馮 毅，文 安，劉 宇

1 前言

殘疾人競(jìng)技運(yùn)動(dòng)是指由殘疾人參加的，有競(jìng)技性、有競(jìng)爭(zhēng)成分、有組織，并且能使殘疾人產(chǎn)生某種特殊體驗(yàn)的身體活動(dòng)［11］。隨著殘疾人社會(huì)地位的提高，殘疾人可參加的競(jìng)技運(yùn)動(dòng)比賽越來(lái)越多，其中，殘疾人奧林匹克運(yùn)動(dòng)會(huì)（Paralympic Games，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“殘奧會(huì)”）是全世界殘疾人競(jìng)技運(yùn)動(dòng)最高水平的綜合性賽事。殘奧會(huì)包括夏季殘奧會(huì)和冬季殘奧會(huì)，是在奧運(yùn)會(huì)年舉行的、由殘疾人運(yùn)動(dòng)員參加的、奧林匹克運(yùn)動(dòng)形式的運(yùn)動(dòng)競(jìng)賽［7］。殘奧會(huì)的前身是斯托克－曼德維爾運(yùn)動(dòng)會(huì)（Stoke Mandeville Games），由英國(guó)外科醫(yī)生Sir Ludwig Guttmann創(chuàng)立，于1948年倫敦奧運(yùn)會(huì)前一天在英國(guó)的Stoke Mandeville舉行。在Guttmann的推動(dòng)下，1960年，在奧運(yùn)會(huì)舉辦地羅馬舉行了第1屆以Paralympics冠名的殘奧會(huì)；第1屆冬季殘奧會(huì)于1976年在瑞典的Ornskoldsvik舉行［37］。迄今為止已舉辦了14屆夏季殘奧會(huì)和11屆冬季殘奧會(huì)。20世紀(jì)80年代，殘奧會(huì)的組織機(jī)構(gòu)——國(guó)際殘疾人奧林匹克委員會(huì)（International Paralympic Committee，IPC）與國(guó)際奧委會(huì)（International O－lympic Committee，IOC）開(kāi)始實(shí)質(zhì)性的合作。兩者達(dá)成共識(shí)，從1988年漢城奧運(yùn)會(huì)開(kāi)始，采取奧運(yùn)會(huì)結(jié)束后在同一賽場(chǎng)舉辦殘奧會(huì)的模式。自此，殘奧會(huì)已成為了奧林匹克運(yùn)動(dòng)的一部分［7］。

隨著殘疾人競(jìng)技運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，運(yùn)動(dòng)水平也不斷提高。在部分項(xiàng)目上，部分殘疾人的運(yùn)動(dòng)成績(jī)甚至可以接近正常運(yùn)動(dòng)員的標(biāo)準(zhǔn)［28］。對(duì)于參加競(jìng)技運(yùn)動(dòng)的殘疾人而言，輪椅、假肢、投擲椅、坐式滑雪板等運(yùn)動(dòng)裝備是必不可少的。這些運(yùn)動(dòng)輔助器具不斷改進(jìn)的設(shè)計(jì)促進(jìn)了殘疾人運(yùn)動(dòng)成績(jī)的提高，其中，科技進(jìn)步起到重要作用［19，38］。在眾多殘疾人競(jìng)技運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中，膝下截肢短跑運(yùn)動(dòng)的發(fā)展和碳纖維假肢的使用就極為引人矚目。雙側(cè)膝下截肢的南非短跑運(yùn)動(dòng)員Oscar Pistorius佩戴碳纖維材料的短跑專(zhuān)用假肢參加了2011年世界田徑錦標(biāo)賽和2012年奧運(yùn)會(huì)的男子400 m跑比賽，且均進(jìn)入半決賽。碳纖維假肢于1988年首次出現(xiàn)在殘奧會(huì)田徑賽場(chǎng)，其設(shè)計(jì)不斷加以改進(jìn)，逐步被高水平殘疾人運(yùn)動(dòng)員所接受。在如今的殘奧會(huì)田徑賽場(chǎng)上，膝下截肢的短跑運(yùn)動(dòng)員所佩戴的假肢均由碳纖維材料制成［31］。2012年奧運(yùn)會(huì)和殘奧會(huì)之后，膝下截肢的短跑比賽運(yùn)動(dòng)水平又有了大幅提升，運(yùn)動(dòng)成績(jī)進(jìn)一步逼近健全人。值得注意的是，膝下截肢短跑運(yùn)動(dòng)的發(fā)展過(guò)程也是碳纖維假肢的設(shè)計(jì)不斷改進(jìn)和演化的過(guò)程［32］，而運(yùn)動(dòng)員運(yùn)動(dòng)成績(jī)的提高顯然得益于假肢技術(shù)的進(jìn)步［38］。

本研究將分析短跑專(zhuān)用假肢的演化歷史、碳纖維假肢的性能，以及膝下截肢短跑運(yùn)動(dòng)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，探討假肢技術(shù)的進(jìn)步對(duì)于膝下截肢短跑運(yùn)動(dòng)員成績(jī)提高所起的重要作用；并對(duì)膝下截肢短跑運(yùn)動(dòng)和假肢技術(shù)的發(fā)展前景作出展望。以此為例，闡述科技進(jìn)步在殘疾人競(jìng)技運(yùn)動(dòng)中的重要作用。若不加特別說(shuō)明，本研究所討論的假肢均指小腿假肢，即膝下截肢運(yùn)動(dòng)員所使用的假肢；本研究以討論男性運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)成績(jī)?yōu)橹?。殘疾人運(yùn)動(dòng)成績(jī)均引用自國(guó)際殘疾人奧林匹克委員會(huì)官方網(wǎng)站。

