科技進步在殘疾人競技運動中的作用——以膝下截肢短跑運動為例

馮 毅，文 安，劉 宇

1 前言

殘疾人競技運動是指由殘疾人參加的，有競技性、有競爭成分、有組織，并且能使殘疾人產(chǎn)生某種特殊體驗的身體活動［11］。隨著殘疾人社會地位的提高，殘疾人可參加的競技運動比賽越來越多，其中，殘疾人奧林匹克運動會（Paralympic Games，以下簡稱“殘奧會”）是全世界殘疾人競技運動最高水平的綜合性賽事。殘奧會包括夏季殘奧會和冬季殘奧會，是在奧運會年舉行的、由殘疾人運動員參加的、奧林匹克運動形式的運動競賽［7］。殘奧會的前身是斯托克－曼德維爾運動會（Stoke Mandeville Games），由英國外科醫(yī)生Sir Ludwig Guttmann創(chuàng)立，于1948年倫敦奧運會前一天在英國的Stoke Mandeville舉行。在Guttmann的推動下，1960年，在奧運會舉辦地羅馬舉行了第1屆以Paralympics冠名的殘奧會；第1屆冬季殘奧會于1976年在瑞典的Ornskoldsvik舉行［37］。迄今為止已舉辦了14屆夏季殘奧會和11屆冬季殘奧會。20世紀80年代，殘奧會的組織機構(gòu)——國際殘疾人奧林匹克委員會（International Paralympic Committee，IPC）與國際奧委會（International O－lympic Committee，IOC）開始實質(zhì)性的合作。兩者達成共識，從1988年漢城奧運會開始，采取奧運會結(jié)束后在同一賽場舉辦殘奧會的模式。自此，殘奧會已成為了奧林匹克運動的一部分［7］。

隨著殘疾人競技運動的發(fā)展，運動水平也不斷提高。在部分項目上，部分殘疾人的運動成績甚至可以接近正常運動員的標準［28］。對于參加競技運動的殘疾人而言，輪椅、假肢、投擲椅、坐式滑雪板等運動裝備是必不可少的。這些運動輔助器具不斷改進的設(shè)計促進了殘疾人運動成績的提高，其中，科技進步起到重要作用［19，38］。在眾多殘疾人競技運動項目中，膝下截肢短跑運動的發(fā)展和碳纖維假肢的使用就極為引人矚目。雙側(cè)膝下截肢的南非短跑運動員Oscar Pistorius佩戴碳纖維材料的短跑專用假肢參加了2011年世界田徑錦標賽和2012年奧運會的男子400 m跑比賽，且均進入半決賽。碳纖維假肢于1988年首次出現(xiàn)在殘奧會田徑賽場，其設(shè)計不斷加以改進，逐步被高水平殘疾人運動員所接受。在如今的殘奧會田徑賽場上，膝下截肢的短跑運動員所佩戴的假肢均由碳纖維材料制成［31］。2012年奧運會和殘奧會之后，膝下截肢的短跑比賽運動水平又有了大幅提升，運動成績進一步逼近健全人。值得注意的是，膝下截肢短跑運動的發(fā)展過程也是碳纖維假肢的設(shè)計不斷改進和演化的過程［32］，而運動員運動成績的提高顯然得益于假肢技術(shù)的進步［38］。

本研究將分析短跑專用假肢的演化歷史、碳纖維假肢的性能，以及膝下截肢短跑運動的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，探討假肢技術(shù)的進步對于膝下截肢短跑運動員成績提高所起的重要作用；并對膝下截肢短跑運動和假肢技術(shù)的發(fā)展前景作出展望。以此為例，闡述科技進步在殘疾人競技運動中的重要作用。若不加特別說明，本研究所討論的假肢均指小腿假肢，即膝下截肢運動員所使用的假肢；本研究以討論男性運動員的運動成績?yōu)橹?。殘疾人運動成績均引用自國際殘疾人奧林匹克委員會官方網(wǎng)站。

2 膝下截肢短跑運動的發(fā)展——歷史與現(xiàn)狀

根據(jù)IPC關(guān)于田徑項目身體損傷程度的分級方案，在參加跑類項目的下肢截肢運動員中，單側(cè)膝上截肢者為T42級，雙側(cè)膝下截肢者為T43級，而單側(cè)半足至膝下截肢者為T44級［35］。參加T42級、T43級和T44級的截肢運動員通常佩戴下肢假肢進行比賽；其中，作為雙側(cè)和單側(cè)膝下截肢的殘疾人佩戴小腿假肢參加T43級和T44級短跑項目的競賽。由于參賽人數(shù)較少，T43級運動員通常合并至T44級項目，同場競賽并共同計算比賽成績和排列名次。

1976年，在加拿大多倫多舉行的第5屆夏季殘奧會上，首次設(shè)立下肢截肢組短跑比賽［38］，其后該項目運動水平得以迅速提高［32］。以男子T44級（單側(cè)膝下截肢者）100m跑為例，1976年殘奧會冠軍成績?yōu)?4.3s，而2012年殘奧會冠軍成績已達10.90s，圖1為1976—2012年歷屆殘奧會男子T44級100m跑的冠軍成績。該項目運動水平的提高固然有殘疾人運動的普及、職業(yè)體育的推廣、訓(xùn)練水平的提高等因素，但高新科技的引入，尤其是碳纖維假肢的出現(xiàn)和設(shè)計的改進，對于下肢截肢組短跑運動成績的提高起著極為重要的作用［38］。1988年殘奧會賽場上碳纖維假肢的首次出現(xiàn)對于下肢截肢短跑運動而言，更是一個里程碑式的突破［32］（圖1）。

