馬拉松“破2”背后的生物力學(xué)貢獻(xiàn)

2019年10月12日，馬拉松世界紀(jì)錄保持者基普喬格以1：59：40的成績“破2”成功，成為人類歷史上首位馬拉松“破2”的運(yùn)動員。除自身的內(nèi)在因素，其成功“破2”還得益于高科技因素。其中，基普喬格所穿著的NEXT%跑鞋升級款受到關(guān)注。加厚的ZoomX鞋中底，在跖趾關(guān)節(jié)處增加的氣墊和多層碳板結(jié)構(gòu)（圖1），是運(yùn)動鞋能量回彈、提升跑步經(jīng)濟(jì)性的新科技。

圖1 NEXT%跑鞋升級款ZoomX中底結(jié)構(gòu)示意圖

該跑鞋原型技術(shù)由美國科羅拉多大學(xué)Rodger Kram教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)。2018－2019年，該團(tuán)隊(duì)持續(xù)探究該跑鞋原型技術(shù)的生物力學(xué)貢獻(xiàn)。其中涉及鞋與跑步經(jīng)濟(jì)性的研究（Hoogkamer et al.，2018），比較了該原型跑鞋（NP）與已有的兩種馬拉松跑鞋，采集不同跑速下每款鞋的次最大攝氧量（O2max）、二氧化碳量和平均能耗。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鞋的重量相當(dāng)時，穿NP在3種跑速下的平均能耗比另兩款鞋分別下降了4.16%和4.01%（圖2）。機(jī)械測試發(fā)現(xiàn)，NP的最大形變量約是Nike Zoom Streak跑鞋（NS）和Adidas adizero Adios BOOST 2跑鞋（AB）的2倍（11.9 mmvs.6.1 mmvs.5.9 mm），釋放彈性能比例也更大（87%vs.75.9%vs.65.5%），并證實(shí)了NP相比其他市售跑鞋節(jié)省約4%的能耗。

圖2 Nike Zoom Streak跑鞋（NS）、Adidas adizeroAdios BOOST 2跑鞋（AB）、原型跑鞋（NP）在不同跑速下的能耗比較

Hoogkamer等（2019）對穿著這3種馬拉松跑鞋的男性跑者下肢生物力學(xué)特征進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)穿著NP除了擁有更大的垂直地面反作用力峰值和垂直沖量（垂直地面反作用力曲線下的面積）（圖3a）外，主要影響集中在踝和跖趾關(guān)節(jié)，包括：1）更小的跖趾關(guān)節(jié)最大伸角度（圖3b）；2）更小的踝關(guān)節(jié)正功率（圖3c）、踝關(guān)節(jié)正/負(fù)功和跖趾關(guān)節(jié)負(fù)功（關(guān)節(jié)功率曲線下的面積）（圖3d）。因此，NP的能耗節(jié)省化主要得益于：1）中底泡沫結(jié)構(gòu)具有良好的儲能性能；2）碳纖維板對踝關(guān)節(jié)力學(xué)的杠桿效應(yīng)以及使跖趾關(guān)節(jié)變硬的效果（the stiffening effects of the plate on the MTP joint）。結(jié)合之前的研究，原型馬拉松跑鞋通過改變上述跑步著地時的下肢生物力學(xué)特性，進(jìn)一步提高了運(yùn)動表現(xiàn)。

早期研究發(fā)現(xiàn)，運(yùn)動鞋重量每減小100 g，耗氧量會降低約1%（Frederick et al.，1984）。近年，跑鞋鞋底的屈曲剛度被證明能影響跑步經(jīng)濟(jì)性，如將碳纖維板加入鞋中底，以增加縱向屈曲剛度（Hoogkamer et al.，2017）。Roy等（2006）發(fā)現(xiàn)，縱向屈曲剛度為38 N/mm的跑鞋比18 N/mm的跑鞋，跑步經(jīng)濟(jì)性提高了0.8%。Zhu等（2020）研究表明，采用碳素增強(qiáng)板的硬底鞋雖然未對即刻的跳躍高度產(chǎn)生影響，但能夠在改變跖趾關(guān)節(jié)部分運(yùn)動學(xué)的同時增加相鄰踝關(guān)節(jié)的杠桿作用以增加蹬的效果，可進(jìn)一步提高運(yùn)動表現(xiàn)。

圖3 穿著原型跑鞋（NP，淺灰色）、Nike Zoom Streak跑鞋（NS，黑色）和Adidas adizero Adios BOOST 2跑鞋（AB，深灰色）支撐期時垂直地面反作用力（a）、跖趾關(guān)節(jié)角度（b）、踝關(guān)節(jié)功率（c）和跖趾關(guān)節(jié)功率曲線（d）

通過探究跑鞋對人體下肢生物力學(xué)的影響，了解其內(nèi)在協(xié)同機(jī)制和相互作用關(guān)系，能進(jìn)一步增強(qiáng)運(yùn)動鞋技術(shù)及其背后的生物力學(xué)貢獻(xiàn)，為運(yùn)動員突破極限提供重要的科技助力。但由于人為選擇或創(chuàng)造了各種有利條件（如適宜的天氣、無競爭對手、多人陪跑破風(fēng)、過于平坦的賽道等），此次馬拉松“破2”的成績并不被國際田聯(lián)認(rèn)可，因此上述最新的跑鞋科技能否在正式比賽中大放異彩，仍需進(jìn)一步驗(yàn)證。