2 膝下截肢短跑運(yùn)動(dòng)的發(fā)展——?dú)v史與現(xiàn)狀

根據(jù)IPC關(guān)于田徑項(xiàng)目身體損傷程度的分級(jí)方案，在參加跑類(lèi)項(xiàng)目的下肢截肢運(yùn)動(dòng)員中，單側(cè)膝上截肢者為T(mén)42級(jí)，雙側(cè)膝下截肢者為T(mén)43級(jí)，而單側(cè)半足至膝下截肢者為T(mén)44級(jí)［35］。參加T42級(jí)、T43級(jí)和T44級(jí)的截肢運(yùn)動(dòng)員通常佩戴下肢假肢進(jìn)行比賽；其中，作為雙側(cè)和單側(cè)膝下截肢的殘疾人佩戴小腿假肢參加T43級(jí)和T44級(jí)短跑項(xiàng)目的競(jìng)賽。由于參賽人數(shù)較少，T43級(jí)運(yùn)動(dòng)員通常合并至T44級(jí)項(xiàng)目，同場(chǎng)競(jìng)賽并共同計(jì)算比賽成績(jī)和排列名次。

1976年，在加拿大多倫多舉行的第5屆夏季殘奧會(huì)上，首次設(shè)立下肢截肢組短跑比賽［38］，其后該項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)水平得以迅速提高［32］。以男子T44級(jí)（單側(cè)膝下截肢者）100m跑為例，1976年殘奧會(huì)冠軍成績(jī)?yōu)?4.3s，而2012年殘奧會(huì)冠軍成績(jī)已達(dá)10.90s，圖1為1976—2012年歷屆殘奧會(huì)男子T44級(jí)100m跑的冠軍成績(jī)。該項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)水平的提高固然有殘疾人運(yùn)動(dòng)的普及、職業(yè)體育的推廣、訓(xùn)練水平的提高等因素，但高新科技的引入，尤其是碳纖維假肢的出現(xiàn)和設(shè)計(jì)的改進(jìn)，對(duì)于下肢截肢組短跑運(yùn)動(dòng)成績(jī)的提高起著極為重要的作用［38］。1988年殘奧會(huì)賽場(chǎng)上碳纖維假肢的首次出現(xiàn)對(duì)于下肢截肢短跑運(yùn)動(dòng)而言，更是一個(gè)里程碑式的突破［32］（圖1）。

圖1 1976—2012年歷屆殘奧會(huì)男子T44級(jí)100m跑的冠軍成績(jī)示意圖Figure 1. Champion Results of 1976—2012 Paralympic Games，Men＇s 100mT44

繼Oscar Pistorius在2012年倫敦奧運(yùn)會(huì)和殘奧會(huì)的出色表現(xiàn)之后，膝下截肢短跑項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)水平又有了大幅提升，運(yùn)動(dòng)成績(jī)進(jìn)一步逼近健全人。尤為引人矚目的是在2013賽季，出生于1992年的巴西雙側(cè)膝下截肢短跑運(yùn)動(dòng)員Alan Oliveira在T43級(jí)100m、200m和400m3個(gè)單項(xiàng)中均大幅提高個(gè)人最好成績(jī)，并打破100m、200m世界紀(jì)錄，其200m成績(jī)達(dá)20.66s，接近于世界田徑錦標(biāo)賽和奧運(yùn)會(huì)的參賽B標(biāo)。而T44級(jí)100m、200m和400m的世界紀(jì)錄也均在2013賽季被打破（表1）。需要指出的是，雖然T43級(jí)短跑各單項(xiàng)的世界紀(jì)錄均高于T44級(jí)，但在IPC田徑項(xiàng)目中，T43級(jí)遠(yuǎn)不如T44級(jí)和其他級(jí)別普及。2013年，進(jìn)入IPC中T43級(jí)100m、200m、400m各單項(xiàng)排名的運(yùn)動(dòng)員均不超過(guò)10人，并未形成有效的競(jìng)爭(zhēng)局面，項(xiàng)目水平主要依賴(lài)于個(gè)別明星的表現(xiàn)。而進(jìn)入T44級(jí)排名的運(yùn)動(dòng)員數(shù)量眾多，競(jìng)爭(zhēng)激烈且整體水平較T43級(jí)更高。原因可能是，T43級(jí)運(yùn)動(dòng)員的殘疾程度較T44級(jí)更高，運(yùn)動(dòng)及日常活動(dòng)中身體受限更大，使得其參加專(zhuān)業(yè)訓(xùn)練時(shí)的起點(diǎn)較低，技術(shù)難度更大，而且由于碳纖維價(jià)值相當(dāng)昂貴，使得參加T43級(jí)的運(yùn)動(dòng)員比T44級(jí)運(yùn)動(dòng)員面臨更大的經(jīng)濟(jì)花費(fèi)。但結(jié)合Oscar Pistorius、Alan Oliveira的卓越表現(xiàn)可以說(shuō)明，蘊(yùn)藏在雙側(cè)膝下截肢殘疾人身體中的運(yùn)動(dòng)潛力其實(shí)并未得到普遍、充分的發(fā)掘。

表1 Oliveira個(gè)人紀(jì)錄與男子T43級(jí)、T44級(jí)和健全男子短跑世界紀(jì)錄比較一覽表 （s）Table 1 Personal Bests of Oliveira，World Records of Men＇s T43and T44，World Records of Men in Sprinting