圖1 1976—2012年歷屆殘奧會男子T44級100m跑的冠軍成績示意圖Figure 1. Champion Results of 1976—2012 Paralympic Games，Men＇s 100mT44

繼Oscar Pistorius在2012年倫敦奧運會和殘奧會的出色表現(xiàn)之后，膝下截肢短跑項目的運動水平又有了大幅提升，運動成績進一步逼近健全人。尤為引人矚目的是在2013賽季，出生于1992年的巴西雙側(cè)膝下截肢短跑運動員Alan Oliveira在T43級100m、200m和400m3個單項中均大幅提高個人最好成績，并打破100m、200m世界紀錄，其200m成績達20.66s，接近于世界田徑錦標賽和奧運會的參賽B標。而T44級100m、200m和400m的世界紀錄也均在2013賽季被打破（表1）。需要指出的是，雖然T43級短跑各單項的世界紀錄均高于T44級，但在IPC田徑項目中，T43級遠不如T44級和其他級別普及。2013年，進入IPC中T43級100m、200m、400m各單項排名的運動員均不超過10人，并未形成有效的競爭局面，項目水平主要依賴于個別明星的表現(xiàn)。而進入T44級排名的運動員數(shù)量眾多，競爭激烈且整體水平較T43級更高。原因可能是，T43級運動員的殘疾程度較T44級更高，運動及日?；顒又猩眢w受限更大，使得其參加專業(yè)訓(xùn)練時的起點較低，技術(shù)難度更大，而且由于碳纖維價值相當昂貴，使得參加T43級的運動員比T44級運動員面臨更大的經(jīng)濟花費。但結(jié)合Oscar Pistorius、Alan Oliveira的卓越表現(xiàn)可以說明，蘊藏在雙側(cè)膝下截肢殘疾人身體中的運動潛力其實并未得到普遍、充分的發(fā)掘。

表1 Oliveira個人紀錄與男子T43級、T44級和健全男子短跑世界紀錄比較一覽表 （s）Table 1 Personal Bests of Oliveira，World Records of Men＇s T43and T44，World Records of Men in Sprinting

受制于經(jīng)濟條件和殘疾人競技運動的發(fā)展水平，我國膝下截肢短跑運動的普及程度遠不及發(fā)達國家，只有極少量的T44級運動員參加短跑訓(xùn)練和比賽。至于我國運動員所佩戴的假肢，以往主要采用國內(nèi)產(chǎn)品：20世紀90年代，單側(cè)膝下截肢的女運動員汪涓佩戴國產(chǎn)日常用假肢打破100m世界紀錄；單側(cè)膝下截肢的運動員孫長亭佩戴國產(chǎn)玻璃纖維假肢打破跳遠項目世界紀錄［3］，并獲得殘奧會標槍項目金牌和短跑項目第4名。隨著經(jīng)濟條件的改善，如今我國參加跑跳類項目的下肢截肢運動員基本上都使用國外的運動假肢。汪涓在1999年佩戴碳纖維假肢后參加了4屆殘奧會，奪得T44級100m、200m和跳遠項目的數(shù)枚獎牌，成為我國僅有的膝下截肢短跑項目的世界級運動員。而在男子項目上，雖然多年來中國在截肢跳高、跳遠項目上擁有一批優(yōu)秀殘疾人運動員，但在截肢短跑項目上卻始終未收獲殘奧會獎牌?？紤]到運動假肢的使用很不普及，近年來，我國下肢假肢的生產(chǎn)和研究已主要集中于日常使用型［6］。

3 假肢技術(shù)的進步在膝下截肢短跑運動發(fā)展中的作用

對于參加短跑項目訓(xùn)練和比賽的膝下截肢殘疾人而言，專用的小腿假肢是必不可少的運動裝備，其不斷改進的設(shè)計促進了殘疾人運動成績的提高，其中，科技進步起到重要作用［19，38］。小腿假肢通常由內(nèi)支架、接受腔及懸吊裝置構(gòu)成。假肢的骨架即為內(nèi)支架，相當于足－踝－小腿結(jié)構(gòu)；接受腔是患者殘肢和假肢的接觸界面，容納殘肢并通過懸吊裝置將假肢與身體相連接［23］。小腿假肢按照功能可分為日常用假肢和專用的運動假肢。用于參加競賽活動的運動假肢，其設(shè)計側(cè)重于截肢運動員的運動表現(xiàn)及其比賽成績的提高［8］。參加短跑比賽和訓(xùn)練的截肢運動員，其佩戴的假肢經(jīng)歷了由日常假肢向運動型假肢、短跑專用假肢發(fā)展和分化的過程，這同時也是膝下截肢短跑運動不斷快速發(fā)展的過程。

