【跑步二三事】加入碳纖維板的跑鞋「可能不會」改善跑步經濟性!

發表於 2020/10/27 15,779 次點閱 0 人收藏 1 人給讚
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(圖片來源:Pexels)


「在 2017 年 5 月 6 日[1],由 NIKE 主導的 Breaking 2 Project 試圖透過科學與科技打破人類全馬破兩小時的紀錄,從此跑鞋有了嶄新的樣貌。該計畫邀請三位頂尖的非洲長跑選手穿著搭載碳纖維板的厚底跑鞋於義大利的 F1 蒙札賽道挑戰全馬(42.195公里)跑進二小時內的創舉。

[1] Breaking 2 Project 訂於 2017 年 5 月 6 日是為了致敬 1954 年 5 月 6 日打破當時的 1 英里世界紀錄的 Roger Gilbert Bannister,他是第一個在 1 英里賽跑中跑進 4 分鐘的人。


Breaking 2 Project(圖片來源:dezeen


雖然 Eliud Kipchoge 最終以 2 小時 0 分 25 秒的些微差距挑戰失敗,但 2 年後的秋天於奧地利維也納捲土重來,並將挑戰命名為 1:59 Challenge,在涼爽天氣、配速團隊、跑鞋科技的多重有利因素之下,Eliud Kipchoge 成功以 1 小時 59 分 40.2 秒的成績創下世界最佳!儘管因賽道、專門團隊輪番上陣配速等緣故,不列入正式的世界紀錄(World Record, WR);但從此碳纖維板跑鞋成功的引發熱議,甚至質疑的聲浪也隨之而來,國際田徑總會還為此修訂了新的跑鞋規則。」

 

(圖片來源:Canadian Running Magazine)


在 NIKE Breaking 2 Project 之後,諸多運動品牌跟進開發碳纖維板跑鞋,期待這類劃時代的跑鞋得以提高跑者的跑步經濟性,終極目的在於減少跑步時的體能消耗並試圖創造更快的成績,在本站 10 月份的系列話題文章《驚!新研究「碳板可能無法改變跑步經濟性」》,提及 2020 年 10 月刊登於 Nature Scientific Reports 期刊上的論文《Adding carbon fiber to shoe soles may not improve running economy: a musclelevel explanation》(加入碳纖維板的跑鞋可能不會改善跑步經濟性-肌肉層級的解釋),對比先前 NIKE 對於碳纖維板的跑鞋研究可能會增加跑步經濟性的研究結果,在立場上有明顯的不同。不過閱覽前述論文的實驗設計章節與討論章節,發現其研究觀點比較屬於「仍待確定」的論調,所以題目之中才會出現「may not」(可能無法、可能不會)的用字。


  實驗設計

在《Adding carbon fiber to shoe soles may not improve running economy: a musclelevel explanation》論文的實驗設計之中,總共招募 15 位成年男性(平均值±標準差:年齡 25.4±5.7 歲;身高 1.77±0.06 公尺;體重 67.6±6.1 公斤;腿長 0.91±0.05 公尺;鞋號 US10.1±1.0 號),此外,15 位受試者的腳掌著地型態為 4 位中/前足著地以及 11 位後腳跟著地,所有受試者在實驗前須無任何下肢傷害,且每一位受試者 5 公里能跑進 25 分鐘內,且每一位受試者都須完成兩階段的實驗。

 

Adidas Adizero Adios BOOST 2(圖片來源:筆者)


 第一階段:有氧環節 

此階段主要測量 能量消耗、經濟性,每一位受試者自然站立 5 分鐘後,接著於跑步機進行五次 5 分鐘的跑步,每一次跑步開始前,受試者都會至少休息 5 分鐘。第一次的 5分鐘跑步會請受試者穿著 Adidas Adizero Adios BOOST 2[2](無碳纖維板),接續的第二次到第五次 5 分鐘則以隨機分配的方式,請受試者穿著搭載不同厚度的碳纖維板跑鞋(厚度分別有 0.8、1.6、3.2 毫米),而跑步機的實驗速度設定為每秒 3.5 公尺,經筆者換算約為每公里 4 分 45.7 秒的配速,換句話來說,每一次跑步都須跑滿 5 分鐘,在該速度設定之下,代表每一次都會跑足 1 公里。

[2] Adidas Adizero Adios BOOST 2 是肯亞選手 Dennis kimetto 於 2014 年以 2 小時 02 分 57 秒創下當時的全馬世界紀錄時,所穿著的鞋款,同時為本篇研究論文之受試者於實驗期間所穿著的鞋款之一。


 第二階段:運動生物力學環節 

此階段主要測量 力學相關參數(運動學、動力學、肌電學),則是與第一階段相同時間點進行,且在第一階段結束後 10 天之內進行。在第二階段中,受試者會進行四次 2 分鐘的跑步機實驗,速度一樣設定在每秒 3.5 公尺;鞋款一樣是隨機分配。

研究者有特別表明,之所以分成兩階段是想降低在參數與數據的測量上的技術難度,因為測量跑步經濟性(能量代謝相關數據)與生物力學參數所需的時間不同,另一方面也是想透過分開實驗來求出較高的準確性。

註: 受試者會配戴肌肉電位訊號感測器,頻率設為 1000Hz,用以擷取跑步時各肌群的徵召程度(活化百分比)。

 

