科技助力残疾人奥林匹克运动——以轮椅竞速运动为例

高 镝，孙民康，张 搏，龚丽景

残疾人运动源于第一次世界大战前后残疾人康复运动［1］。残奥会是奥林匹克运动的一部分，是残疾人最高级别综合性体育赛事，包括夏季和冬季残奥会［2］。第一届夏季残奥会与冬季残奥会分别于1960、1976年举行［3］。截止到2020年，已举办15届夏季残奥会、12届冬季残奥会。残疾人运动不仅能提高残疾人的自尊心和自信心、促进他们与健全人一同享体育运动、帮助其更好地融入健全人的生活，还可充分发掘体育运动对自身生活发展的最大价值［4］。

“科技助力残奥”理念的提出以来，运动装备辅具的新技术层见叠出，残疾人竞技水平也因此不断攀升。高科技的较量是残奥会中的一大特点，也对残奥运动发挥着重要作用［5］。轮椅竞速作为传统的残奥会项目，从1964－2016年52年间里，受益于科技进步，竞速轮椅的设计不断加以改进，由笨重的普通轮椅逐渐演变为竞速专用轮椅，如今，竞速专用轮椅融入许多科技元素，如碳纤维车身、强化的车轮、轴承等，使得轮椅竞速项目的运动成绩提高了40%［7］，一跃成为具备国际影响力的残奥会赛事（36个子项目，占残奥会田径总项目数的20%）。

本研究将分析竞速轮椅的演化历史、性能以及轮椅竞速运动的发展历史与现状，探讨轮椅技术的改进对于轮椅竞速运动员成绩提高所起的重要作用，并对轮椅竞速运动和轮椅技术的发展前景做出展望，借此阐明科技元素在残奥运动发展过程中发挥的重要作用。本文的运动成绩均引自国际残联官网以及国际田联官网（www.paralympic.org；www.worldathletics.org）。

1 轮椅竞速运动的发展脉络——历史与现状

1976年，国际残联对参加径赛残疾人运动员进行分级，根据脊髓损伤部位将轮椅竞速分为7个等级：1A、1B、1C、2、3、4、5［8］。1996年，轮椅竞速、赛跑等径赛项目分级的官方用语开始用“T”表示［9］。2016年的最新分级为T20、T33、T34、T51、T52、T53、T54共7个级别，T20级是智商≦70的运动员，T33／T34级指脑瘫运动员，T51、T52、T53、T54级别包括脊髓损伤、脊髓灰质炎和肢体残疾运动员，具体根据脊椎损伤部位（图1）和肌肉力量等级来确定分级［10］。

图1 残奥会轮椅竞速项目分级系统［10］

轮椅竞速始于第二次世界大战后的美国军人康复运动，1964年东京残奥会首次设立轮椅竞速项目，男女运动员均可参加60m竞速比赛［11］。1976年，多伦多残奥会增加200m、400m、800m、1500m和4×100m接力项目［12］。1984年残奥会增加5000m、马拉松、4×200m和4×400m接力项目［11］。

1976年后，竞速轮椅从普通轮椅演变为特殊轮椅，项目成绩有了很大提升。以男子5级800m比赛为例（其中1988年为5和6级、1992年为TW4级、1996年为T53级、2000年为T54级），由于1980年新一代运动轮椅Varioblock（图4B）面世，残奥会冠军成绩也从1976年的2：49.90 min降至2：18.81 min（图2）。20世纪80年代，全世界有10，000多辆商业化竞速轮椅用于满足提升残疾人运动表现的需要［13］。在技术推动下，乔治·莫里成为第一个打破每英里4分钟记录的运动员［11］。1990年研发的三轮竞速轮椅Bromakin（图4C）对轮椅竞速项目的发展具有里程碑式的意义，使残奥会男子5级800m冠军成绩提升至1：40.63min。从1976－2000年历届残奥会5级轮椅竞速800m项目冠军成绩来看（图2），1980－1990年是竞速轮椅技术发展最为迅速的十年，笨重的普通轮椅改造为高重心和高阻力的四轮竞速轮椅，最后演变成低重心和低阻力的三轮竞速轮椅，与此同时，轮椅竞速的赛事纪录也不断被打破。说明器材改进对提高轮椅竞速运动成绩的重要作用。

