跑鞋抗弯刚度调整对下肢生物力学表现及跑步经济性的影响研究

孙 冬，宋 杨，全文静，李建设，顾耀东

近年来，随着全民健身被纳入国家战略，跑步热潮逐渐兴起，越来越多的运动人群将跑步作为其首选运动。运动鞋核心科技的进步与生物力学研究息息相关，运动鞋材料决定性能，结构决定功能，无论是材料创新还是结构改良都必须符合人体运动需求，遵循人体运动的生物力学原理（李建设等，2009；梅齐昌等，2015）。对于长跑运动而言，选择一双合适的跑鞋对运动员提升长跑生物力学表现和跑步经济性（running economy，RE）十分关键（顾耀东等，2019；郝琦等，2012）。

跑鞋纵向抗弯刚度（longitudinal bending stiffness，LBS）是鞋具设计的重要参数之一。LBS的调整与跖趾关节运动功能高度相关，鞋具LBS与耐力运动表现联系紧密，同时也被证实与高强度运动如冲刺跑、变向跑等运动表现有密切联系（万祥林 等，2013；Roy et al.，2006；Stefanyshyn et al.，2016）。研究发现，在长跑和冲刺跑支撑末期，跖趾关节主要做负功，吸收能量，做负功与正功的比例可达到70∶1，这与跖趾关节在支撑末期的背屈程度过大密切相关（Stefanyshyn et al.，1997）。 Stefanyshyn等（2000）推测通过提高跑鞋LBS，降低跖趾关节在蹬伸阶段的背屈活动度可能有利于降低跑步跖趾关节处的能量损耗，从而提升运动表现。后续研究在一定程度上证实了这一论点，85%的短跑运动员穿着一定范围内的较高LBS鞋具，其运动表现均有一定程度的提升（Stefanyshyn et al.，2004）。Wannop等（2017）发现，提高跑鞋LBS可以提高冲刺跑前10 m加速阶段的运动表现。同时Enders等（2015）发现，鞋具LBS提高可有效降低运动员在跳跃和变向运动中的氧气消耗。研究表明，以4 m/s配速跑步时，跖趾关节的屈伸角度以及关节功率随着跑鞋LBS的增加而逐渐减小，同时跖趾关节处做负功的程度降低，损失的能量也相应减少（Cigoja et al.，2019）。类似的结果也出现在跳跃类项目测试中，Stefanyshyn等（2016）研究发现，通过增加鞋具LBS可以减小垂直全力反向跳过程中跖趾关节约36%的能量损失，并能提高约1.7 cm的纵跳高度。跑鞋LBS调整能有效影响跑步生物力学参数，从而影响跑步运动表现和跑步经济性。Hoogkamer等（2018）发现，随着跑鞋质量的下降，鞋底材料的能量回归表现提升以及抗弯刚度增加能够有效降低长跑氧耗量，提高跑步经济性。还有研究发现，跑鞋LBS提升可提高跑步支撑期峰值垂直地面反作用力（ground reaction forces，GRF），使触地时间延长，步频下降，此外，跑步垂直GRF冲量降低，下肢垂直刚度增加可能对提升跑步经济性有一定帮助（Moore，2016）。跑鞋LBS的提升引起跑步蹬离期GRF在足底作用点的前移，导致踝关节GRF力臂的有效延长以及踝关节杠杆比例（gearing ratio）增大，从而提高踝关节蹬离阶段的跖屈力矩并降低跖屈角速度，而这正可能是提高跑步运动表现并降低能量消耗的生物力学机制（Willwacher et al.，2014）。