3.1 短跑專用假肢的演化

20世紀50年代末發(fā)明的定踝軟跟足SACH（Solid－Ankle Cushioned Heel，Ohio Willow Wood，Ohio，USA）是一種木質(zhì)剛性假肢，踝關(guān)節(jié)處固定，而足跟部墊有泡沫材料作為緩沖。這類假肢的功能也只是恢復(fù)基本行走和簡單的工作任務(wù)，基本不具備參加競技運動的功能［25］，其設(shè)計和材料直至20世紀80年代都沒有太大的改變［31］。

對于充滿活力的截肢運動員來說，其需求已不僅僅滿足于步行，而是能夠跑跳和參加競技運動。運動型假肢Seattle Foot的設(shè)計拓展了截肢者的運動能力［33］。1981年面世 的 Seattle Foot（Seattle Limb Systems，Poulsbo，WA，USA）引入了儲能假肢（Energy－Storing Prosthetic Foot，ESPF）的概念，其整體式的骨架在步態(tài)前期加載時會像彈簧一樣彎曲變形，而在步態(tài)后期將儲存的部分能量返還給截肢者以幫助推動其向前運動。但在Seattle Foot中，依然保留了泡沫緩沖足跟的設(shè)計［25］。儲能假肢所使用的儲能材料包括：Seattle Foot采用的杜邦公司生產(chǎn)的專利產(chǎn)品Delrin——一種樹脂材料［25］，20世紀90年代初清華大學研制的運動假肢所采用的玻璃纖維材料［3］，以及當今殘奧會田徑賽場上最為盛行的碳纖維材料等［25］。其中，玻璃纖維材料的儲能式運動小腿假肢，其能量效率低于同時代的Flex－Foot，但高于Seattle Foot［3］。

1984年，單側(cè)膝下截肢的美國工程師Van Phillips設(shè)計 出 碳 纖 維 假 肢 Flex－Foot（Flex－Foot，Inc.Aliso Viejo，CA），它包含了易彎曲的碳纖維小腿－足和彈性足跟各一片，能夠使假肢在整個長度內(nèi)產(chǎn)生彎曲、吸收和返還能量，而不是僅僅在足部。這一不同尋常的設(shè)計被認為是當時最先進的儲能假肢。該產(chǎn)品于1987年進入市場［25］，并于1988年殘奧會首次亮相于頂級殘疾人運動會。美國殘疾人運動員Dennis Oehler佩戴Flex－Foot參加了單側(cè)膝下截肢組100m跑比賽，以11.73s奪冠，而該單項1984年殘奧會冠軍的成績?yōu)?3.12s［32］。1992年假肢的彈性足跟被去除，于是誕生了第一款短跑專用假肢［31］。2000年，Van Phillips將Flex－Foot專利賣給了?ssur公司，后者制造的無后跟假肢 Flex－Foot Cheetah（?ssur，Reykjavik，Iceland）現(xiàn)已裝備了多名頂尖的截肢短跑運動員。如今，在跑跳項目的頂級比賽中，碳纖維假肢已處于支配地位，其設(shè)計與1992年款式相比并無根本性的改動。圖2為近年來幾款不同短跑專用假肢的設(shè)計圖，適合于膝下截肢運動員使用，其設(shè)計具有以下共同特點：1）采用碳纖維作為假肢主要材料；2）無足跟設(shè)計；3）假肢的剛度和形狀可以依據(jù)運動員個體特征進行優(yōu)化［31］。

圖2 幾近來幾款不同短跑專用假肢的設(shè)計示意圖Figure 2. The Different Sprint Foot Designs［31］

從節(jié)能、舒適度和經(jīng)濟角度考慮，這些由價格昂貴的碳纖維材料制成的短跑專用小腿假肢并不適用于截肢者在日常生活中佩戴。短跑專用假肢主要的功能是奔跑和站立，所以無需考慮運動員穿戴運動假肢時的生活方便與否。碳纖維是一種具有很高儲能性的材料；儲能性高的假肢適合劇烈的高沖擊級別運動，而在低沖擊級別的日常生活中，其他因素對使用者的能耗影響更大［10，22］。

3.2 碳纖維假肢的能量效率

1958年，美國化學家Roger Bacon發(fā)明了高性能碳纖維［14］。碳纖維是由粘膠、聚丙烯腈、瀝青等有機母體纖維在1 000℃～3 000℃高溫的惰性氣體環(huán)境中分解制成的一種無機材料，含碳量在90%以上，具有重量輕、力學性能好、比強度、比剛度高、可設(shè)計性強、易加工成型及環(huán)保等優(yōu)點［5］。而假肢部件的輕質(zhì)化對降低穿戴者運動所消耗的能量、提高假肢的穿戴效果具有重要影響。由此，碳纖維材料在假肢領(lǐng)域得到快速發(fā)展和應(yīng)用［1］。

碳纖維假肢可簡化為彈簧模型，在加載時儲存能量，而在卸載時釋放能量；后者與前者的比值稱為彈簧的能量效率。由于存在諸如發(fā)熱和噪聲等摩擦和能量損失，任何彈簧的能量效率都不可能是100%。彈簧的能量效率可以在靜態(tài)或動態(tài)條件下測量獲得，但兩者在結(jié)果上很難相互比較［25，31］。從動力學觀點來看步態(tài)過程，足在支撐前期儲存能量，在支撐后期釋放能量。而儲能假肢由于特殊的設(shè)計和材料，釋放能量與儲存能量之比一般在50%以上。采用高彈性、高強度的碳纖維材料假肢，其釋放能量與儲存能量之比高達95%以上。碳纖維假肢極高的能量效率且輕質(zhì)，使截肢者在使用時更為節(jié)省能量［21］。