图2 1976－2000历届残奥会5级轮椅竞速800m项目冠军成绩示意图

1993年，我国首次参加轮椅竞速比赛［10］。随着经济条件的改善，我国参加轮椅竞速项目的运动员多采用国外先进的竞速轮椅。鉴于此，2006年世锦赛，我国在男子T54级4×100m和4×400m接力锦标赛上夺冠，拿到了轮椅竞速首枚金牌；2008年北京残奥会，6人打破世界纪录，在轮椅竞速项目上获得T53／T54级10金3银4铜的好成绩。自此，在多次残奥会和世锦赛上，我国均获得理想的成绩（表1），可见我国在轮椅竞速T53／T54级别中的世界领先地位［10］。

表1 2002年以来中国轮椅竞速代表团获得世界大赛奖牌情况

通过中国知网查文献发现，截止到2020年12月30日，有关“轮椅竞速”的文献仅26篇，反映出我国在轮椅竞速项目的科学研究上存在一定不足，需加强相关研究。

由于轮椅竞速项目对轮椅依赖性强，轮椅的性能会直接影响比赛成绩，因此我国应持续加大对轮椅竞速项目的科技投入。如增加科技投入资金的比重、培养与引进体育科技人才等，以促进我国轮椅竞速项目的可持续发展。未来应探索形成我国竞速轮椅的技术研发体系，政策上应鼓励国内大型车企加强对轮椅技术的开发和实践，具体而言，可根据国外对竞速轮椅研究的前沿热点，强化竞速轮椅的车轮、轮胎、轴承以及轮椅移动性能监控器研究，将个体化精英竞速轮椅与普适性竞速轮椅研发紧密结合，着力提升群众对轮椅竞速项目的科技认知水平，从而提升竞速轮椅的性能，使我国运动员能够使用“中国制造”的竞速轮椅站在奥林匹克的领奖台上。

2 轮椅技术的进步在轮椅竞赛运动发展中的作用

轮椅项目的运动成绩受三个因素影响：运动员、轮椅和运动员与轮椅的相互作用［14－15］。轮椅竞速比赛要求运动员具备高超的推进技术以及保持速度的能力，而材料属性极大地影响运动员有效推进和保持速度的能力，材料中多余的克数甚至毫米数都会影响轮椅的各项性能并增加运动损伤的风险［16］。随着运动装备辅具技术不断发展，基于残疾运动员个性化特征的装备及辅具设计将在高水平竞赛得到更多的运用［6］。对于轮椅竞速项目运动员，精良的运动轮椅不可或缺［17］。随着轮椅技术日新月异，世界纪录也不断被打破，其中科技助力是主要驱动力［18］。现代竞速轮椅通常为T型结构（图3），一根管状车轴连接两个后轮和一个前轮，车轴上有转向装置，转向装置上通过弹簧加载补偿器，补偿器使运动员无需用手便能快速通过弯道［17］。科技的发展对竞速轮椅的设计、材质、制作工艺产生了较大的影响［10］。

图3 赛道上竞速轮椅主要特征标识［17］

2.1 轮椅竞速运动中轮椅的演化

过去几十年中，为了提高运动表现，竞速轮椅引进了许多新技术［19］。20世纪60年代，轮椅竞速运动员使用笨重的日常轮椅（图4A）只能完成60m竞速比赛［11］，严重影响了这项赛事的发展，且增加了运动员受伤的风险。20世纪70年代，为了参加中长距离轮椅比赛，运动员纷纷开始改进他们的轮椅，如降低座椅高度、增加后轮外倾角和减小手柄圈直径等［20］。20世纪80年代，竞速轮椅发展到为运动员量身定制的阶段。1988年之前，由于比赛规则的限制，竞速轮椅的整体设计受到严重影响［21］。

