穿着先进鞋类技术（Advanced Footwear Technology, AFT）钉鞋（spikes）的竞技长跑运动员跑步经济性（running economy）与生物力学特征研究

本研究旨在探究穿着先进鞋类技术（AFT）钉鞋（spikes）及AFT跑鞋相对于传统钉鞋对跑步经济性（running economy）和生物力学特征的影响。17名（7名女性、10名男性）竞技长跑运动员完成了两个实验日、共计8次（4种鞋款×2次重复）5分钟跑台测试，女性测试速度为15 km·hr⁻¹，男性为17 km·hr⁻¹。受试者分别穿着Nike ZoomX Dragonfly（NDF）和On Cloudspike 10,000 m（OCS）两种AFT钉鞋、Nike Vaporfly Next % 2（NVN）AFT跑鞋，以及Nike Zoom Victory 3（NZV）传统钉鞋。研究人员测量了代谢率和地面反作用力（ground reaction forces），并比较了每名受试者每种鞋款四次测试的平均跑步经济性（W·kg⁻¹）和生物力学变量。结果显示，与NZV传统钉鞋相比，穿着NDF和OCS AFT钉鞋以及NVN AFT跑鞋时，跑步经济性分别改善了2.1%、2.3%和1.9%（p < 0.001）。这些改善与NDF、OCS和NVN相对于NZV传统钉鞋腿部刚度（leg stiffness）分别增加6.1%、4.5%和8.9%，以及地面接触时间（ground contact time）分别增加1.5%、2.2%和2.3%相关（p < 0.002）。结论表明，穿着高顺应性AFT钉鞋和跑鞋的运动员跑步经济性比传统钉鞋提高2.1%。未来设计的AFT钉鞋若进一步增加中底顺应性和能量回馈，可能通过诱发有利的生物力学改变（如增加腿部刚度和/或地面接触时间）来提升比赛表现。

## 研究背景与问题

自2020年先进鞋类技术（Advanced Footwear Technology, AFT）田径钉鞋问世以来，精英运动员在800米至10000米项目中的比赛成绩较前提升了0.3%至2.6%。AFT钉鞋的特征在于采用更为柔顺（compliance更高、刚度更低）、回弹性更强（能量回馈更高）的中底泡沫材料、增加的中底堆叠高度（stack height），以及内置的中底刚性板（rigid plate），这些特性与传统钉鞋形成鲜明对比。AFT中底泡沫材料如聚醚嵌段酰胺（polyether block amide, PEBA）的柔顺性是传统钉鞋所用乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（ethylene-vinyl acetate, EVA）中底泡沫的两倍，且每步机械能量回馈多出120%。

跑步经济性（running economy）是评价长跑竞技表现的关键因素，指运动员在既定速度下有氧代谢产生的能量，传统上以ml O₂·kg⁻¹·min⁻¹表示，后亦被定义为给定速度下经体质量归一化的总代谢功率（W·kg⁻¹）。既往研究表明，AFT路跑鞋可使跑步经济性提升2%至4%。尽管AFT鞋类的跑步经济性和竞技表现优势已获证实，但其背后的驱动机制仍存在争议。其中，腿部刚度和地面接触时间被认为是可能的解释机制：跑步在柔顺表面上时，腿部刚度增加与跑步经济性改善相关；而"产生力量的成本假说"（Cost of Generating Force Hypothesis）则提出，经体质量归一化的跑步代谢功率与地面接触时间呈反比关系。然而，AFT钉鞋情境下腿部刚度与跑步经济性的关系尚未确立，且关于AFT鞋类地面接触时间的研究结果也并不一致。基于此，本研究旨在量化竞技长跑运动员穿着AFT钉鞋和跑鞋相较于传统钉鞋的生理学和生物力学效应，为新一代AFT钉鞋的设计提供参考，以进一步改善竞技表现。

## 主要技术方法

本研究采用重复测量设计，受试者为17名竞技长跑运动员（女性7名、男性10名），筛选标准为女性10公里海平面成绩快于37分钟、男性快于32分钟或近两年内达到同等水平。 footwear测试条件包括：Nike ZoomX Dragonfly（NDF，20 mm PEBA中底）、On Cloudspike 10,000 m（OCS，25 mm PEBA中底）、Nike Vaporfly Next % 2（NVN，40 mm PEBA中底）以及Nike Zoom Victory 3（NZV，10 mm EVA中底）。中底特性通过材料测试机（materials testing machine, MTM）配合假肢足和Mondo跑道表面进行垂直刚度及能量回馈测定。生理学测试在海拔1655米处进行，采用力测量跑台（Treadmetrix）和呼气气体分析系统（TrueOne 2400）测量代谢率，地面反作用力采样频率为1000 Hz。跑步经济性通过Péronnet方程计算。生物力学分析采用弹簧-质量模型（spring-mass model）计算系统刚度（system stiffness）、腿部刚度及地面接触时间等参数，统计方法采用线性混合模型。

## 研究结果

**跑步经济性改善**

研究核心发现为：与NZV传统钉鞋相比，穿着NDF、OCS AFT钉鞋及NVN AFT跑鞋时，跑步经济性分别改善2.1%、2.3%和1.9%（p < 0.001）。三种AFT鞋款间的跑步经济性无显著差异。同时，氧气消耗率（V̇O₂）、运输能量成本（energetic cost of transport, ECOT）和运输氧气成本（oxygen cost of transport, O₂COT）在AFT鞋款条件下均显著改善（p < 0.001）。依据Kipp等人开发的比赛表现预测工具，2.1%的跑步经济性改善预计可使10000米比赛表现提升1.4%，这与AFT钉鞋问世以来男女前100名10000米平均成绩1.3%的提升幅度相符。