3.3 佩戴碳纖維假肢的局限性

在進行奔跑時，踝關(guān)節(jié)比下肢其他關(guān)節(jié)作功更多［25］，通過跟腱、足的縱弓和積極的跖屈來儲存、返還并產(chǎn)生能量［31］。Czerniecki（1991）對 于 SACH、Seattle Foot和 Flex－Foot進行的研究表明，在跑速為2.8m／s的條件下，這3種小腿假肢的能量效率分別為31%、52% 和84%；而利用逆向動力學公式計算得到的足的能量效率為241%［21］。與健全人足241%的能量效率相比，儲能假肢并沒有任何的優(yōu)勢。碳纖維假肢在展現(xiàn)出比其他假肢更高的能量效率的同時，作為被動系統(tǒng)卻并不能提供接近于人足的能量效率［31］。在跑的支撐階段，截肢者和健全人依靠踝關(guān)節(jié)或假肢產(chǎn)生大部分的能量，其次是膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)伸肌。將假肢與人的下肢作比較，F(xiàn)lex－Foot假肢的“踝關(guān)節(jié)”吸收了28.6J的能量，產(chǎn)生了24.1J的能量；而人的踝關(guān)節(jié)吸收了26.1J的能量，產(chǎn)生了62.9J的能量。另外，截肢者患肢膝關(guān)節(jié)的表現(xiàn)也不如健肢膝關(guān)節(jié)；作為補償，患肢髖關(guān)節(jié)吸收和產(chǎn)生了比健肢髖關(guān)節(jié)更多的能量。若將3關(guān)節(jié)一起考慮，膝下截肢者支撐階段下肢產(chǎn)生的總能量只有健全人的70%［21］。這表明，雖然在髖關(guān)節(jié)有補償，假肢在支撐階段產(chǎn)生的能量并沒有超過健肢［31］。

Buckley（2000）在比較兩位單側(cè)膝下截肢者均佩戴兩款短跑 專 用 假 肢 （Flex Sprint and Cheetah，Reykjavik，Ice－land）以6.81～7.05m／s的速度進行奔跑的效果時，發(fā)現(xiàn)健肢踝關(guān)節(jié)功率的峰值遠高于假肢，健全足為1 853～2 741W，而Flex Sprint為870～1 012W，Cheetah為307～637W。這一結(jié)果看出不同短跑專用假肢之間存在差別，而且它們都不可能產(chǎn)生與人足同樣的功或功率［16，30］。Grabowski（2010）研究了4男2女共6名單側(cè)膝下截肢的優(yōu)秀殘疾人短跑運動員，讓他（她）們佩戴短跑專用假肢進行各種速度的奔跑（包括最高速度），發(fā)現(xiàn)患肢的垂直地面反作用力要比健肢少約9%，而在擺動時間上，患肢與健肢無顯著性差異，并且與已有報道的健全人接近。由此推斷，短跑專用假肢減少了力的產(chǎn)生，并限制運動員的最高速度。某些單側(cè)膝下截肢的優(yōu)秀殘疾人短跑運動員可能會學習并訓(xùn)練通過加快兩腿擺動，來補償患肢所產(chǎn)生力量的不足［24］。

Hobara（2014）研究了8名單側(cè)膝下截肢短跑運動員和8名健全人進行速度為2.5m／s、3.0m／s和3.5m／s的慢跑，發(fā)現(xiàn)截肢者健肢的垂直地面反作用力的峰值和加載率均顯著高于其患肢和健全人，提示單側(cè)膝下截肢短跑運動員的健肢具有更高的受傷風險［26］。

Hafner（2002）認為，佩戴假肢裝置在生理上并不能完全取代被截肢的足和踝關(guān)節(jié)。因為足和踝關(guān)節(jié)的肌肉骨骼復(fù)合體不僅吸收能量，而且產(chǎn)生的能量較其吸收能量更多；要完全取代下肢，還需要主動型的假肢部件。而當前的商業(yè)碳纖維假肢為被動材料，因此，至多只能部分地取代所缺失的生理系統(tǒng)。這導(dǎo)致了佩戴碳纖維假肢的單側(cè)膝下截肢者在走、跑步態(tài)中肢體之間在時間、動力學和運動學等步態(tài)參數(shù)上存在著顯著的不對稱［25］?，F(xiàn)市場上已有多款適用于截肢者日常活動的、采用電機驅(qū)動的主動型智能踝足機構(gòu)假肢［9］，但未見其應(yīng)用于正式殘疾人田徑比賽的報道。

以上這些研究說明，對于由被動材料碳纖維制造的假肢，只能儲存能量并返還能量，而不能像健肢的踝關(guān)節(jié)一樣主動收縮產(chǎn)生能量，這就能夠解釋為何在需要更為強大推進力和輸出功率的短跑起跑和加速跑階段，膝下截肢運動員（尤其是雙側(cè)膝下截肢的運動員）與健全運動員相比存在明顯差距。