恒定跑速下，下肢各关节的做功总量在不同鞋具条件下一致，跑鞋LBS的提升可能导致跖趾关节处能量损耗降低，带来下肢其他关节能量学代偿性调整，但调整的程度及其生物力学机制目前尚不清楚。同时，跑鞋LBS的调整致使跖趾关节处能量损耗改变能否影响跑步经济性尚不明确；鞋具LBS增大能否提高跑步整体表现和跑步经济性及其相关的生物力学机制还不明晰。分析跑鞋LBS改变导致的跑步生物力学响应，有助于进一步理解跑步运动表现及跑步经济性调整的生物力学机制。综上，本研究旨在分析跑鞋LBS的改变对下肢生物力学功能调整及跑步经济性的影响。研究假设：随着跑鞋LBS的提升，跑步支撑期的跖趾关节背屈活动度和能量损耗降低，下肢关节做功向远端关节（包括踝关节和跖趾关节）分散，同时跑步经济性提高，跑步运动表现随着跑鞋LBS的增加可得到进一步提升。

1 研究对象与方法

1.1 研究对象

筛选15名健康成年男性马拉松跑者为受试者［年龄：（24.1±2.1）岁；身高：（174.0±3.3）cm；体质量：（63.4±1.6）kg；BMI指数：（21.8±2.6）kg/m2］；鞋码为 40～43欧码（40欧码2人，41欧码5人，42欧码6人，43欧码2人）；跑步方式均为后跟着地，优势侧均为右侧。本研究受试者均为国家二级及以上运动员，具有长跑经历，每周跑步距离不少于30 km，全程马拉松成绩在3.5 h以内。所有受试者身体机能状态良好，实验前30天无下肢损伤，为避免疲劳因素影响，要求实验前24 h内不从事剧烈活动。测试前所有受试者均了解研究目的、实验要求和过程以及具体步骤，自愿参与本次测试，并签署知情同意书。

1.2 跑鞋设计

本研究选取安踏（中国）有限公司生产的“飞影”跑鞋作为原型用鞋，使用电子压力试验机（E3000，英斯特朗公司，美国）对跑鞋前掌部位进行LBS机械测试，测得该原型跑鞋的LBS为0.06 Nm/deg，作为本研究低LBS的对照跑鞋（LLBS）。在原型跑鞋的基础上，通过在鞋垫和中底之间添加0.9 mm的碳板作为本研究高LBS的实验跑鞋（HLBS），保持碳板形状与鞋垫完全一致，忽略碳板质量因素对跑鞋和跑步经济性的影响。通过电子压力试验机再次测试得到添加碳板后跑鞋LBS为0.32 Nm/deg。该原型跑鞋的单只质量为280 g，鞋中底材料为聚氨基甲酸酯（PU）。前掌厚度为26.2 mm，后跟厚度为37.1 mm（图1）。

图1 跑鞋立体解剖视图及碳板位置关系（a）与跑鞋LBS测量原理示意图（b）Figure 1.Sketch Map of Stereoscopic Anatomical View of the Running Shoes（a）and the Position of Carbon Fiber Plate with Test of LBS in Shoes（b）

1.3 实验流程

1.3.1 运动生物力学测试

采用八摄像头VICON三维运动捕捉系统（Oxford Metrics Ltd.，英国）同步AMTI三维测力台（Watertown，美国）采集受试者实验室环境下分别穿着不添加碳板的LLBS对照跑鞋和添加碳板的HLBS实验跑鞋进行控制跑速测试，使用测速计时门（Smartspeed，Fusion Sport International，Coopers Plains，澳大利亚）对15名受试者的跑速进行监控，跑速为4 m/s，取设定跑速5%误差范围内的速度为有效跑速（Flores et al.，2019）。实验开始前，受试者在实验室环境下进行充分的热身准备活动和环境适应。随后受试者签署知情同意书，测量身高、体质量、腿长、膝宽、踝宽等人体测量学参数，用于后续个体化人体建模参数的输入与设置。25个反光标记点（直径14 mm）分别黏贴于受试者骶髂关节中心（SACR）、左右侧髂前上棘（LASI，RASI）、左 右 侧 髂 嵴（LPP，RPP）、左 右 大 转 子（LTROC，RTROC）、优势侧下肢追踪点（S1，S2，S3，S4）、内外侧膝关节中心（RMK，RLK）、小腿追踪点（ST1，ST2，ST3，ST4）、内外侧踝尖（RMA，RLA）、足跟追踪点（SH1，SH2，SH3）、大脚趾（RTOE）、第一跖骨头（RM1）、第五跖骨头（RM5）。VICON下肢运动学采样频率为200 Hz，下肢反光标记点粘贴情况如图2所示（梅齐昌等，2019；孙冬等，2018）。要求受试者优势侧下肢的足完全踏在测力台范围内，采集完整稳定的支撑期运动学与GRF同步数据，AMTI三维测力台采样频率设定为1 000 Hz，每名受试者随机穿着LLBS与HLBS跑鞋实验室环境下分别采集10组有效数据，每完成5组测试后受试者休息5 min，同时结合主观疲劳测试量表（Ratings of Perceived Exertion，RPE）观察受试者疲劳程度，在主观疲劳量表得分超过12分后暂停测试，休息10 min，充分消除疲劳因素影响。