受制于經(jīng)濟(jì)條件和殘疾人競(jìng)技運(yùn)動(dòng)的發(fā)展水平，我國(guó)膝下截肢短跑運(yùn)動(dòng)的普及程度遠(yuǎn)不及發(fā)達(dá)國(guó)家，只有極少量的T44級(jí)運(yùn)動(dòng)員參加短跑訓(xùn)練和比賽。至于我國(guó)運(yùn)動(dòng)員所佩戴的假肢，以往主要采用國(guó)內(nèi)產(chǎn)品：20世紀(jì)90年代，單側(cè)膝下截肢的女運(yùn)動(dòng)員汪涓佩戴國(guó)產(chǎn)日常用假肢打破100m世界紀(jì)錄；單側(cè)膝下截肢的運(yùn)動(dòng)員孫長(zhǎng)亭佩戴國(guó)產(chǎn)玻璃纖維假肢打破跳遠(yuǎn)項(xiàng)目世界紀(jì)錄［3］，并獲得殘奧會(huì)標(biāo)槍項(xiàng)目金牌和短跑項(xiàng)目第4名。隨著經(jīng)濟(jì)條件的改善，如今我國(guó)參加跑跳類(lèi)項(xiàng)目的下肢截肢運(yùn)動(dòng)員基本上都使用國(guó)外的運(yùn)動(dòng)假肢。汪涓在1999年佩戴碳纖維假肢后參加了4屆殘奧會(huì)，奪得T44級(jí)100m、200m和跳遠(yuǎn)項(xiàng)目的數(shù)枚獎(jiǎng)牌，成為我國(guó)僅有的膝下截肢短跑項(xiàng)目的世界級(jí)運(yùn)動(dòng)員。而在男子項(xiàng)目上，雖然多年來(lái)中國(guó)在截肢跳高、跳遠(yuǎn)項(xiàng)目上擁有一批優(yōu)秀殘疾人運(yùn)動(dòng)員，但在截肢短跑項(xiàng)目上卻始終未收獲殘奧會(huì)獎(jiǎng)牌?？紤]到運(yùn)動(dòng)假肢的使用很不普及，近年來(lái)，我國(guó)下肢假肢的生產(chǎn)和研究已主要集中于日常使用型［6］。

3 假肢技術(shù)的進(jìn)步在膝下截肢短跑運(yùn)動(dòng)發(fā)展中的作用

對(duì)于參加短跑項(xiàng)目訓(xùn)練和比賽的膝下截肢殘疾人而言，專(zhuān)用的小腿假肢是必不可少的運(yùn)動(dòng)裝備，其不斷改進(jìn)的設(shè)計(jì)促進(jìn)了殘疾人運(yùn)動(dòng)成績(jī)的提高，其中，科技進(jìn)步起到重要作用［19，38］。小腿假肢通常由內(nèi)支架、接受腔及懸吊裝置構(gòu)成。假肢的骨架即為內(nèi)支架，相當(dāng)于足－踝－小腿結(jié)構(gòu)；接受腔是患者殘肢和假肢的接觸界面，容納殘肢并通過(guò)懸吊裝置將假肢與身體相連接［23］。小腿假肢按照功能可分為日常用假肢和專(zhuān)用的運(yùn)動(dòng)假肢。用于參加競(jìng)賽活動(dòng)的運(yùn)動(dòng)假肢，其設(shè)計(jì)側(cè)重于截肢運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)及其比賽成績(jī)的提高［8］。參加短跑比賽和訓(xùn)練的截肢運(yùn)動(dòng)員，其佩戴的假肢經(jīng)歷了由日常假肢向運(yùn)動(dòng)型假肢、短跑專(zhuān)用假肢發(fā)展和分化的過(guò)程，這同時(shí)也是膝下截肢短跑運(yùn)動(dòng)不斷快速發(fā)展的過(guò)程。

3.1 短跑專(zhuān)用假肢的演化

20世紀(jì)50年代末發(fā)明的定踝軟跟足SACH（Solid－Ankle Cushioned Heel，Ohio Willow Wood，Ohio，USA）是一種木質(zhì)剛性假肢，踝關(guān)節(jié)處固定，而足跟部墊有泡沫材料作為緩沖。這類(lèi)假肢的功能也只是恢復(fù)基本行走和簡(jiǎn)單的工作任務(wù)，基本不具備參加競(jìng)技運(yùn)動(dòng)的功能［25］，其設(shè)計(jì)和材料直至20世紀(jì)80年代都沒(méi)有太大的改變［31］。

對(duì)于充滿(mǎn)活力的截肢運(yùn)動(dòng)員來(lái)說(shuō)，其需求已不僅僅滿(mǎn)足于步行，而是能夠跑跳和參加競(jìng)技運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)型假肢Seattle Foot的設(shè)計(jì)拓展了截肢者的運(yùn)動(dòng)能力［33］。1981年面世 的 Seattle Foot（Seattle Limb Systems，Poulsbo，WA，USA）引入了儲(chǔ)能假肢（Energy－Storing Prosthetic Foot，ESPF）的概念，其整體式的骨架在步態(tài)前期加載時(shí)會(huì)像彈簧一樣彎曲變形，而在步態(tài)后期將儲(chǔ)存的部分能量返還給截肢者以幫助推動(dòng)其向前運(yùn)動(dòng)。但在Seattle Foot中，依然保留了泡沫緩沖足跟的設(shè)計(jì)［25］。儲(chǔ)能假肢所使用的儲(chǔ)能材料包括：Seattle Foot采用的杜邦公司生產(chǎn)的專(zhuān)利產(chǎn)品Delrin——一種樹(shù)脂材料［25］，20世紀(jì)90年代初清華大學(xué)研制的運(yùn)動(dòng)假肢所采用的玻璃纖維材料［3］，以及當(dāng)今殘奧會(huì)田徑賽場(chǎng)上最為盛行的碳纖維材料等［25］。其中，玻璃纖維材料的儲(chǔ)能式運(yùn)動(dòng)小腿假肢，其能量效率低于同時(shí)代的Flex－Foot，但高于Seattle Foot［3］。