**腿部刚度增加**

与NZV传统钉鞋相比，穿着NDF、OCS AFT钉鞋和NVN AFT跑鞋时腿部刚度分别增加6.1%、4.5%和8.9%（p < 0.001）。NVN AFT跑鞋的腿部刚度较NDF和OCS AFT钉鞋平均高3.7%（p < 0.01）。系统刚度（system stiffness，即腿部刚度与鞋具刚度的组合）和峰值垂直地面反作用力（vGRF_peak）在不同鞋款间无显著差异。但NVN AFT跑鞋的腿部扫掠角（leg sweep angle, Θ）较NDF、OCS AFT钉鞋和NZV传统钉鞋平均小1.3%（p ≤ 0.004）。最大腿部压缩量（∆L）在NDF AFT钉鞋和NVN AFT跑鞋条件下较NZV传统钉鞋减少2%，且NVN AFT跑鞋较OCS AFT钉鞋减少2%（p ≤ 0.017）。

**地面接触时间延长**

与NZV传统钉鞋相比，穿着NDF、OCS AFT钉鞋和NVN AFT跑鞋时地面接触时间分别增加1.5%、2.2%和2.3%（p < 0.001）。NDF AFT钉鞋的地面接触时间较NVN AFT跑鞋短1%（p < 0.001）。同时，步长（stride length）在三种AFT条件下分别增加0.8%、1.1%和1.5%，步频（stride frequency）相应降低；NVN AFT跑鞋较NDF和OCS AFT钉鞋的步长增加0.7%、步频降低0.4%（p < 0.001）。

## 讨论总结

研究人员在讨论部分首先确认了AFT钉鞋和跑鞋带来的跑步经济性改善与既往AFT鞋类研究结果的一致性，并指出2.1%的改善幅度可预测10000米比赛表现提升1.4%，与实际观察到的精英运动员成绩变化趋势相符。

关于腿部刚度的生物力学解释，研究人员接受了腿部刚度增加的假设。研究发现系统刚度在不同鞋款间保持不变，这与Kerdok等人在柔顺跑台上跑步和跳跃的研究结果一致。但在校正鞋具刚度后，AFT条件下的腿部刚度平均增加6.5%。研究人员援引Biewener等人的观点，认为给定速度下增加的腿部刚度可导致更大的有效机械优势（effective mechanical advantage, EMA），从而使关节力矩和腿部肌肉力量需求降低，减少肌肉激活程度，最终改善跑步经济性。尽管本研究未直接估算EMA或主动肌肉体积，但Kipp等人曾报道主动肌肉体积随髋、踝EMA增加而减少。不过，研究人员也指出，Hata等人和Bertschy等人关于AFT鞋类腿部刚度的研究结果与本研究存在差异，这可能是由于腿部刚度计算方法不同所致，未来研究需进一步明确计算方法对结果的影响。

对于地面接触时间的增加，研究结果支持了第三种假设，即AFT条件下地面接触时间延长。研究人员认为这可能归因于中底内置刚性板的作用，但既往关于单独添加刚性板虽延长地面接触时间却未改善跑步经济性的研究表明，刚性板对跑步经济性的独立作用仍需进一步探究。研究人员提出，腿部刚度和地面接触时间的联合变化可能共同为跑步经济性的改善提供生物力学解释，引用Kipp等人的研究指出98%的代谢率增加可由主动腿部肌肉体积增加和更短的地面接触时间解释。

在中底能量回馈方面，NDF、OCS和NVN每步分别回馈7.8 J、8.9 J和12.4 J机械能量，而NZV仅回馈3.8 J。研究人员认为这主要源于PEBA中底泡沫和刚性板的协同作用，并假设鞋具的机械能量回馈可减少肌肉和肌腱所需的力量产生和能量储存，从而改善跑步经济性。

研究人员还特别讨论了鞋具质量因素的影响。NVN AFT跑鞋比AFT钉鞋重约90-140 g，而既往研究表明每增加100 g鞋质量可使跑步经济学恶化0.8%至1.2%。若进行质量匹配，NVN AFT跑鞋相对AFT钉鞋可能额外改善约0.9%的跑步经济性。这一分析提示，增加中底能量回馈和柔顺性若以牺牲鞋具轻量化设计为代价，可能削弱AFT钉鞋的性能收益。

研究局限性方面，研究人员承认未对鞋款进行质量匹配，但强调这是为了保持与实际比赛条件的一致性；同时测试速度（15-17 km·hr⁻¹）低于精英运动员实际比赛速度（18-27 km·hr⁻¹），未来需在更高速度下验证研究发现。

## 研究结论翻译

总体而言，研究人员发现穿着AFT钉鞋和跑鞋的运动员跑步经济性平均改善2.1%，腿部刚度和地面接触时间分别平均增加6.5%和2.1%。基于这些发现，下一代AFT钉鞋可通过设计中底以进一步增加柔顺性和能量回馈，从而通过诱发如增加腿部刚度和地面接触时间等潜在有利的生物力学结果，进一步改善跑步经济性和竞技表现。