图2 下肢反光标记点粘贴位置示意图Figure 2.The Lower Extremity Marker Set

1.3.2 跑步经济性测试

该部分测试在室内高速跑台（Cosmos，Pulsar 3P，德国）上进行，采用FitMate EMD™气体代谢分析仪（Cosmed，意大利）收集并分析受试者跑步过程中的氧气摄入量，使用Polar心率带实时监测跑者心率变化。使用RPE量表以及心率指标评估受试者跑步过程中的疲劳程度。受试者首先佩戴氧气功能面罩和心率带以自身适应跑速热身3～5 min，随后启动仪器，开始以6 km/h的速度快走，并以每2 min增加1 km/h逐渐转换为跑步，每2 min的后10 s由测试人员通过RPE量表询问受试者的主观感受并观察实时心率变化，将受试者主观RPE得分达到13分时所对应的速度作为稳态跑速，保持稳态速度直到受试者主观RPE值达到19分并同时满足达到预期最大心率（220-年龄）时判定其疲劳，氧耗测试延长记录10 s，随后停止运动，记录该过程的氧气消耗总量（Barnes et al.，2015）。在整个跑台测试过程中，设置跑台坡度为1%模拟户外跑步状态。实验期间严格控制温度、湿度等环境因素。实验进行阶段，严格控制外界干扰因素的影响，实时监测受试者的身体状态和恢复情况，提示受试者采用前后统一的运动方式，排除实验过程中可能干扰受试者的因素。

1.4 数据筛选与分析

运动生物力学测试部分主要分析受试者优势侧下肢在跑步支撑期内的运动学、动力学数据。对采集的支撑期反光标记点三维坐标数据及GRF数据采用Butterworth零滞后四阶低通滤波，截止频率分别设置为10 Hz和50 Hz，以消除高频噪声，避免数据出现明显的滤波失真。采用Visual3D（v6 Professional，C-Motion，美国）三维步态/体态分析软件内置的逆向运动学（inverse kinematics）与逆向动力学（inverse dynamics）模块计算优势侧下肢髋、膝、踝以及跖趾关节矢状面角度/（°）、关节角速度/［（°）·s-1］以及关节力矩/（Nm·kg-1）参数；通过关节力矩与关节角速度的乘积获取关节功率/（W·kg-1）；通过关节功率曲线与时间轴的包络积分获取关节做功/（J·kg-1）；关节做正功和负功定义与关节功率一致，即定义坐标系横轴以上的部分为释放能量，关节做正功（positive work）；坐标系横轴以下的部分为吸收能量，关节做负功（negative work）（张希妮等，2017）。动力学指标包括力矩、功率、做功（能量）等均使用受试者体质量进行标准化处理，对支撑期时间进行标准化处理为0%～100%共计101个数据点（梅齐昌等，2015）。跖趾关节轴为第一跖骨头与第五跖骨头连线，跖趾关节中心为第一跖骨头标记点与第五跖骨头标记点连线的中点，跖趾关节的GRF力臂为力的作用点到跖趾关节轴的垂直距离（Day et al.，2019；Hoogkamer et al.，2019；Stefanyshyn et al.，1997）。综上，运动生物力学测试部分筛选的参数包括：支撑期髋、膝、踝以及跖趾关节矢状面关节角度、关节力矩、关节功率及关节做功（即关节能量学特征）。本研究的跑步经济性指标使用每分钟单位体质量对应的氧气消耗量/（mL·kg-1·min-1）表示。记录每位受试者氧耗及心率测试开始时刻到受试者疲劳后设备停止测试时刻所用时长，对跑台能量代谢测试耗时进行标准化处理，测试并计算受试者分别穿着LLBS和HLBS鞋具在0%（初始状态）、20%、40%、60%、80%和100%跑步支撑期时刻对应的氧耗情况，同步记录受试者心率变化，以反映跑步跑步经济性表现（Oh et al.，2017）。