1980年，RainerKüschall研发的新一代运动轮椅Varioblock（图4B）大幅提高了运动员的运动表现。鉴于此，1988年，汉城残奥会将男子1500m和女子800m轮椅纳入示范性项目，许多记录随着被打破，汉城残奥会后，国际残联破除了规则对轮椅的限制，轮椅技术得到空前发展（［11］。1990年三轮竞速轮椅Bromakin（图4C）一经面世，其车身结构便很快成为现代竞速轮椅的雏形［21］。2008年面世的竞速轮椅采用碳纤维轮辋和车身框架，用轻质复合碳纤维车轮代替了钢、铝车轮，用汽车盘式制动技术作为轮椅的主动制动系统，用复合碳纤维座椅材料代替传统纺织材料，以预防压疮和溃疡［22］。如今，在轮椅竞速的顶级比赛中，碳纤维轮椅已处于支配地位，其设计与1990年款式相比并无根本性的改动。近年来竞速轮椅设计的共同特点有：1）优化车架、车轮等元素与气流的角度来减少空气阻力；2）依据运动员个体特征对轮椅刚度和形状进行优化；3）降低轮椅质量，使运动员能加速更快；4）采用低摩擦轴承、使用高压轮胎或者固体轮胎、加入额外羽翼产生升力以及减小车身质量来减小滚动摩擦力［23］。

图4 竞速轮椅的演化：

2.2 计算机辅助设计和制造

随着科技不断进步，计算机辅助设计（Computer aided design，CAD）和计算机辅助制造（Computer aided manufacturing，CAM）已广泛应用于机械设计与制造领域［24］。CAD／CAM系统由硬件和软件系统组成。CAD用于精确的零部件设计，如造型、会图、工程分析仿真与模拟，文档管理等。CAM用于精密的加工制造，具备数控编程、加工仿真、生产控制及管理等功能［24－26］。CAD／CAM核心是计算机数值控制（数控），数控系统控制机床，它根据输入的零件图纸信息、工艺过程和工艺参数，按照人机交互的方式生成数控加工程序，然后通过电脉冲数，再经伺服驱动系统带动机床部件作相应的运动。于竞速轮椅而言，具有优化计算竞速轮椅的体积、重心、转动惯量等功能，可以根据不同残疾人运动员的身体结构特点、体能特征等参数来建模，为运动员量身定制轮椅，使运动轮椅能满足每个运动员的特殊需求。这是目前实现个性化适配的最佳方式［27］。运动轮椅市场很小，为了定制轮椅而开发专门的工具和机器并不合算，而CAD／CAM成本低、可以设计并制造各种各样的轮椅，已被轮椅设计师和制造商广泛用于生产更高质量以及适合不同运动员特点的轮椅［17］。由于CAD可以快速设计各种轮椅模型，结合CAM精确地制造轮椅，且成本低［16］，因此CAD／CAM对轮椅的设计和制造起到关键的作用。

2.3 现代碳纤维轮椅的能量效率

用复合材料代替金属部件是运动辅助设备的最新趋势之一［28］。美国化学家罗杰·培根在1958年发明了一种含碳量超过90%的高性能碳纤维无机材料［29］，这种材料由沥青、聚丙烯腈、粘胶等有机纤维在1 000℃～3 000℃的惰性气体环境中分解制成，具有环保、易成型、刚度高、力学性能好、重量轻、可设计性强等优点［30］。轮椅组件的轻量化对减少轮椅竞速运动员的能量消耗和改善竞技表现具有重要作用。因此，碳纤维材料在竞速轮椅领域得到了快速发展和应用，这种超轻轮椅同样得益于科技进步［31］。

计算发现优化车身质量对T51－T54级别中100m轮椅竞速比赛的影响，即在15～30秒的比赛中，每减少一公斤车身重量，获胜时间便会降低1－2.3%，进而提出最小化能量损失的方法：1）优化车架、车轮等元素与气流的角度来减少空气阻力；2）通过采用低摩擦轴承、使用高压轮胎或者固体轮胎、加入额外羽翼产生升力以及优化车身质量来减小滚动摩擦力［23］。基于此，2010年，代尔夫特大学研发了全碳纤维轮椅。因为高强度、高弹性的碳纤维使轮椅具有极高的能量效率，且车身轻盈，能帮助轮椅竞速运动员节省更多能量［33］。未来设计竞速轮椅理念中，应强调根据个体身体结构和体能的差异，针对性地定制轮椅，以获得更多机械优势，防止能量浪费［19］。