1984年，單側(cè)膝下截肢的美國(guó)工程師Van Phillips設(shè)計(jì) 出 碳 纖 維 假 肢 Flex－Foot（Flex－Foot，Inc.Aliso Viejo，CA），它包含了易彎曲的碳纖維小腿－足和彈性足跟各一片，能夠使假肢在整個(gè)長(zhǎng)度內(nèi)產(chǎn)生彎曲、吸收和返還能量，而不是僅僅在足部。這一不同尋常的設(shè)計(jì)被認(rèn)為是當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的儲(chǔ)能假肢。該產(chǎn)品于1987年進(jìn)入市場(chǎng)［25］，并于1988年殘奧會(huì)首次亮相于頂級(jí)殘疾人運(yùn)動(dòng)會(huì)。美國(guó)殘疾人運(yùn)動(dòng)員Dennis Oehler佩戴Flex－Foot參加了單側(cè)膝下截肢組100m跑比賽，以11.73s奪冠，而該單項(xiàng)1984年殘奧會(huì)冠軍的成績(jī)?yōu)?3.12s［32］。1992年假肢的彈性足跟被去除，于是誕生了第一款短跑專(zhuān)用假肢［31］。2000年，Van Phillips將Flex－Foot專(zhuān)利賣(mài)給了?ssur公司，后者制造的無(wú)后跟假肢 Flex－Foot Cheetah（?ssur，Reykjavik，Iceland）現(xiàn)已裝備了多名頂尖的截肢短跑運(yùn)動(dòng)員。如今，在跑跳項(xiàng)目的頂級(jí)比賽中，碳纖維假肢已處于支配地位，其設(shè)計(jì)與1992年款式相比并無(wú)根本性的改動(dòng)。圖2為近年來(lái)幾款不同短跑專(zhuān)用假肢的設(shè)計(jì)圖，適合于膝下截肢運(yùn)動(dòng)員使用，其設(shè)計(jì)具有以下共同特點(diǎn)：1）采用碳纖維作為假肢主要材料；2）無(wú)足跟設(shè)計(jì)；3）假肢的剛度和形狀可以依據(jù)運(yùn)動(dòng)員個(gè)體特征進(jìn)行優(yōu)化［31］。

圖2 幾近來(lái)幾款不同短跑專(zhuān)用假肢的設(shè)計(jì)示意圖Figure 2. The Different Sprint Foot Designs［31］

從節(jié)能、舒適度和經(jīng)濟(jì)角度考慮，這些由價(jià)格昂貴的碳纖維材料制成的短跑專(zhuān)用小腿假肢并不適用于截肢者在日常生活中佩戴。短跑專(zhuān)用假肢主要的功能是奔跑和站立，所以無(wú)需考慮運(yùn)動(dòng)員穿戴運(yùn)動(dòng)假肢時(shí)的生活方便與否。碳纖維是一種具有很高儲(chǔ)能性的材料；儲(chǔ)能性高的假肢適合劇烈的高沖擊級(jí)別運(yùn)動(dòng)，而在低沖擊級(jí)別的日常生活中，其他因素對(duì)使用者的能耗影響更大［10，22］。

3.2 碳纖維假肢的能量效率

1958年，美國(guó)化學(xué)家Roger Bacon發(fā)明了高性能碳纖維［14］。碳纖維是由粘膠、聚丙烯腈、瀝青等有機(jī)母體纖維在1 000℃～3 000℃高溫的惰性氣體環(huán)境中分解制成的一種無(wú)機(jī)材料，含碳量在90%以上，具有重量輕、力學(xué)性能好、比強(qiáng)度、比剛度高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、易加工成型及環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)［5］。而假肢部件的輕質(zhì)化對(duì)降低穿戴者運(yùn)動(dòng)所消耗的能量、提高假肢的穿戴效果具有重要影響。由此，碳纖維材料在假肢領(lǐng)域得到快速發(fā)展和應(yīng)用［1］。

碳纖維假肢可簡(jiǎn)化為彈簧模型，在加載時(shí)儲(chǔ)存能量，而在卸載時(shí)釋放能量；后者與前者的比值稱(chēng)為彈簧的能量效率。由于存在諸如發(fā)熱和噪聲等摩擦和能量損失，任何彈簧的能量效率都不可能是100%。彈簧的能量效率可以在靜態(tài)或動(dòng)態(tài)條件下測(cè)量獲得，但兩者在結(jié)果上很難相互比較［25，31］。從動(dòng)力學(xué)觀點(diǎn)來(lái)看步態(tài)過(guò)程，足在支撐前期儲(chǔ)存能量，在支撐后期釋放能量。而儲(chǔ)能假肢由于特殊的設(shè)計(jì)和材料，釋放能量與儲(chǔ)存能量之比一般在50%以上。采用高彈性、高強(qiáng)度的碳纖維材料假肢，其釋放能量與儲(chǔ)存能量之比高達(dá)95%以上。碳纖維假肢極高的能量效率且輕質(zhì)，使截肢者在使用時(shí)更為節(jié)省能量［21］。