1.5 统计分析

本研究统计学分析均通过Matlab R2018a软件（The MathWorks，美国）完成。首先使用Shapiro-Wilk方法对因变量的正态性进行检验。如果Shapiro-Wilk检验为正态分布，则进行配对样本t检验，如不服从正态分布则进行非参数Wilcoxon秩检验。统计分析受试者随机穿着LLBS和HLBS跑鞋跑步测试中优势侧下肢支撑期的相关数据，主要包括下肢关节角度、下肢关节力矩、下肢关节功率、下肢关节能量学以及跑步经济性指标，显著性水平均设定在0.05。

2 研究结果

2.1 运动生物力学测试结果

经Shapiro-Wilk检验，下肢关节角度、力矩、功率及能量学等指标均服从正态分布。统计受试者优势侧足踏上测力台到离开测力台的时间范围确定为支撑期时间（stance time）。随着跑鞋LBS的提升，支撑期时间显著降低，穿着LLBS跑鞋的支撑期时间为（0.267±0.017）s，穿着HLBS跑鞋的支撑期时间为（0.252±0.014）s。在下肢运动学参数方面，除跖趾关节外，髋、膝、踝关节支撑期矢状面的角度变化及关节活动度在2种LBS鞋具条件下均无显著性差异。随着跑鞋LBS的提升，跖趾关节背屈程度显著下降，表现为穿着HLBS跑鞋跖趾关节支撑期的峰值背屈角度为28.7°±3.9°，穿着LLBS跑鞋为33.1°±4.5°，P=0.001。同时，随着跑鞋LBS的提升，跖趾关节支撑后期由背屈过渡到跖屈的触发时间显著提前，穿着HLBS跑鞋跖趾关节跖屈触发时间在支撑期占比为86.42%±3.85%，穿着LLBS跑鞋占比为93.28%±4.94%，P＜0.001。动力学参数的显著性改变主要体现在穿着2种LBS鞋具条件下膝关节及跖趾关节力矩，功率及能量学指标。关节力矩方面，穿着LLBS跑鞋的峰值伸膝力矩［（2.12±0.25）Nm/kg］显著高于HLBS跑鞋［（1.99±0.22）Nm/kg，P=0.011］；穿着HLBS跑鞋的跖趾关节峰值跖屈力矩［（0.27±0.07）Nm/kg］则显著高于 LLBS跑鞋［（0.21±0.11）Nm/kg，P＜0.001］。在关节功率方面，穿着HLBS跑鞋的跖趾关节峰值负功功率［（2.77±0.42）W/kg］显著低于LLBS跑鞋［（3.53±0.55）W/kg，P=0.001］；相反，HLBS跑鞋的跖趾关节峰值正功功率［（0.97±0.22）W/kg］显著高于LLBS跑鞋［（0.42±0.14）W/kg，P＜0.001；图3］。

图3 LLBS及HLBS鞋具条件下肢各关节支撑期矢状面关节角度、关节力矩及关节功率变化情况Figure 3.The Variation of Lower Extremity Sagittal Plane Joint Angles，Moments and Power during Stance Phase under LLBS and HLBS Conditions