2.4 现代碳纤维轮椅的局限性

碳纤维竞速轮椅的保护性不够完善。运动员常遭受肩膀损伤、擦伤、挫伤、脊髓损伤、肌腱或韧带损伤，组织的损失或疼痛会直接影响运动表现［34］。碳纤维轮椅可为运动员提供一定程度的保护，而通过提高运动技能，也减小擦伤和挫伤的风险［35］。在设计更安全的运动辅具时，残奥会运动损伤流行病学家应尽可能降低轮椅质量以及滚动阻力、使用高压轮胎等［17］，未来应考虑到运动员在训练或比赛中的高负荷，开发满足运动员需要的座椅系统，以降低运动员在训练或比赛中造成的压疮和其他各种运动性损伤［19］。

碳纤维竞速轮椅造价高，成本是制造轮椅时要考虑的重要因素。残疾人被雇佣的可能性微乎其微，平均收入远低于正常人，还要承担设备测试的额外费用。假设截瘫患者年龄为25岁，其一生费用约为230万美元，对于高度四肢瘫痪的患者，费用更是高达470万美元［28］。不同国家的运动员在获得运动轮椅的资助方面存在巨大差异，在大多数国家，运动轮椅需要由个人或者在朋友和家人的帮助下出资购买，有的通过慈善组织购买［16］。发展中国家的运动员通常很难获得合适的轮椅，因此碳纤维轮椅的高成本也是运动员获得轮椅的重大难题。

图5 运动员的压疮示意图［19］

2.5 现代碳纤维轮椅的优势

尽管存在上述的一些局限性，现代碳纤维轮椅优越的性能使之能在比赛中具有无可比拟的竞争力。科技的进步和航天材料的应用促进了运动轮椅的开发与制造，现代运动轮椅设计的基本原则是减轻重量和阻力，同时保持高刚度［31］。与传统竞速轮椅相比，全碳纤维竞速轮椅具备质量轻、刚度强的特点［36］。这一材料特性增强了轮椅的机动性，使轮椅更加紧凑、轻便、降低了运动员重复性劳损的可能性，也使运动员在比赛中加速度更快、保持高速的能力更强，消耗更少能量，在比赛中更占优势［28］。碳纤维轮椅比传统竞速轮椅展现出更卓越的耐用性，直接好处是减少日常维修、更换配件等中断时间，很大程度减缓了使用者的压力和焦虑，并为其参加社会活动留出更多时间［37］。于运动员而言，这些均是影响比赛成绩的重要因素。在2012年伦敦残奥会16公里轮椅竞速比赛中，45岁的亚历克斯·扎纳尔迪使用全碳纤维轮椅，获得个人计时赛H4级别金牌，用时24分50秒，比第二名快了整27秒［31］。

2.6 现代碳纤维轮椅参赛导致的不公平问题

在残奥会上，发达国家拥有高科技装备背后的材料和技术，因此可以改进装备以满足其特殊需求，发展中国家却只能望而却步［38］。全碳纤维轮椅制造成本偏高，部分国家残奥会运动员因资金不足，只能使用铝制轮椅，在比赛中处于劣势［23］。52.6%的运动员需要自行购买轮椅，这大大限制了他们参加竞技性比赛［39］。一些运动员通过特殊渠道获得先进设备，也会造成竞争的不公，如2016年巴西里约热内卢残奥会宝马公司为美国队定制专属赛车轮椅（图6），这款轮椅符合现代化的空气动力学原理，具备全碳纤维材料、先进的底盘设计以及为每个运动员量身定制等优点，美国队也因此取得优异成绩［16］。

图6 宝马竞速轮椅，全碳纤维结构［16］

如果对使用新技术进行限制，无疑会扼杀运动装备的进步，但不限制新技术并鼓励研究人员创新，那么发达国家和发展中国家之间的差距将日益扩大，这可能会给残奥竞赛项目带来“额外压力”［38］。可见，科技的进步对于残疾人运动员产生了巨大影响。事实上，为了残奥会奖牌，发达国家投入更多的资源，以此来增强民族自豪感，也因此导致了“技术兴奋剂”的出现［19］。此前，科技进步带来的成绩收益备受争议，一个运动员能在多大程度上将潜在的装备优势转化为真正的成绩优势仍未明了［38］。运动装备的发展在提高运动成绩和帮助残疾人参与日常活动上，都大有裨益，但需要在体育规则和精神的范围内进行，同样还需要考虑到科技进步带来的补偿性后果。未来需要更多的研究来阐明残疾人运动员使用的特殊辅助装备的优势。以上这些问题也亟需进一步探讨，以使残奥会比赛更加公平。