3.3 佩戴碳纖維假肢的局限性

在進(jìn)行奔跑時(shí)，踝關(guān)節(jié)比下肢其他關(guān)節(jié)作功更多［25］，通過(guò)跟腱、足的縱弓和積極的跖屈來(lái)儲(chǔ)存、返還并產(chǎn)生能量［31］。Czerniecki（1991）對(duì) 于 SACH、Seattle Foot和 Flex－Foot進(jìn)行的研究表明，在跑速為2.8m／s的條件下，這3種小腿假肢的能量效率分別為31%、52% 和84%；而利用逆向動(dòng)力學(xué)公式計(jì)算得到的足的能量效率為241%［21］。與健全人足241%的能量效率相比，儲(chǔ)能假肢并沒(méi)有任何的優(yōu)勢(shì)。碳纖維假肢在展現(xiàn)出比其他假肢更高的能量效率的同時(shí)，作為被動(dòng)系統(tǒng)卻并不能提供接近于人足的能量效率［31］。在跑的支撐階段，截肢者和健全人依靠踝關(guān)節(jié)或假肢產(chǎn)生大部分的能量，其次是膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)伸肌。將假肢與人的下肢作比較，F(xiàn)lex－Foot假肢的“踝關(guān)節(jié)”吸收了28.6J的能量，產(chǎn)生了24.1J的能量；而人的踝關(guān)節(jié)吸收了26.1J的能量，產(chǎn)生了62.9J的能量。另外，截肢者患肢膝關(guān)節(jié)的表現(xiàn)也不如健肢膝關(guān)節(jié)；作為補(bǔ)償，患肢髖關(guān)節(jié)吸收和產(chǎn)生了比健肢髖關(guān)節(jié)更多的能量。若將3關(guān)節(jié)一起考慮，膝下截肢者支撐階段下肢產(chǎn)生的總能量只有健全人的70%［21］。這表明，雖然在髖關(guān)節(jié)有補(bǔ)償，假肢在支撐階段產(chǎn)生的能量并沒(méi)有超過(guò)健肢［31］。

Buckley（2000）在比較兩位單側(cè)膝下截肢者均佩戴兩款短跑 專(zhuān) 用 假 肢 （Flex Sprint and Cheetah，Reykjavik，Ice－land）以6.81～7.05m／s的速度進(jìn)行奔跑的效果時(shí)，發(fā)現(xiàn)健肢踝關(guān)節(jié)功率的峰值遠(yuǎn)高于假肢，健全足為1 853～2 741W，而Flex Sprint為870～1 012W，Cheetah為307～637W。這一結(jié)果看出不同短跑專(zhuān)用假肢之間存在差別，而且它們都不可能產(chǎn)生與人足同樣的功或功率［16，30］。Grabowski（2010）研究了4男2女共6名單側(cè)膝下截肢的優(yōu)秀殘疾人短跑運(yùn)動(dòng)員，讓他（她）們佩戴短跑專(zhuān)用假肢進(jìn)行各種速度的奔跑（包括最高速度），發(fā)現(xiàn)患肢的垂直地面反作用力要比健肢少約9%，而在擺動(dòng)時(shí)間上，患肢與健肢無(wú)顯著性差異，并且與已有報(bào)道的健全人接近。由此推斷，短跑專(zhuān)用假肢減少了力的產(chǎn)生，并限制運(yùn)動(dòng)員的最高速度。某些單側(cè)膝下截肢的優(yōu)秀殘疾人短跑運(yùn)動(dòng)員可能會(huì)學(xué)習(xí)并訓(xùn)練通過(guò)加快兩腿擺動(dòng)，來(lái)補(bǔ)償患肢所產(chǎn)生力量的不足［24］。

Hobara（2014）研究了8名單側(cè)膝下截肢短跑運(yùn)動(dòng)員和8名健全人進(jìn)行速度為2.5m／s、3.0m／s和3.5m／s的慢跑，發(fā)現(xiàn)截肢者健肢的垂直地面反作用力的峰值和加載率均顯著高于其患肢和健全人，提示單側(cè)膝下截肢短跑運(yùn)動(dòng)員的健肢具有更高的受傷風(fēng)險(xiǎn)［26］。

Hafner（2002）認(rèn)為，佩戴假肢裝置在生理上并不能完全取代被截肢的足和踝關(guān)節(jié)。因?yàn)樽愫王钻P(guān)節(jié)的肌肉骨骼復(fù)合體不僅吸收能量，而且產(chǎn)生的能量較其吸收能量更多；要完全取代下肢，還需要主動(dòng)型的假肢部件。而當(dāng)前的商業(yè)碳纖維假肢為被動(dòng)材料，因此，至多只能部分地取代所缺失的生理系統(tǒng)。這導(dǎo)致了佩戴碳纖維假肢的單側(cè)膝下截肢者在走、跑步態(tài)中肢體之間在時(shí)間、動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)等步態(tài)參數(shù)上存在著顯著的不對(duì)稱(chēng)［25］?，F(xiàn)市場(chǎng)上已有多款適用于截肢者日常活動(dòng)的、采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)型智能踝足機(jī)構(gòu)假肢［9］，但未見(jiàn)其應(yīng)用于正式殘疾人田徑比賽的報(bào)道。

以上這些研究說(shuō)明，對(duì)于由被動(dòng)材料碳纖維制造的假肢，只能儲(chǔ)存能量并返還能量，而不能像健肢的踝關(guān)節(jié)一樣主動(dòng)收縮產(chǎn)生能量，這就能夠解釋為何在需要更為強(qiáng)大推進(jìn)力和輸出功率的短跑起跑和加速跑階段，膝下截肢運(yùn)動(dòng)員（尤其是雙側(cè)膝下截肢的運(yùn)動(dòng)員）與健全運(yùn)動(dòng)員相比存在明顯差距。

3.4 佩戴碳纖維假肢的優(yōu)勢(shì)

