因此，在未来需要研发一套定制化分区剪裁设计平台，可以对不同需求的游泳运动员展开个性化设计，以带给运动员更好的穿着体验。

4.2    研发一体化减阻系统

研究人员应考虑将泳帽、泳镜以及泳衣这三者的研发结合起来，根据人体结构学，最大程度地建立一套相互协调的一体化减阻系统。通过这套系统尽最大可能改善头部和躯干部位的流体力学特征，有效降低游泳运动员的游进阻力。

4.3    提高材料缝合技术

快速泳衣的裁剪拼接以及附加减阻结构是减少游进阻力的关键因素之一。虽然现阶段快速泳衣所采用的超声缝合技术是当今最先进的服装缝合技术，在泳衣接合面实现了完全密封，但在实际穿着的过程中仍出现泳衣撕裂的问题。因此，可以探索将纳米纤维技术融入缝合技术中，在接缝处模仿人类皮肤和肌肉组织，在确保密封性的同时提高材料的抗撕裂性。

4.4    提高对游泳项目针对性设计

现阶段的快速泳衣虽然对短距离和长距离的游泳项目做了区分性的款式设计，但尚未对不同泳姿项目做出划分设计。因此，可以通过采集运动员实际游泳比赛中不同项目的技术动作、身体姿势等运动学特征，设计出具有项目针对性的泳衣款式，以提高运动员的在不同项目中参赛表现^[23]。

4.5    开展生理生化指标影响研究

由于受到水中复杂环境的影响，游泳项目生理生化实验的展开具有一定难度。现阶段要加强对于水下生理生化实验器材的开发设计，提高水中肌电变化、最大摄氧量变化与血乳酸变化等数据的准确性。

参考文献

[1]方陵生.高科技泳衣挺进北京奥运[J].世界科学，2008（09）：27.

[2]Takagi Hideki，Sanders Ross.Hydrodynamics makes to splash[J].Physics Word.2000，9：39-43.

[3]杨继爽，王平，王洋，等.高科技泳衣推动游泳运动发展[J].中国发明与专利，2012（09）：26-27.

[4]Jennifer Craik.The fastskin revolution：from human fish to swimming androids[J].Culture Unbound Journal of Current Culture Research，2011，3：71-82.

[5]吴明康.仿鲨鱼皮泳衣技术的发展与应用前景[J].织科技进展，2009（2）：90-91，98．

[6]黄彩虹.论竞技体育中高科技应用的负效应：由高科技泳衣“禁赛”引发的思考[J].体育成人教育学刊，2011，27（01）：39-40.

[7]艾磊，刘凌，罗维，等.高科技泳衣的兴衰及其对竞技游泳运动的影响[J].吉林体育学院学报，2016，32（06）：42-46.

[8]唐桂萍.泳装的演变对竞技游泳的影响[J].游泳季刊，2011（3）：35-37．

[9]袁金龙，毛迪.高科技泳衣应用于竞技体育的伦理之争[J].赤峰学院学报（自然科学版），2013，29（11）：89-91.

[10]梁园.新材料高科技泳衣性能分析及其对竞技游泳运动的影响与展望[J].粘接，2020，43（08）：64-67，84.

[11]Kotb N A.Changes in knitted cotton/polyester fabric characteristics due to domestic laundering[J]. Journal of American Science，2012，8（5）：677-682.

[12]Ben januvatra N，Dawson G，Blanksby B A，et al.Comparison of buoyancy，passive and net active drag forces between Fastskinand standard swimsuits[J].Journal of Science and Medicine in Sport，2002，5（2）：115-123.

[13]Mollendorf J C，Termin A C，Oppenheim E，et al.Effect of swim suit design on passive drag[J].Medicine and science in sports and exercise，2004，36（6）：1029-1035.

[14]Debraux P，Bertucci W，Manolova A V，et al.New method to estimate the cycling frontal area[J]. International journal of sports medicine，2009，30（04）：266-272.

[15]Nazemi S， Khajavi R，Far H R，et al.Effect of hydrophobic finishing on drag force of swimwear[J]. International Journal of Clothing Science and Technology，2017，30（1）：2-15.

[16]趙德峰，王开利，叶晶龙，等.拒水泳衣的制备及其减阻性能[J].染整技术，2020，42（01）：46-49.

[17]傅维杰，黄灵燕，夏锐，等.紧身装备对下肢关节力学、软组织振动和肌肉活动的影响[J].中国运动医学杂志，2015，34（09）：854-861.

[18]Chatard J C，Wilson B.Effect of fastskin suits on performance， drag， and energy cost of swimming[J]. Medicine and science in sports and exercise，2008，40（6）：1149-1154.

[19]徐加豪，張保国，王小迪.紧身运动装备在运动领域的作用研究进展[J].中国运动医学杂志，2021，40（05）：402-416.

[20]杨宸灏，杨洋，胡齐，等.紧身服装在冬奥竞速运动项目中的研究与应用现状[J].中国体育科技，2020，56（01）：24-30.

[21]Cicek A，K vak T，SamtaG.Application of Taguchi method for surface roughness and roundness error in drilling of AISI 316 stainless steel[J].Strojni ki vestnik-Journal of Mechanical Engineering，2012，58（3）： 165-174.

[22]刘辅庭.竞赛泳衣的开发[J].现代丝绸科学与技术，2013，28（05）：198-199.

[23]冯鹏飞.高功能新型复合材料泳衣压力舒适性能研究[J].粘接，2022，49（05）：76-79.

The Development and Prospect of Fast Swimsuits in Competitive Swimming Sports

DAI Cheng-Ming    ZHAO Jing    LU Yi-feng

（Chengdu Sport University，Chengdu，Sichuan 610041，China）

Abstract： The rapid improvement of the world swimming competition level also benefits from the use and innovation of high-tech products.Based on the literature review of the past 20 years，this paper discusses the influence of fast swimsuit on the competitive performance of swimmers.It is found that the research and development and production of fast swimsuit are still in the imitation stage，and lack of research foundation and innovation ability.In the future，the ergonomic evaluation system can be established according to the physiological and biomechanical characteristics of different swimming styles，and the fast swimsuit suitable for the individual characteristics of Chinese athletes can be explored.

Key words： fast swimsuit;swimming;resistance reducing effect;sharkskin