实验室恒定跑速下，穿着LLBS和HLBS跑鞋下肢关节做正功及负功总量无显著性差异，经与受试者体质量标准化后，穿着LLBS跑鞋下肢各关节正负功总量为（3.04±0.44）J/kg，穿着HLBS跑鞋下肢各关节正负功总量为（3.03±0.38）J/kg（表1）。进一步计算下肢各关节的做功贡献占比（各关节做功/下肢关节总功×100%），穿着HLBS跑鞋跖趾关节正功占比为1.45%±0.67%，穿着LLBS跑鞋跖趾关节正功占比显著降低（0.69%±0.26%）。穿着HLBS跑鞋跖趾关节负功占比为1.66%±0.31%，穿着LLBS跑鞋跖趾关节负功占比为1.42%±0.28%。穿着HLBS跑鞋膝关节正功占比（16.91%±4.83%）相比于LLBS跑鞋显著降低（19.28%±4.26%，P=0.022）。恒定跑速下，相比于穿着较低抗弯刚度的LLBS跑鞋，较高抗弯刚度的HLBS跑鞋能够增加跖趾关节做正功比例，并降低做负功比例，同时相应地降低膝关节做正功比例。从以上结果可发现穿着HLBS跑鞋时的下肢做正功由膝关节向跖趾关节分散和转移。

表1 LLBS及HLBS鞋具条件下肢髋、膝、踝以及跖趾关节做正功及做负功的关节能量学参数Table 1 Positive and Negative Lower Limb Joint Work for the Metatarsophalangeal，Ankle，Knee，and Hip Joints under LLBS and HLBS Conditions M±SD，J·kg-1

2.2 跑步经济性测试结果

受试者分别穿着LLBS与HLBS跑鞋在跑台进行递增速度跑步疲劳测试，同步采集受试者氧气消耗和心率变化（图4）。在整个跑台跑步疲劳周期内（100%），受试者穿着LLBS和HLBS跑鞋的心率变化无显著差异，但从整个周期范围看，穿着HLBS跑鞋在20%时间点的心率值略高于LLBS跑鞋，后续时间点的心率值略低于LLBS跑鞋（图4a）。穿着HLBS跑鞋仅在80%时间点的氧气消耗量显著降低，相较于LLBS跑鞋，跑步经济性显著提升（P＜0.05）。在整个跑台跑步至疲劳周期内，穿着HLBS跑鞋的平均跑步经济性值为（32.3±4.2）mL·kg-1·min-1，穿着 LLBS跑鞋的平均跑步经济性值为（33.9±4.6）mL·kg-1·min-1，总体跑步经济性差异不具有显著性。

图4 穿着LLBS及HLBS跑鞋跑步疲劳测试的心率及跑步经济性变化情况Figure 4.Variation of Heart Rate and Running Economy during Running Fatigue Test with LLBS and HLBS Shoes

3 讨论

本研究旨在探究调整跑鞋LBS对下肢生物力学表现及跑步经济性的影响。选取下肢生物力学指标包含髋、膝、踝及跖趾关节在4 m/s跑速下的矢状面关节角度、力矩、功率及能量学特征。鞋底添加碳板后，跑鞋LBS显著提升，下肢生物力学参数也表现出相应的调整策略。在运动学参数方面，随着跑鞋LBS的提升，跖趾关节屈曲活动显著受限是较容易理解的。运动学测试结果结合下肢环节惯性参数和GRF特征，通过逆向动力学算法计算得出关节力矩、功率及能量学参数反映下肢各关节在2种不同LBS鞋具条件下的力学表现和做功特征。

结合上述测试结果，发现恒定跑速下，跑鞋LBS调整对下肢关节做功总量无显著影响，但显著影响了下肢各关节的做功分布。主要体现在以相同速度跑步时，跑者穿着HLBS跑鞋时跖趾关节做正功（释放能量）增大，膝关节做正功减小；与之相反，穿着HLBS跑鞋时跖趾关节做负功（吸收能量）减小，膝关节做负功增大，髋关节与踝关节的做功及能量学表现未见显著调整。综上可推测，随着跑鞋LBS的提升，下肢做正功由近端关节（膝关节）向远端关节（跖趾关节）调整分布。跑步经济性指标由单位时间单位体重的氧气消耗量表示，经跑台跑步疲劳测试，两种LBS跑鞋的总体跑步经济性未见显著改变，对测试时间标准化后，发现仅在80%时刻处，受试者穿着HLBS跑鞋的氧耗量下降，跑步经济性出现显著提升。