Brüggemann（2007—2008）對(duì)于 Oscar Pistorius的研究表明，健肢與安裝了假肢的患肢在人體測(cè)量學(xué)和慣性特性方面都不相同。骨架和接受腔的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量均低于穿有跑鞋的健肢，這使得抬升和加速擺動(dòng)腿所需的機(jī)械功更少。根據(jù)碳纖維的材料特性，假肢骨架具有高比例的能量返還。通過(guò)對(duì)奔跑時(shí)關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)分析，強(qiáng)調(diào)了雙側(cè)膝下截肢運(yùn)動(dòng)員與相同水平的健全運(yùn)動(dòng)員（控制組）之間的顯著差異，是完全不同的運(yùn)動(dòng)模式，也是完全不同的肌肉加載形式。在膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)處較低的外關(guān)節(jié)力矩，觸地期在膝關(guān)節(jié)處較低的機(jī)械功，假肢踝關(guān)節(jié)處較低的能量損失，以及每一次觸地整個(gè)身體較低的機(jī)械功，這些導(dǎo)致了雙側(cè)膝下截肢短跑運(yùn)動(dòng)員使用專(zhuān)用假肢進(jìn)行短跑，雖然與控制組跑速相同，但卻消耗更少的能量：在進(jìn)行400m的次最大能力奔跑測(cè)試時(shí)，前100mPistorius的耗氧量略高于控制組；但在后3個(gè)100m，Pistorius的耗氧量均較控制組低25%。因此，佩戴碳纖維假肢跑400m，其后程更占優(yōu)勢(shì)。在2007年羅馬舉行的國(guó)際田聯(lián)大獎(jiǎng)賽400m比賽中，Pistorius跑出46.90s的成績(jī)，其中，200～300m之間用時(shí)為10.8s，平均速度為9.25m／s。這個(gè)速度接近于頂尖的400m健全運(yùn)動(dòng)員（成績(jī)約為44s）奔跑的最大速度。但是，這一優(yōu)勢(shì)僅限于雙側(cè)膝下截肢的短跑運(yùn)動(dòng)員。Brüggemann認(rèn)為，單側(cè)膝下截肢運(yùn)動(dòng)員患肢與健肢之間能力存在不對(duì)稱(chēng)性，而且從跑的動(dòng)力學(xué)來(lái)看，單側(cè)膝下截肢者缺乏更為有力的肢體環(huán)節(jié)。這也可以解釋為何在200 m和400m項(xiàng)目上，雙側(cè)膝下截肢組的紀(jì)錄要遠(yuǎn)高于單側(cè)膝下截肢組［15］。

3.5 Pistorius參加IAAF比賽的資格問(wèn)題

在經(jīng)歷了2007賽季與健全人的同場(chǎng)競(jìng)技之后，對(duì)于Pistorius是否有資格繼續(xù)參加IAAF比賽，尤其是2008年北京奧運(yùn)會(huì)的問(wèn)題，2008年1月IAAF（International Association of Athletics Federations，國(guó)際田徑聯(lián)合會(huì)）依據(jù)Brüggemann對(duì)于 Oscar Pistorius的研究結(jié)果［15］認(rèn)定，Pistorius的假肢為其帶來(lái)了競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，不符合IAAF競(jìng)賽規(guī)則第144條第2款的規(guī)定。該條款禁止運(yùn)動(dòng)員使用任何可能增加其競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的輔助設(shè)施，包括使用任何具有彈跳、旋轉(zhuǎn)及其他功能的技術(shù)設(shè)施［27］。因此，他不能再使用這雙假肢與健全人競(jìng)賽，包括參加北京奧運(yùn)會(huì)。針對(duì)IAAF的這一決定，Pistorius向CAS（Court of Arbitration for Sports，國(guó)際體育仲裁法庭）提起仲裁，請(qǐng)求CAS推翻IAAF的決定，允許其參加健全人的競(jìng)賽。CAS在綜合考慮雙方的證據(jù)后認(rèn)為，沒(méi)有足夠的證據(jù)證明Pistorius通過(guò)其假肢獲得了全面的凈優(yōu)勢(shì)，并且在現(xiàn)有條件下無(wú)法認(rèn)定Pistorius的假肢違反了IAAF競(jìng)賽規(guī)則第144條第2款的規(guī)定。據(jù)此，CAS于2008年5月裁決，IAAF應(yīng)允許Pistorius參與健全人的比賽。CAS做出的仲裁裁決具有法律約束力，IAAF不得不再次確認(rèn)Pistorius的參賽資格，并對(duì)于競(jìng)賽規(guī)則第144條第2款進(jìn)行了修訂。然而，針對(duì)佩戴碳纖維假肢是否帶來(lái)優(yōu)勢(shì)這一問(wèn)題，自2007年P(guān)istorius參加IAAF賽事以來(lái)，就在體育組織、媒體和學(xué)術(shù)界產(chǎn)生了廣泛的爭(zhēng)議，有些爭(zhēng)論還超出科學(xué)的范疇［29，40］。

值得注意的是，CAS的這一裁決是僅針對(duì)Pistorius及特定類(lèi)型假肢有效的個(gè)案，并且是基于彼時(shí)的科技條件做出，因而是暫時(shí)的、未來(lái)可更改的［13］。

3.6 小結(jié)

截肢運(yùn)動(dòng)員短跑運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的發(fā)展與假肢技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān)，如今，在殘奧會(huì)等頂級(jí)殘疾人田徑賽事中，碳纖維假肢已在截肢短跑項(xiàng)目中處于支配地位。一方面，碳纖維假肢并不能像健肢的踝關(guān)節(jié)肌肉一樣主動(dòng)收縮產(chǎn)生能量，另一方面，由于其輕質(zhì)和高比例的能量返還，膝下截肢短跑運(yùn)動(dòng)員會(huì)因?yàn)榕宕魈祭w維假肢消耗比健全運(yùn)動(dòng)員更少的能量，在途中跑中獲得額外的優(yōu)勢(shì)。佩戴碳纖維假肢是否帶來(lái)優(yōu)勢(shì)，這一問(wèn)題還存在爭(zhēng)議。而對(duì)于佩戴假肢的殘疾人運(yùn)動(dòng)員是否能參加正式的健全人國(guó)際田徑比賽，則必須得到IAAF的允許。