3.4 佩戴碳纖維假肢的優(yōu)勢

Brüggemann（2007—2008）對于 Oscar Pistorius的研究表明，健肢與安裝了假肢的患肢在人體測量學和慣性特性方面都不相同。骨架和接受腔的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量均低于穿有跑鞋的健肢，這使得抬升和加速擺動腿所需的機械功更少。根據(jù)碳纖維的材料特性，假肢骨架具有高比例的能量返還。通過對奔跑時關(guān)節(jié)的動力學分析，強調(diào)了雙側(cè)膝下截肢運動員與相同水平的健全運動員（控制組）之間的顯著差異，是完全不同的運動模式，也是完全不同的肌肉加載形式。在膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)處較低的外關(guān)節(jié)力矩，觸地期在膝關(guān)節(jié)處較低的機械功，假肢踝關(guān)節(jié)處較低的能量損失，以及每一次觸地整個身體較低的機械功，這些導(dǎo)致了雙側(cè)膝下截肢短跑運動員使用專用假肢進行短跑，雖然與控制組跑速相同，但卻消耗更少的能量：在進行400m的次最大能力奔跑測試時，前100mPistorius的耗氧量略高于控制組；但在后3個100m，Pistorius的耗氧量均較控制組低25%。因此，佩戴碳纖維假肢跑400m，其后程更占優(yōu)勢。在2007年羅馬舉行的國際田聯(lián)大獎賽400m比賽中，Pistorius跑出46.90s的成績，其中，200～300m之間用時為10.8s，平均速度為9.25m／s。這個速度接近于頂尖的400m健全運動員（成績約為44s）奔跑的最大速度。但是，這一優(yōu)勢僅限于雙側(cè)膝下截肢的短跑運動員。Brüggemann認為，單側(cè)膝下截肢運動員患肢與健肢之間能力存在不對稱性，而且從跑的動力學來看，單側(cè)膝下截肢者缺乏更為有力的肢體環(huán)節(jié)。這也可以解釋為何在200 m和400m項目上，雙側(cè)膝下截肢組的紀錄要遠高于單側(cè)膝下截肢組［15］。

3.5 Pistorius參加IAAF比賽的資格問題

在經(jīng)歷了2007賽季與健全人的同場競技之后，對于Pistorius是否有資格繼續(xù)參加IAAF比賽，尤其是2008年北京奧運會的問題，2008年1月IAAF（International Association of Athletics Federations，國際田徑聯(lián)合會）依據(jù)Brüggemann對于 Oscar Pistorius的研究結(jié)果［15］認定，Pistorius的假肢為其帶來了競爭優(yōu)勢，不符合IAAF競賽規(guī)則第144條第2款的規(guī)定。該條款禁止運動員使用任何可能增加其競爭優(yōu)勢的輔助設(shè)施，包括使用任何具有彈跳、旋轉(zhuǎn)及其他功能的技術(shù)設(shè)施［27］。因此，他不能再使用這雙假肢與健全人競賽，包括參加北京奧運會。針對IAAF的這一決定，Pistorius向CAS（Court of Arbitration for Sports，國際體育仲裁法庭）提起仲裁，請求CAS推翻IAAF的決定，允許其參加健全人的競賽。CAS在綜合考慮雙方的證據(jù)后認為，沒有足夠的證據(jù)證明Pistorius通過其假肢獲得了全面的凈優(yōu)勢，并且在現(xiàn)有條件下無法認定Pistorius的假肢違反了IAAF競賽規(guī)則第144條第2款的規(guī)定。據(jù)此，CAS于2008年5月裁決，IAAF應(yīng)允許Pistorius參與健全人的比賽。CAS做出的仲裁裁決具有法律約束力，IAAF不得不再次確認Pistorius的參賽資格，并對于競賽規(guī)則第144條第2款進行了修訂。然而，針對佩戴碳纖維假肢是否帶來優(yōu)勢這一問題，自2007年P(guān)istorius參加IAAF賽事以來，就在體育組織、媒體和學術(shù)界產(chǎn)生了廣泛的爭議，有些爭論還超出科學的范疇［29，40］。

值得注意的是，CAS的這一裁決是僅針對Pistorius及特定類型假肢有效的個案，并且是基于彼時的科技條件做出，因而是暫時的、未來可更改的［13］。

3.6 小結(jié)

截肢運動員短跑運動項目的發(fā)展與假肢技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，如今，在殘奧會等頂級殘疾人田徑賽事中，碳纖維假肢已在截肢短跑項目中處于支配地位。一方面，碳纖維假肢并不能像健肢的踝關(guān)節(jié)肌肉一樣主動收縮產(chǎn)生能量，另一方面，由于其輕質(zhì)和高比例的能量返還，膝下截肢短跑運動員會因為佩戴碳纖維假肢消耗比健全運動員更少的能量，在途中跑中獲得額外的優(yōu)勢。佩戴碳纖維假肢是否帶來優(yōu)勢，這一問題還存在爭議。而對于佩戴假肢的殘疾人運動員是否能參加正式的健全人國際田徑比賽，則必須得到IAAF的允許。