2.7 小结

科技进步对轮椅运动员至关重要，随着残奥会比赛日益激烈，需要先进的材料、制造工艺、计算机模拟等促进竞速轮椅的进步［40］。在运动员努力变得更高、更快、更强的过程中，高科技轮椅会提高他们的运动表现［41］。轮椅竞速运动的发展与轮椅技术的发展息息相关，如今，全碳纤维轮椅已在残奥会等顶级轮椅竞速比赛中处于主导地位。一方面，现代碳纤维轮椅技术还无法减少运动员挫伤、擦伤等运动损伤的风险；另一方面，由于其轻质和高刚度，使用碳纤维轮椅运动员会比使用传统铝制轮椅的运动员消耗更少的能量，在竞赛中获得额外的优势。但是，使用碳纤维轮椅是否造成竞争不公，国际上还存在争议。

3 轮椅竞速项目的前景展望

3.1 轮椅技术的前景展望

目前，运动员和教练员均认为车轮、轮胎、轴承等相关部件均有望得到改善，因为这些配件会对轮椅的性能造成重要影响，进而影响到运动员的运动表现。此外，制造商将轮椅交付给运动员后，轮椅的整体结构、碳纤维材质已无法改变，但配件的损坏或磨损，迫使运动员需要经常更换车轮、轴承和轮胎。如果轮椅出现故障，运动员需要等待服务技术人员对轮椅进行维修，很可能耽误训练或无法比赛。因此，未来在轮椅竞速运动发展的过程中，车轮、轮胎、轴承等配件的改进，轮椅移动性能监测器的出现，将使轮椅的整体结构、碳纤维材质无实质性改变的条件下，提升未来运动员的水平。

3.1.1 车轮

竞速轮椅主要有三种车轮（图8）：1）辐条车轮（a）：有一系列的辐条连接到车轮中心的轮毂，在三种车轮中，重量最轻、刚度最低、空气动力最差；2）四辐条车轮（b）：四个辐条链接车轮中心的轮毂，特点是没有圆盘车轮重、具有高刚度、但空气动力没有圆盘强；3）圆盘车轮（c）：只有一个圆盘形状的碳片，没有辐条，特点是最重、刚度最高且空气动力最好［42］。比赛距离、伤残级别均会影响到运动员选用车轮。例如，在100m轮椅竞速比赛中，运动员需要在短时间达到最大速度，因此选用较轻、空气动力较好的四辐条车轮有优势，而在400m及更长距离的比赛中，圆盘车轮似乎更可取；而对于下肢不便的T54级别的运动员，可以充分使用腹部的肌肉，相比之下，参加T51比赛的运动员四肢功能均受损，两者运动能力的差异主要反映在运动员所能达到的最高速度上［42］。可见，选用不同车轮会对比赛成绩产生影响。2008年，一款智能车轮被应用于运动轮椅中（图7），它主要用于分析训练数据，并提供生物反馈和降低运动损伤［19］。如何根据运动员残疾级别和比赛距离，为运动员推荐合适的车轮，在未来是一个值得探索的领域。

图7 竞速轮椅智能车轮的设计示意图［19］

图8 竞速轮椅车轮配置：

3.1.2 轮胎

普遍认为一定范围内，轮胎压力越高、轮胎越硬，则滚动阻力越小。胎压过低确实会影响运动员在轮椅推进过程中的技术动作［43］，但轮胎的最佳压力和轮胎压力对不同运动员、不同赛道的影响仍未明了。尽管高压轮胎可以最小化运动员的生理需求，但对加速和短距离比赛运动表现的帮助未得到证实［44］。关于胎压，还需要考虑赛道硬度、运动员体重等因素，例如一位较轻的运动员和一位较重的运动员相比，在相同硬度的赛道上会消耗更少的能量；另外，硬赛道比软赛道需要更高的胎压［42］。目前主要采用人为主观的方式对最佳胎压予以确定，即运动员在赛道上尝试不同轮胎压力，根据自我感觉来确定胎压。在自行车领域，轮胎朝着更快，更低压的趋势发展，这种趋势是否会借鉴到轮椅轮胎的领域，仍未可知［42］。解决根据不同运动员、不同赛道等来确定最佳胎压，以及有关低胎压是否会提高运动员的运动表现等问题，还有待开展更多相关研究。

