李忠東

“獵豹短跑腳”造就“刀鋒戰(zhàn)士”

與身心健全的運動健兒們不同的是，殘疾人運動員們在運動場上使用的輔助器具往往是決定他們勝負(fù)的關(guān)鍵。2004年，南非田徑選手奧斯卡·皮斯托瑞斯獲得了2004年雅典殘奧會200米短跑的金牌和100米短跑的銅牌。其中，他的百米短跑的成績?yōu)?0秒9，創(chuàng)造了該項目的殘疾人世界紀(jì)錄。在北京殘奧會上，他一人獨攬100米、200米、400米項目的3塊金牌，是“殘奧會上的博爾特”。

這位著名的短跑運動員生下來就缺少腓骨，一共只有4個腳趾。在腳部重塑和截肢之間，他的家人選擇了后者。截肢后不到6個月，皮斯托瑞斯就能成功地借助義肢行走了。為了讓孩子身體發(fā)育得更好，父母帶著他參加各種體育運動。他曾先后打過網(wǎng)球、水球和橄欖球，還參加過摔跤等運動。身體的殘疾對他進行體育運動的能力幾乎沒有影響。

2003年，皮斯托瑞斯在參加橄欖球比賽時膝蓋不慎受傷，隨后他便開始進行跑步康復(fù)，沒想到這次康復(fù)訓(xùn)練卻展露出了他的短跑天賦。于是，他放棄了心愛的橄欖球，轉(zhuǎn)而參加田徑訓(xùn)練。2004年，他轉(zhuǎn)型成為一個職業(yè)運動員，主攻100米和200米短距離跑步項目。出人意料的是，皮斯托瑞斯僅僅經(jīng)過短短3周的專業(yè)訓(xùn)練，就刷新了自己所在的T43/44級別的200米世界紀(jì)錄。短跑僅僅訓(xùn)練了2個月，他便在100米項目中跑出了11秒51的成績。

“刀鋒戰(zhàn)士”奧斯卡·皮斯托瑞斯

皮斯托瑞斯之所以能取得如此傲人的成績，除了自身的努力訓(xùn)練外，還要感謝他膝蓋下兩條閃著寒光的黑色刀鋒形狀的高性能碳纖維簧片，他“刀鋒戰(zhàn)士”的稱號正來源于此。這款運動假肢由冰島一家名叫“奧索”的著名殘障人器械公司研制，售價1.5萬英鎊。它呈“J”字形，與獵豹的后腳有幾分相像，全稱為“獵豹短跑腳”。它專為截肢運動員設(shè)計，能夠模仿健全運動員腳部和踝關(guān)節(jié)的反應(yīng)動作，儲存和釋放能量。但運動假肢重達4千克，由50～80層碳纖維構(gòu)成。若想使用，運動員的腿與假肢中需要包裹厚厚的襪子。并且，腿和假肢的連接處在假肢頂端的插口背后，位置相當(dāng)高，常人難以駕馭。由于價格昂貴且難以控制，全球的使用者不到300人。與運動時使用的假肢不同，在日常生活中，皮斯托瑞斯使用的是另一套仿生假肢，它看上去和正常腿沒什么區(qū)別，覆有蠟質(zhì)皮膚的小腿紋理看起來很自然。當(dāng)然，這種仿生假肢同樣價格不菲。

記憶功能是“獵豹短跑腳”最大的優(yōu)點。它的發(fā)力方式與常人的腿腳不同——作用力傳遞到假肢后，假肢彎曲儲存能量，隨即恢復(fù)到原形，將97%的能量釋放出來，整個過程模仿健全運動員腿部和踝關(guān)節(jié)的反應(yīng)，其后程速度是正常人跑步所不能及的。皮斯托瑞斯奔跑時，假肢的著地面積非常小，只有幾平方厘米。為了更適于跑步，“獵豹短跑腳”還增添了一個耐克跑鞋的鞋底。皮斯托瑞斯憑借它打破殘疾人世界紀(jì)錄近30次，400米項目的最好成績是45秒61。

有媒體曾將皮斯托瑞斯形容為“游走于健全人和殘疾人之間的人”。不同于那些穿著“鯊魚皮”的游泳選手或是穿著跑鞋的跑步選手，他的義肢似乎已遠遠超出了“裝備”的定義。國際田徑聯(lián)合會（以下簡稱“國際田聯(lián)”）在現(xiàn)有的體育法律中找不出任何關(guān)于高科技裝備對于選手輔助能力的明確限制條款，這就使國際田聯(lián)陷入了“確保個體運動員的參賽權(quán)利”和“保證公平競爭環(huán)境”的兩難取舍中。

為此，國際田聯(lián)于2007年11月特意撥出5萬美元的特別經(jīng)費，委托德國科隆大學(xué)生物工程學(xué)研究所主任布魯格曼教授研究判斷皮斯托瑞斯的“獵豹短跑腳”是否會幫助他獲得比正常人更多的優(yōu)勢，從而導(dǎo)致跑道上的不公平。為了深入剖析皮斯托瑞斯的跑步過程和他的“獵豹短跑腳”，研究人員在測試過程中使用了12部高速攝影機、3D掃描器及其他各種科學(xué)分析儀器。此外，研究團隊還聘請了6名短跑運動員參加對照實驗，以判斷穿上假肢的皮斯托瑞斯與正常運動員是否存在區(qū)別。

皮斯托瑞斯的“獵豹短跑腳”