4 短跑假肢技術(shù)與膝下截肢短跑運動的前景展望

4.1 短跑假肢技術(shù)的前景展望

假肢的形狀、剛度設(shè)計、接受腔設(shè)計以及對線技術(shù)對于短跑運動表現(xiàn)會產(chǎn)生重要影響。未來在短跑假肢技術(shù)的發(fā)展過程中，這些針對特定運動員的個性化設(shè)計的優(yōu)化和裝配技術(shù)的提高，將使得碳纖維假肢材質(zhì)無實質(zhì)性改變的條件下，進一步提高截肢運動員的運動水平。

4.1.1 假肢的形狀、剛度設(shè)計

短跑專用假肢依據(jù)截肢者的身高、體重、健肢奔跑步態(tài)等個人情況進行個性化定制，由于價格昂貴，目前只有成人型號。盡管所有的短跑專用假肢均設(shè)置為“以足趾奔跑”的狀態(tài)，但根據(jù)制造商和模型不同，其形狀也略有不同（圖2）。每只短跑專用假肢都有不同剛度范圍，根據(jù)截肢者體重推薦給使用者。研究發(fā)現(xiàn)，在人體下肢中，腿的剛度與最大短跑速度顯著相關(guān)［20］。膝下截肢者如佩戴Cheetah假肢中剛度較大的類別，可改善其奔跑的對稱性；研究還發(fā)現(xiàn)，Cheetah假肢跖屈角增大可有效產(chǎn)生更短的足趾杠桿，以減小伸髖力矩，并增加奔跑的對稱性［23］。為了在高應(yīng)力區(qū)增大剛度，假肢的直線段和曲線段結(jié)合部位的碳纖維層數(shù)需加厚，而為了減小剛度，在足尖部等處碳纖維層數(shù)較少。為了測量短跑專用假肢形狀和剛度對奔跑速度的影響，有一項研究將3款新設(shè)計的假肢與Cheetah假肢作比較，雖然它們之間關(guān)系復(fù)雜，但短跑速度可能是短跑專用假肢形狀和剛度的函數(shù)，并且碳纖維假肢是可以優(yōu)化的。然而，增大的假肢剛度可能會以降低能量效率為代價［25］。

4.1.2 假肢的接受腔設(shè)計

接受腔是患者殘肢和假肢的接觸界面，它能將殘肢舒適的收納在其中，并能將作用力有效地傳遞到假肢遠端部位的人體－機械系統(tǒng)的界面部件。假肢技術(shù)的進步對于截肢短跑運動員成績的提高起到了重要作用，但接受腔設(shè)計對于成績的影響如何，迄今尚無研究；而在高強度運動中，接觸界面載荷增大，這一問題卻至為重要［38］。小腿截肢會改變骨盆和脊柱的定位［17，18］，進而對短跑步態(tài)產(chǎn)生實質(zhì)性的影響，因此，對于接受腔設(shè)計如何影響運動成績，需要進行整體性的評估［38］。接觸界面的承重問題一直是小腿假肢接受腔設(shè)計的核心，而全面負重小腿假肢（Total Surface Bearing，TSB）的理念是，把體重更加平均地分布于整個殘肢，減少由于局部壓力過大帶來的皮膚潰破等問題［34］。

4.1.3 短跑假肢的對線

在進行假肢的裝配前，接受腔、關(guān)節(jié)、內(nèi)支架等假肢主要部件的定位和校準稱為對線［38］。下肢假肢必須經(jīng)過對線調(diào)整，才能達到適合截肢者使用的目的［2］。在下肢假肢制作及裝配過程中，需要通過工作臺對線、靜態(tài)對線和動態(tài)對線確定接受腔與功能部件之間的空間相對位置關(guān)系。對線不僅影響假肢舒適性和安全性，而且和患者的站立姿勢、步態(tài)、能耗等都有著直接的關(guān)系［4，12］。在為運動假肢對線時，應(yīng)充分考慮到殘肢的自然屈曲、外展和外旋的角度，以及接受腔與膝關(guān)節(jié)連接的距離。在自然屈曲位對線，能夠保證運動員在短跑時的最大步幅，以利于成績的提升［7，17］。對線和質(zhì)心位置在短跑專用假肢模型和個人設(shè)置之間會有不同。由研究得知，將載荷作用線后移會增加跖屈［30］，將更大載荷施加于足趾，并改善對稱性［36］。問題是，將這一功能最大化不僅是為了獲得最大跑速，而且為了截肢者從靜止加速至最大跑速之前的速度；為獲得擺動速度、有效增大跑速，短跑專用假肢會根據(jù)質(zhì)心位置和慣性進行修改以獲得其最佳組合［31］。