3.1.3 轴承

轴承的性能会影响运动员在比赛中的初始加速度、最高速度和能量消耗［42］。但不同类型的轴承对轮椅运动员在比赛中的运动表现的潜在影响暂不可知。目前市场上有一种新型陶瓷轴承，声称在受控测试中表现得比钢制轴承要更好，但由于高昂的价格，且尚未证明其能提高运动员的初始加速度、最高速度［42］，因此大多数运动员们并没有采用。制造商要想说服运动员和教练员采用更高端的陶瓷轴承，还需要拿来更多证据。另外，轮椅内部摩擦是影响整体滚动阻力的关键要素，而不同类型的轴承以及维护将会对轮椅内部摩擦产生影响［45］，因此，这些潜在损失也需要进一步研究。

3.1.4 轮椅移动性能监控器

科技的发展推动了一种轮椅移动性能监测器（WMPM）的诞生，这是基于三种惯性传感器的一种性能测量仪器，可即时为轮椅性能测试提供平均加速度、最大速度、平均旋转速度、最大旋转速度等结果［46］。WMPM具有很高的灵敏度，能对轮椅配置的微小变化做出反应，因此可在提高轮椅移动的性能上进行改革创新［47］，比如改变轮椅质量、座椅高度以及其他轮椅配置均可提升轮椅性能［48］。因此，将来运动员和教练员都可以应用WMPM这种廉价易得的仪器监测轮椅移动性能，以评估轮椅设置的干预结果。在数据分析的辅助下［49］，根据运动员的个性化需求调整轮椅配置，以达到轮椅性能的最优化。

3.2 轮椅竞速运动的前景展望

自1964年轮椅竞速运动首入残奥会以来，轮椅竞速已形成残奥会轮椅竞速赛事、世界残疾人田径锦标赛轮椅竞速赛事、欧洲残疾人田径锦标赛轮椅竞速赛事、亚洲残疾人田径锦标赛轮椅竞速赛事等多种比赛在内的国际轮椅竞速赛事体系。完善的轮椅竞速国际竞赛体系表明轮椅竞速已成为世界性的竞技体育项目，它的国际化发展已经达到较高水平。经过半个世纪的发展，其比赛规则、技术体系和裁判水平日益完善，成为当代残疾人竞技体育的重要组成部分。在轮椅竞速运动竞争日益激烈的大背景下，科技进步改善了轮椅性能，使运动员更好地在竞技场中发挥其潜力，同样，让残疾人在日常生活中行动更方便。随着技术迁移更加普遍，国防、航空航天或汽车行业的创新理念将在轮椅技术上得到更多的应用，进而提高残疾人运动员的竞技水平。

基于以上分析，未来轮椅竞速运动将呈现出以下发展趋势：

3.2.1 科技助残会推动残疾人运动发展与普及，受益于科技发展，轮椅竞速运动水平将不断提高。反过来，残疾人竞技体育本身作为一个巨大的市场，也会推动科技产业自身快速发展，两者呈螺旋式发展。

3.2.2 轮椅竞速将不断引进高新技术，未来发展方向可能在于：轮椅转弯的灵敏与稳定性、预防损伤、配件（轮轴、车轮、轮胎等）的改进、智能轮椅、计算机辅助设计与制造技术等。

3.2.3 随着各国“残奥科技体系”的形成，残奥科技将随奥运周期的时限性而快速发展，形成残奥科技化和科技残奥化的有机统一。随着残疾人竞技运动的普及，轮椅竞赛项目各方面的发展前景也将更加广阔。

4 结语

轮椅竞速运动已近60年的发展历程，本文通过回顾轮椅竞速运动的发展历史与现状、竞速专用轮椅的发展过程，对项目发展远景做出瞻望，认为随着竞速轮椅技术的发展，轮椅竞速运动将越来越受到瞩目。