4 短跑假肢技術(shù)與膝下截肢短跑運(yùn)動(dòng)的前景展望

4.1 短跑假肢技術(shù)的前景展望

假肢的形狀、剛度設(shè)計(jì)、接受腔設(shè)計(jì)以及對(duì)線技術(shù)對(duì)于短跑運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)會(huì)產(chǎn)生重要影響。未來(lái)在短跑假肢技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，這些針對(duì)特定運(yùn)動(dòng)員的個(gè)性化設(shè)計(jì)的優(yōu)化和裝配技術(shù)的提高，將使得碳纖維假肢材質(zhì)無(wú)實(shí)質(zhì)性改變的條件下，進(jìn)一步提高截肢運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)水平。

4.1.1 假肢的形狀、剛度設(shè)計(jì)

短跑專(zhuān)用假肢依據(jù)截肢者的身高、體重、健肢奔跑步態(tài)等個(gè)人情況進(jìn)行個(gè)性化定制，由于價(jià)格昂貴，目前只有成人型號(hào)。盡管所有的短跑專(zhuān)用假肢均設(shè)置為“以足趾奔跑”的狀態(tài)，但根據(jù)制造商和模型不同，其形狀也略有不同（圖2）。每只短跑專(zhuān)用假肢都有不同剛度范圍，根據(jù)截肢者體重推薦給使用者。研究發(fā)現(xiàn)，在人體下肢中，腿的剛度與最大短跑速度顯著相關(guān)［20］。膝下截肢者如佩戴Cheetah假肢中剛度較大的類(lèi)別，可改善其奔跑的對(duì)稱(chēng)性；研究還發(fā)現(xiàn)，Cheetah假肢跖屈角增大可有效產(chǎn)生更短的足趾杠桿，以減小伸髖力矩，并增加奔跑的對(duì)稱(chēng)性［23］。為了在高應(yīng)力區(qū)增大剛度，假肢的直線段和曲線段結(jié)合部位的碳纖維層數(shù)需加厚，而為了減小剛度，在足尖部等處碳纖維層數(shù)較少。為了測(cè)量短跑專(zhuān)用假肢形狀和剛度對(duì)奔跑速度的影響，有一項(xiàng)研究將3款新設(shè)計(jì)的假肢與Cheetah假肢作比較，雖然它們之間關(guān)系復(fù)雜，但短跑速度可能是短跑專(zhuān)用假肢形狀和剛度的函數(shù)，并且碳纖維假肢是可以?xún)?yōu)化的。然而，增大的假肢剛度可能會(huì)以降低能量效率為代價(jià)［25］。

4.1.2 假肢的接受腔設(shè)計(jì)

接受腔是患者殘肢和假肢的接觸界面，它能將殘肢舒適的收納在其中，并能將作用力有效地傳遞到假肢遠(yuǎn)端部位的人體－機(jī)械系統(tǒng)的界面部件。假肢技術(shù)的進(jìn)步對(duì)于截肢短跑運(yùn)動(dòng)員成績(jī)的提高起到了重要作用，但接受腔設(shè)計(jì)對(duì)于成績(jī)的影響如何，迄今尚無(wú)研究；而在高強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)中，接觸界面載荷增大，這一問(wèn)題卻至為重要［38］。小腿截肢會(huì)改變骨盆和脊柱的定位［17，18］，進(jìn)而對(duì)短跑步態(tài)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響，因此，對(duì)于接受腔設(shè)計(jì)如何影響運(yùn)動(dòng)成績(jī)，需要進(jìn)行整體性的評(píng)估［38］。接觸界面的承重問(wèn)題一直是小腿假肢接受腔設(shè)計(jì)的核心，而全面負(fù)重小腿假肢（Total Surface Bearing，TSB）的理念是，把體重更加平均地分布于整個(gè)殘肢，減少由于局部壓力過(guò)大帶來(lái)的皮膚潰破等問(wèn)題［34］。

4.1.3 短跑假肢的對(duì)線

在進(jìn)行假肢的裝配前，接受腔、關(guān)節(jié)、內(nèi)支架等假肢主要部件的定位和校準(zhǔn)稱(chēng)為對(duì)線［38］。下肢假肢必須經(jīng)過(guò)對(duì)線調(diào)整，才能達(dá)到適合截肢者使用的目的［2］。在下肢假肢制作及裝配過(guò)程中，需要通過(guò)工作臺(tái)對(duì)線、靜態(tài)對(duì)線和動(dòng)態(tài)對(duì)線確定接受腔與功能部件之間的空間相對(duì)位置關(guān)系。對(duì)線不僅影響假肢舒適性和安全性，而且和患者的站立姿勢(shì)、步態(tài)、能耗等都有著直接的關(guān)系［4，12］。在為運(yùn)動(dòng)假肢對(duì)線時(shí)，應(yīng)充分考慮到殘肢的自然屈曲、外展和外旋的角度，以及接受腔與膝關(guān)節(jié)連接的距離。在自然屈曲位對(duì)線，能夠保證運(yùn)動(dòng)員在短跑時(shí)的最大步幅，以利于成績(jī)的提升［7，17］。對(duì)線和質(zhì)心位置在短跑專(zhuān)用假肢模型和個(gè)人設(shè)置之間會(huì)有不同。由研究得知，將載荷作用線后移會(huì)增加跖屈［30］，將更大載荷施加于足趾，并改善對(duì)稱(chēng)性［36］。問(wèn)題是，將這一功能最大化不僅是為了獲得最大跑速，而且為了截肢者從靜止加速至最大跑速之前的速度；為獲得擺動(dòng)速度、有效增大跑速，短跑專(zhuān)用假肢會(huì)根據(jù)質(zhì)心位置和慣性進(jìn)行修改以獲得其最佳組合［31］。