4.2 膝下截肢短跑運動的前景展望

膝下截肢短跑項目的分級包括T43級（雙側(cè)膝下截肢）和T44級（單側(cè)膝下截肢），T44級短跑項目更為普及且整體水平更高，而參與T43級的運動員數(shù)量極少。但依靠技術(shù)上的優(yōu)勢，T43級個別明星運動員的成績遠高于T44級運動員，并且已成為真正意義上的職業(yè)田徑運動員。例如，Oscar Pistorius從2007年開始參加職業(yè)田徑比賽，他在倫敦奧運周期的收入已躋身于一流田徑運動員的行列；而Alan Oliveira在近年來也頻繁參加商業(yè)比賽，2013年3月31日的Copacabana海灘，他與Usain Bolt進行了同場，但非同組的150m直道競速，跑出了15.68s的成績?，F(xiàn)今，高水平殘疾人田徑運動員已得到政府、社會和贊助商的資金支持，成為專業(yè)或職業(yè)運動員。為促進殘疾人田徑項目水平的提高，IPC在2013年首次推出殘疾人田徑系列大獎賽，其中有一站設(shè)在北京，在比賽中，有膝下截肢短跑項目的世界紀錄被打破。這一系列賽事的出現(xiàn)對原本參與程度很低的T43級的發(fā)展將產(chǎn)生積極的影響。隨著越來越多殘疾人田徑賽事的舉辦，蘊藏在雙側(cè)膝下截肢殘疾人身體中的運動潛力將會得到更為充分的發(fā)掘。由于T44級與T43級運動員常常會同場競技，預(yù)計前者的整體水平也將逐步提高。

通過本研究以上分析，膝下截肢短跑運動在未來將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢：

1.殘疾人競技運動的發(fā)展與普及將促進訓(xùn)練的職業(yè)化、高新科技的應(yīng)用，這是膝下截肢短跑項目運動水平提高的最根本因素；而高新科技的不斷引入會促進項目水平的提高，并將推動雙側(cè)膝下截肢短跑項目的普及。

2.高新科技將不斷被引入，其發(fā)展方向可能在于：個性化設(shè)計的優(yōu)化和裝配技術(shù)的改進、電活性聚合物人造肌肉、外骨骼系統(tǒng)、主動型智能假肢、3D打印技術(shù)等。

3.雙側(cè)膝下截肢短跑運動員的運動水平將會在未來數(shù)年內(nèi)迅速接近甚至超過健全短跑運動員的水平。具體來看，巴西的雙側(cè)膝下截肢短跑運動員Alan Oliveira有望進入2016年里約奧運會男子200m決賽。如果截肢短跑運動員果真能夠站在奧運會決賽跑道上，那么可以預(yù)見，將會極大促進殘疾人競技運動的發(fā)展，同時，也將會有新一輪對于短跑假肢的爭議。至于2020年奧運會和殘奧會周期，隨著殘疾人競技運動的普及，雙側(cè)膝下截肢短跑運動的發(fā)展前景將會更為樂觀。

5 結(jié)語

膝下截肢殘疾人運動員參加短跑比賽已近40年的發(fā)展歷史，假肢技術(shù)的進步對于膝下截肢短跑運動員成績提高起到了重要作用，而佩戴短跑專用假肢的雙側(cè)膝下截肢的短跑運動員參加奧運會已成為現(xiàn)實。本研究通過分析雙側(cè)膝下截肢短跑運動的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，對項目發(fā)展前景進行了展望，認為該項目的運動水平會隨項目的普及和假肢技術(shù)的發(fā)展而不斷提高，部分單項上個別運動員的成績有可能達到或超過健全短跑運動員。

科技進步對殘疾人競技運動的重要作用已越來越受到矚目，雙側(cè)膝下截肢、佩戴高科技智能假肢參與攀巖等運動的麻省理工學院生物物理學家Hugh Herr博士曾說：人們總是認為人體是最完美的，但事實并非如此。未來數(shù)年內(nèi)，雙側(cè)膝下截肢短跑運動的發(fā)展將對這一觀點進行詮釋。

［1］崔海坡，周海風，程恩清.碳纖維復(fù)合材料特性及在假肢領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2009，13（25）：4913－4915.

［2］方新.下肢假肢對線與截肢者平衡［J］.中國矯形外科雜志，2003，11（11）：775－776.

［3］金德聞，黃浩，張濟川.儲能式下肢運動假肢的研究［J］.中國康復(fù)醫(yī)學雜志，1993，8（4）：159－161.

［4］李小兵，賈曉紅，王人成，等.對線對小腿截肢患者殘側(cè)下肢生物力學特性的影響［J］.清華大學學報（自然科學版），2007，47（5）：644－646.

［5］王鵬，鄒琥，陳曦，等.碳纖維的研究和生產(chǎn)現(xiàn)狀［J］.合成纖維，2010，39（10）：1－6.

［6］王人成.我國假肢技術(shù)的研究與進展［J］.中國康復(fù)醫(yī)學雜志，2012，27（11）：1058－1060.

［7］謝清，裴東光.殘疾人體育起源、殘奧會與奧運會的關(guān)系［J］.首都體育學院學報，2014，26（3）：206－208.

［8］解益，董安琴，鄧小倩，等.大腿運動假肢的制作及功能特點——附1例膝上截肢短跑運動員的個案報道［J］.中國康復(fù)醫(yī)學雜志，2012，27（1）：63－65.

［9］楊鵬，劉作軍，耿艷利，等.智能下肢假肢關(guān)鍵技術(shù)研究進展［J］.河北工業(yè)大學學報，2013，42（1）：76－80.

［10］楊文兵.淺析假腳儲能性與實用性之間的關(guān)系［J］.中國康復(fù)理論與實踐，2009，15（4）：395－397.

［11］張軍獻，虞重干，蘇小霞.競爭性或非競爭性：殘疾人參與體育運動的思考［J］.體育科學，2008，28（4）：57－64.

［12］周大偉，方新.下肢假肢智能對線系統(tǒng)［J］.中國康復(fù)理論與實踐，2013，19（5）：416－417.