(圖片來源:William Choquette)


  綜整主要研究 7 大結果:

一、穿著不同厚度的碳纖維板跑鞋之彎曲勁度(Footwear conditions): 

每位受試者都穿著沒有碳纖維板的 Adidas Adizero Adios BOOST 2 以及搭載不同碳纖維板厚度的跑鞋 。 Adidas Adizero Adios BOOST 的彎曲勁度為 13.0±1.0 kN / m,碳纖維板厚度分別是 0.8、1.6 和 3.2 毫米的跑鞋,其彎曲勁度依序是 31.0±1.5、43.1±1.6 和 84.1±1.1 kN / m。


二、下肢關節動力學(Limb-joint dynamics): 

此結果所指的關節是下肢三關節:髖、膝、踝。彎曲勁度不會影響髖、膝、踝角度或力矩。彎曲勁度和平均關節角度、最小關節角度、最大關節角度並無關聯,和平均關節力矩、最小關節力矩、最大關節力矩也無關聯。


三、步幅運動學與地面反作用力(Stride kinematics and ground reaction forces):

增加彎曲勁度和更長的地面接觸時間有關,但這和步長時間並無直接關聯。此處說的有關是統計考驗達顯著水準。關於地面反作用力,無論是支撐期的平均垂直方向力、制動力(braking, 也叫剎車效應)、推進力,在這些不同勁度的鞋款之中,都沒有顯著的差異。此外,彎曲勁度不影響腳掌著地前半階段的地面反作用力比例(比例是指垂直方向與水平方向,不因彎曲勁度不同而有差異)


四、肌肉-肌腱之動力學(Muscle-tendon dynamics):

在這些不同勁度的鞋款之中,彎曲勁度不會影響比目魚肌的肌肉-肌腱平均力量、長度、速度。 對於踝關節的關節中心而言,地面反作用力與比目魚肌肌肉-肌腱力臂的比率,亦不受不同鞋款的彎曲勁度影響(詳見 Figure 2. 中所呈現的 Gear Ratio: GRF/MT)。


五、比目魚肌之動力學(Soleus dynamics):

彎曲勁度不影響平均或最大的比目魚肌肌束角度、力量、長度、速度。同時,受試者穿著這些不同勁度的鞋款,並不影響每一步幅比目魚肌之平均活化的肌肉體積,意即徵召的肌肉量沒有太多差異。


六、肌肉活化程度(Muscle activation):

彎曲勁度不影響任何肌群在支撐期或每一步幅的平均活化程度,研究中所偵測的肌電訊號肌群有:比目魚肌、內側腓腸肌、脛前肌、股二頭肌、股內肌、臀大肌、股直肌。


七、跑步經濟性(Running Economy):

彎曲勁度不影響整體的有氧運動的功率輸出,其中具碳纖維板組(碳板厚度3.2毫米;勁度 84.1 ± 1.1 kN/m)比無碳纖維板組(Adidas Adizero Adios BOOST 2;勁度13.0 ± 1.0 kN/m)在總體有氧功率的輸出上較小,功率的差異約為 0.3 ± 2.2% ,但仍無達到統計上的顯著差異。研究也表明,這個觀點若要在統計上達到非常有說服力的話,還需要至少 9104 位受試者。

註:研究將統計檢定力 Statistical power 設為 0.8,意即有 80% 的機率,我們會發現兩組之間的差異,且經事後比較(post-hoc)得到 9104 這數字。

 

(圖片來源:Med Badr Chemmaoui


  結語

透過運動生理學與運動生物力學的相關指標能發現,該研究大多的參數與數據在統計考驗上無顯著差異,但不代表完全沒有差異,僅是顯示 15 位成年男性在前述的實驗設計之下所產出的結果,進而推論表示穿著不同厚度的碳纖維板跑鞋,可能不會增加跑步經濟性。然而,研究者亦在論文中說明,受試者還需要 9104 位才可能在統計上具有強烈的說服力,代表此研究的結論仍待定。再者,15 位成年男性的實驗結果代表該研究,但無法類推到所有男性、所有碳纖維板跑鞋。


筆者能理解實驗設計分兩階段來做是為了測量不同的指標,不過以下有幾點可以注意:

  • 統一時間:兩階段的跑步時間若能統一為 5 分鐘會更好。
  • 多樣化的速度:該研究只有一種速度:每秒 3.5 公尺(每公里 4 分 45.7 秒),速度若能更多樣化,研究結果或許會不一樣。
  • 考慮碳板曲度&型態:碳纖維板不同厚度的隨機分配很好,如果能再考慮到碳板的曲度(例如扁平、彎曲)或彎曲型態(像波浪狀彎曲、駝峰般彎曲、前趾骨彎曲、足弓處彎曲)等,整體研究會更全面。
  • 更快的速度或許碳纖維板跑鞋能充分發揮其功能要至少在每秒 4 公尺(每公里 4 分 10 秒)或甚至更快的速度才會有明顯的趨勢與差異,不過這個構想還需要運動科學實驗來佐證。
註:《Adding carbon fiber to shoe soles may not improve running economy: a musclelevel explanation》研究不代表本專欄以及運動筆記網站之立場。


  資料參考


作者:小智
責任編輯:Joanna


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