4.2 膝下截肢短跑運(yùn)動(dòng)的前景展望

膝下截肢短跑項(xiàng)目的分級(jí)包括T43級(jí)（雙側(cè)膝下截肢）和T44級(jí)（單側(cè)膝下截肢），T44級(jí)短跑項(xiàng)目更為普及且整體水平更高，而參與T43級(jí)的運(yùn)動(dòng)員數(shù)量極少。但依靠技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，T43級(jí)個(gè)別明星運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)遠(yuǎn)高于T44級(jí)運(yùn)動(dòng)員，并且已成為真正意義上的職業(yè)田徑運(yùn)動(dòng)員。例如，Oscar Pistorius從2007年開(kāi)始參加職業(yè)田徑比賽，他在倫敦奧運(yùn)周期的收入已躋身于一流田徑運(yùn)動(dòng)員的行列；而Alan Oliveira在近年來(lái)也頻繁參加商業(yè)比賽，2013年3月31日的Copacabana海灘，他與Usain Bolt進(jìn)行了同場(chǎng)，但非同組的150m直道競(jìng)速，跑出了15.68s的成績(jī)?，F(xiàn)今，高水平殘疾人田徑運(yùn)動(dòng)員已得到政府、社會(huì)和贊助商的資金支持，成為專(zhuān)業(yè)或職業(yè)運(yùn)動(dòng)員。為促進(jìn)殘疾人田徑項(xiàng)目水平的提高，IPC在2013年首次推出殘疾人田徑系列大獎(jiǎng)賽，其中有一站設(shè)在北京，在比賽中，有膝下截肢短跑項(xiàng)目的世界紀(jì)錄被打破。這一系列賽事的出現(xiàn)對(duì)原本參與程度很低的T43級(jí)的發(fā)展將產(chǎn)生積極的影響。隨著越來(lái)越多殘疾人田徑賽事的舉辦，蘊(yùn)藏在雙側(cè)膝下截肢殘疾人身體中的運(yùn)動(dòng)潛力將會(huì)得到更為充分的發(fā)掘。由于T44級(jí)與T43級(jí)運(yùn)動(dòng)員常常會(huì)同場(chǎng)競(jìng)技，預(yù)計(jì)前者的整體水平也將逐步提高。

通過(guò)本研究以上分析，膝下截肢短跑運(yùn)動(dòng)在未來(lái)將呈現(xiàn)以下發(fā)展趨勢(shì)：

1.殘疾人競(jìng)技運(yùn)動(dòng)的發(fā)展與普及將促進(jìn)訓(xùn)練的職業(yè)化、高新科技的應(yīng)用，這是膝下截肢短跑項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)水平提高的最根本因素；而高新科技的不斷引入會(huì)促進(jìn)項(xiàng)目水平的提高，并將推動(dòng)雙側(cè)膝下截肢短跑項(xiàng)目的普及。

2.高新科技將不斷被引入，其發(fā)展方向可能在于：個(gè)性化設(shè)計(jì)的優(yōu)化和裝配技術(shù)的改進(jìn)、電活性聚合物人造肌肉、外骨骼系統(tǒng)、主動(dòng)型智能假肢、3D打印技術(shù)等。

3.雙側(cè)膝下截肢短跑運(yùn)動(dòng)員的運(yùn)動(dòng)水平將會(huì)在未來(lái)數(shù)年內(nèi)迅速接近甚至超過(guò)健全短跑運(yùn)動(dòng)員的水平。具體來(lái)看，巴西的雙側(cè)膝下截肢短跑運(yùn)動(dòng)員Alan Oliveira有望進(jìn)入2016年里約奧運(yùn)會(huì)男子200m決賽。如果截肢短跑運(yùn)動(dòng)員果真能夠站在奧運(yùn)會(huì)決賽跑道上，那么可以預(yù)見(jiàn)，將會(huì)極大促進(jìn)殘疾人競(jìng)技運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，同時(shí)，也將會(huì)有新一輪對(duì)于短跑假肢的爭(zhēng)議。至于2020年奧運(yùn)會(huì)和殘奧會(huì)周期，隨著殘疾人競(jìng)技運(yùn)動(dòng)的普及，雙側(cè)膝下截肢短跑運(yùn)動(dòng)的發(fā)展前景將會(huì)更為樂(lè)觀。

5 結(jié)語(yǔ)

膝下截肢殘疾人運(yùn)動(dòng)員參加短跑比賽已近40年的發(fā)展歷史，假肢技術(shù)的進(jìn)步對(duì)于膝下截肢短跑運(yùn)動(dòng)員成績(jī)提高起到了重要作用，而佩戴短跑專(zhuān)用假肢的雙側(cè)膝下截肢的短跑運(yùn)動(dòng)員參加奧運(yùn)會(huì)已成為現(xiàn)實(shí)。本研究通過(guò)分析雙側(cè)膝下截肢短跑運(yùn)動(dòng)的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，對(duì)項(xiàng)目發(fā)展前景進(jìn)行了展望，認(rèn)為該項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)水平會(huì)隨項(xiàng)目的普及和假肢技術(shù)的發(fā)展而不斷提高，部分單項(xiàng)上個(gè)別運(yùn)動(dòng)員的成績(jī)有可能達(dá)到或超過(guò)健全短跑運(yùn)動(dòng)員。

科技進(jìn)步對(duì)殘疾人競(jìng)技運(yùn)動(dòng)的重要作用已越來(lái)越受到矚目，雙側(cè)膝下截肢、佩戴高科技智能假肢參與攀巖等運(yùn)動(dòng)的麻省理工學(xué)院生物物理學(xué)家Hugh Herr博士曾說(shuō)：人們總是認(rèn)為人體是最完美的，但事實(shí)并非如此。未來(lái)數(shù)年內(nèi)，雙側(cè)膝下截肢短跑運(yùn)動(dòng)的發(fā)展將對(duì)這一觀點(diǎn)進(jìn)行詮釋。

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