［13］周青山.對國際體育仲裁院裁決“奧斯卡案”的法理思考［J］.體育學刊，2010，17（11）：30－34.

［14］BACON R.Growth，structure，and properties of graphite whiskers［J］.J Appl Physic，1960，31（2）：283－290.

［15］BRüGGEMANN G－P，ARAMPATZIS A，EMRICH F，et al.Biomechanics of double transtibial amputee sprinting using dedicated sprinting prostheses［J］.Sports Technol，2008，1（4）：220－227.

［16］BUCKLEY J G.Biomechanical adaptations of transtibial amputee sprinting in athletes using dedicated prostheses［J］.Clin Biomech，2000，15（5）：352－358.

［17］BURKETT B，SMEATHERS J，BARKER T.Optimising the trans－femoral prosthetic alignment for running，by lowering the knee joint［J］.Prosthet Orthot Int，2001，25（3）：210－219.

［18］BURKETT B，SMEATHERS J，BARKER T.Walking and running inter－limb asymmetry for Paralympic trans－femoral amputees，a biomechanical analysis［J］.Prosthet Orthot Int，2003，27：36－47.

［19］BURKETT B.Technology in Paralympic sport：performance enhancement or essential for performance［J］.Br J Sports Med，2010，44：215－20.

［20］CHELLY S M，DENIS C.Leg power and hopping stiffness：relationship with sprint running performance［J］.Med Sci Sports Exe，2001，33（2）：326－333.

［21］CZERNIECKI J M，GITTER A，MUNRO C.Joint moment and muscle power output characteristics of below knee amputees during running：the influence of energy storing prosthetic feet［J］.J Biomech，1991，24（1）：63－75.

［22］DYER B T J，NOROOZI S，REDWOOD S，et al.The design of lower－limb sports prostheses：fair inclusion in disability sport［J］.Disabil Soc，2010，25（5）：593－602.

［23］FITZLAFF G.Socket technology and prosthetic alignment［A］.In：Lower Limb Prosthetic Components；Design，F(xiàn)unction and Biomechanical Properties［C］.Dortmund：ISPO.Verlag Orthopaedie－Technik：13－28.

［24］GRABOWSKI A M，MCGOWEN C P，MCDERMOTT W J，et al.Running－specific prostheses limit ground－force during sprinting［J］.Biol Letters，2010，6（2）：201－204.

［25］HAFNER B J，SANDERS J E，CZERNIECKI J M，et al.Transtibial energy－storage－and－return prosthetic devices：A review of energy concepts and a proposed nomenclature［J］.J Rehabilit Res Develop，2002，39（1）：1－12.

［26］HOBARA H，BAUM B S，KWON H－J，et al.Amputee locomotion：Lower extremity loading using running－specific prostheses［J］.Gait Posture，2014，39（1）：386－390.

［27］IAAF.Competition Rules［S］.2008，R.144.2.

［28］LEGRO M W，REIBER G E，CZERNIECKI J M，et al.Recreational activities of lower－limb amputees with prosthesis［J］.J Rehabil Res Dev，2001，38：319－325.

［29］MARCELLINI A，F(xiàn)EREZ S，ISSANCHOU D，et al.Challenging human and sporting boundaries：The case of Oscar Pistorius［J］.Performance Enhance Health，2012，1（1）：3－9.

［30］NOLAN L，LEES A.The influence of lower limb amputation level on the approach in the amputee long jump［J］.J Sports Sci，2007，25（4）：393－401.

［31］NOLAN L.Carbon fibre prostheses and running in amputees：A review［J］.Foot Ankle Surgery，2008，14（3）：125－129.

［32］PAILLER D，SAUTREUIL P，PIERA J－B，et al.volution des prothèses des sprinters amputés de membre inférieur［J］.Annales de Réadapt et de Méd Physique，2004，47（6）：374－381.

［33］POGGI D L，BURGESS E M，MOELLER D E，et al.Prosthetic foot having a cantilever spring keel.United States，4，645，509［P］.1987.

［34］SEYMOUR R.Prosthetics and Orthotics：Lower Limb and Spinal［M］.Philadelphia：Lippincott Williams Wilkins，2002.189.

［35］TWEEDY S，BOURKE J.IPC Athletics Classification Project for Physical Impairments：Final Report－Stage 1［S］.2010.

［36］WATERS R L，PERRY J，ANTONELLI D，et al.Energy cost of walking of amputees：the influence of level of amputation［J］.J Bone Joint Surg Am，1976，58（1）：42－46.

［37］WEBBORN A D.Fifty years of competitive sport for athletes with disabilities：1948—1998［J］.Br J Sports Med，1999，（33）：138.

［38］WEBBORN N，VAN D E VLIET P.Sports and exercise medicine 2：Paralympic medicine［J］.Lancet，2012，（379）：65－71.

［39］ZAHEDI M S，SPENCE W D，SOLOMONIDIS S E，et al.A－lignment of lowe－limb prostheses［J］.J Rehabilit Res Develop，1986，23（2）：2－19.

［40］ZETTLER P J.Is it cheating to use cheetahs：The implications of technologically innovative prostheses for sports values and rules［J］.BU Int＇l LJ，2009，（27）：367－409.