根据上述测试结果，推测跖趾关节做功及能量学随着跑鞋LBS调整而改变的潜在机制主要有以下2点：1）从运动学角度而言，穿着HLBS跑鞋时跖趾关节跖屈触发时刻显著早于LLBS跑鞋，跖屈做正功的时刻提前，做正功的时间延长；2）从动力学角度而言，穿着HLBS跑鞋的跖屈力矩显著增大。跖屈力矩的增大和跖屈触发时间的提前导致关节做正功功率的增大，功率增大和做功时间延长最终导致穿着较高LBS跑鞋在跖趾关节处做正功增加，即释放能量增多。探究较高LBS条件下跖趾关节跖屈力矩提升的原因，可能是由于肌肉力量提升，但肌力的提升会导致肌肉做功增加，对应的氧耗量也相应提升（Biewener et al.，2000），这与本研究发现的2种LBS条件下，跑鞋总体跑步经济性无显著差异，并且在80%时刻

前人研究也佐证了在一定范围内，跑鞋LBS的提升可能有助于提高跑步经济性这一观点。Roy等（2006）研究分析了18名受试者分别穿着LBS为18 N/mm、38 N/mm和45 N/mm的跑鞋进行次最大摄氧量强度跑步，平均跑速为3.7 m/s，跑步经济性指标同样采用受试者在稳态速度下单位时间单位体重的氧气消耗量表示，结果发现，38 N/mm和45 N/mm条件下跑步经济性显著提升，其中38 N/mm对应的跑步经济性最高。因此推测较高LBS跑鞋跖趾关节跖屈力矩的提升并非是由于肌肉力量的增加或肌肉做功的增大而导致。对跖趾关节跖屈力矩提升的另一个可能解释是跑鞋内置碳板随着跖趾关节屈曲会储存部分弹性势能，并在跖趾关节跖屈阶段释放弹性势能给予能量反馈（Cigoja et al.，2019；Nigg et al.，1992）。需要注意的是，能量回馈的时机，位置和频率都是影响能量反馈有效性的重要因素，通过本研究方法，无法得出碳板能量回馈的时机和频率信息。但通过研究测试得到的部分生物力学指标，例如跖趾关节峰值跖屈力矩以及做正功功率的提升可以推测碳板的能量回馈位置位于前足，碳板能量回馈的时机和频率还需要进一步研究确定（Nigg et al.，2000）。

前人研究推测跑鞋LBS调整影响下肢生物力学特征和运动表现的机制有以下2个方面：1）影响下肢能量吸收及能量回馈；2）降低下肢能量损耗。下肢能量损耗降低意味着关节做负功程度降低，肌肉离心收缩做功降低，能耗也随之减小，长距离耐力运动表现得到提升（Oh et al.，2017；Roy et al.，2006）。本研究发现，穿着HLBS跑鞋跑步时的跖趾关节做负功相比于LLBS跑鞋显著降低，这可能会在一定程度上提升运动表现，同时对研究发现的穿着HLBS跑鞋时跑步经济性得到提高提供解释依据。Hoogkamer等（2019）研究未发现膝关节做功在不同LBS跑鞋下出现调整，但发现踝关节能量学特征出现显著差异。推测可能由于上述研究中高LBS跑鞋的抗弯刚度仅为低LBS跑鞋的2倍，而本研究使用的HLBS跑鞋抗弯刚度则为LLBS跑鞋的5倍以上。

有研究发现，长距离跑到达疲劳状态后，下肢关节做正功会向近端关节重新分布，近端关节做正功比例增加可能是关节周围的大肌肉群做功增加的结果，研究证实大肌群做功特点为能量存储和反馈效率低于小肌群，在募集相同肌肉力的情况下需要消耗的能量较多（Sanno et al.，2018）。因此跑步至疲劳状态后，消耗能量增多，跑步经济性会随之下降。研究提示，长距离跑步至疲劳状态下肢近端关节以及关节周围大肌群等做功的增加会导致能量消耗上升，不利于提高跑步经济性。因此，通过调整跑鞋LBS重新分布下肢各关节做功，可能对跑步运动表现及跑步经济性产生有利影响。基于本研究测试结果，发现通过增加跑鞋LBS，能够调整下肢关节做功分布，一方面增加跖趾关节做正功的比例，减小跖趾关节处的能量损失，另一方面降低膝关节做正功的幅度，使下肢关节做功由近端关节向远端关节分散。同时本研究发现，跑鞋LBS提高能够降低跑步接近疲劳状态（80%时刻）的氧气消耗量，提升跑步经济性（Flores et al.，2019）。依据本研究结果推测，增加跑鞋LBS能够对跑步表现的提高产生积极影响，但鉴于影响跑步运动表现的因素较为复杂，跖趾关节作为支撑末期的最后施力关节，与运动表现和下肢其他各关节力学特征之间的内在联系尚未完全建立（Oh et al.，2017；Stefanyshyn et al.，2016）。此外，由于跑者的个体差异性（subject-specific），对跑鞋LBS可能产生运动策略的适应和代偿性调整，例如，有研究发现跑鞋LBS增加可能导致身体重心在支撑足转移过程中阻力增加，延长支撑期时间，降低运动表现（Tinoco et al.，2010）。因此，通过增加鞋具LBS减小跖趾关节能量损耗促进运动表现的生物力学机制还需要深入研究。

本研究同时还存在一些局限与不足，主要包含以下2点：1）忽略了足部小环节的惯性参数，没有将GRF按照足部小环节进行比例分配，跖趾关节GRF矩的计算从足底压力中心前移超过跖趾关节轴开始，之前的部分设置为 0（万祥林 等，2013；Hoogkamer et al.，2018；Stefanyshyn et al.，1997）。有研究验证采用该方法会导致计算得出的跖趾关节跖屈力矩高出正常值约17%，同时该计算方法仅影响跖趾关节做负功功率的准确性，而不影响做正功功率（Bruening et al.，2018）。2）添加碳板提高了跑鞋LBS，同时每只跑鞋质量也增加约25 g，为排除其他干扰因素，本研究并未考虑鞋具质量对下肢生物力学及跑步经济性的影响。但有报道发现，鞋具质量的增加会导致下肢做功总量的增加和跑步经济性的下降，跑鞋质量每增加100 g/双，会导致氧耗量提升约1%（Franz et al.，2012；Fuller et al.，2015）。但由于本研究并未发现碳板质量增加导致下肢做功总量的改变和跑步经济性的降低，因此碳板质量因素在本研究中可以忽略不计。

4 总结

跑鞋LBS的提升能够影响跑步下肢生物力学特征及跑步经济性，具体表现在，下肢关节做正功随着跑鞋LBS的增加从近端关节即膝关节向远端关节即跖趾关节转移分布。跖趾关节在HLBS跑鞋条件下做正功比例显著升高，做负功比例显著降低，跖趾关节能量反馈效率提高。推测其潜在机制可能是由于碳板在蹬离阶段释放部分弹性势能，增加跖趾关节跖屈力矩，提前触发支撑期跖趾关节由背屈向跖屈阶段过渡，延长跖屈做正功时长，最终导致跖趾关节在高LBS鞋具情况下做正功增加。跑者穿着HLBS跑鞋在接近疲劳状态下氧耗量下降，跑步经济性提升，推测可能是由于下肢做功向远端关节分布从而降低近端关节周围大肌肉群做功，降低大肌肉群氧耗量。提示，深入探讨鞋具抗弯性能与跖趾关节等小关节的运动功能与生物力学特征，以及跑步经济性等生理学特征可能对鞋具LBS的优化和个性化设计提供依据。