經(jīng)過為期2天的測試，布魯格曼教授得出如下結(jié)論：雖然跑步成績接近，但皮斯托瑞斯本身的體能狀況卻沒有其他選手突出；當(dāng)?shù)竭_相同速度時，他會比正常選手少支出25%的體能；不管是從垂直的地面反作用力還是沖擊力來看，皮斯托瑞斯的假肢很明顯與正常小腿踝關(guān)節(jié)的生物機械作用機制不同；就正向施力或反作用力而言，由“獵豹短跑腳”所產(chǎn)生的力超過正常踝關(guān)節(jié)的3倍。

其他科學(xué)家也提出了類似看法。有人認(rèn)為，皮斯托瑞斯由于沒有雙腿，肌肉在奔跑中產(chǎn)生的乳酸比正常選手少，所以不易感到疲勞。還有人提出，正常選手都是前200米速度更快，后200米由于疲勞而導(dǎo)致速度減慢，但皮斯托瑞斯則剛好相反，其后200米的速度正常選手難以達到，不公平的現(xiàn)象可能確實存在。

2008年1月，國際田聯(lián)發(fā)布了禁止皮斯托瑞斯使用“獵豹短跑腳”參加國際田聯(lián)各項比賽的決定，其中也包括2008年北京奧運會。皮斯托瑞斯和他的教練對此決定予以辯駁，同時指出“獵豹短跑腳”并沒有給他帶來更多優(yōu)勢，反而添了不少麻煩。例如，碰到雨天，義肢與身體的連接容易出現(xiàn)問題。再如，起跑后至少30米，他才能找到節(jié)奏，起跑速度與正常選手相差甚遠。還有就是膝蓋不能靈活彎曲，限制了力量的爆發(fā)。對此，皮斯托瑞斯強調(diào)，自己每天的訓(xùn)練安排與高水平田徑運動員完全一樣，成績是苦練出來的。

國際體育仲裁法庭與皮斯托瑞斯站在一起，于2008年5月16日作出一項裁決——取消國際田聯(lián)禁賽的決定。之后，國際田聯(lián)也迅速作出回應(yīng)，表示尊重國際體育仲裁法庭的裁決，允許“刀鋒戰(zhàn)士”繼續(xù)參加包括2008年北京奧運會在內(nèi)的健全人比賽，前提是他要達到奧運會參賽標(biāo)準(zhǔn)。可惜的是，在各方的壓力之下，他最終沒能在資格賽中跑出合格的成績，無緣2008年北京奧運會。

對此，皮斯托瑞斯表示：“錯過北京奧運會是我最大的遺憾，不過這件事為像我這樣的殘疾人開創(chuàng)了先例，留下了希望。我從小就喜歡跑步，這是我生命中的全部。作為運動員，我特別渴望追求新的高度，更渴望像健全人那樣參加奧運會?！痹诖酥?，他堅定地把訓(xùn)練重點放在2012年倫敦夏季奧運會上。最終，27歲的皮斯托瑞斯實現(xiàn)了自己的終極夢想，成為奧運會歷史上第一位雙腿截肢的運動員。

寶馬輪椅助力選手奪冠

說到女子馬拉松，少有運動員的成就能像美國的塔季揚娜·麥克法登那樣輝煌——她總共贏得了17枚殘奧會獎牌，其中包括7枚金牌、7枚銀牌與3枚銅牌。此外，她還獲得了23項世界馬拉松冠軍，并打破了5項世界紀(jì)錄。麥克法登出生在俄羅斯圣彼得堡，出生時就患有脊柱裂的發(fā)育缺陷，腰部以下完全癱瘓。父母將她遺棄在一家孤兒院里，醫(yī)生們一度認(rèn)為這個女孩只能存活幾天。在孤兒院度過的6年時光里，她無法得到妥善的醫(yī)療照護，只能用手走路。小姑娘當(dāng)時并不知道，為了移動自己的身軀而意外練就的強有力的手臂，在將來的某一天會讓她成為世界上最偉大的運動員之一。1994年，她被在美國衛(wèi)生部門擔(dān)任殘疾人專員的黛比·麥克法登收養(yǎng)。之后，她移居美國，并開始從事體育運動。令人意想不到的是，自第一次坐上輪椅后，她便迷上了輪椅競速。

2004年，15歲的麥克法登代表美國隊出征雅典殘奧會，首戰(zhàn)就獲得了100米輪椅競速的銀牌和200米輪椅競速的銅牌。之后，她又在2008年北京殘奧會上獲得4枚獎牌。2013年，她在世錦賽中登上事業(yè)巔峰，成為第一位在錦標(biāo)賽上獲得6枚金牌的運動員。在2016年里約熱內(nèi)盧殘奧會上，她再創(chuàng)佳績，獲得4枚金牌與2枚銀牌。2021年1月，Women's Running雜志將麥克法登評選為第24屆“年度杰出女性”之一。對此，她感嘆道：“直到投入運動生涯的15年之后，我才終于感到自己是一名真正的運動員?！?/p>

在2016年里約熱內(nèi)盧殘奧會的輪椅競速比賽中，麥克法登借助德國汽車制造商——寶馬公司旗下的創(chuàng)意設(shè)計公司Designs Works USA為她定制的高技術(shù)競賽輪椅強勢奪冠。“新技術(shù)的應(yīng)用，提升了我在比賽中的穩(wěn)定性和操控性，科學(xué)的空氣動力學(xué)在賽場上也為我助了一臂之力?！贝送?，她在賽后還大方地承認(rèn)：“哪怕只有這么一點優(yōu)勢，在競速類項目中也十分重要?！?p>

塔季揚娜·麥克法登在2016 年里約熱內(nèi)盧殘奧會上利用寶馬定制的高技術(shù)比賽輪椅強勢奪冠

寶馬公司研發(fā)的競賽輪椅看起來有點像F1 賽車

作為殘奧會最受關(guān)注的比賽項目之一，輪椅競速比賽中使用的競賽輪椅在比賽的獲勝中起到關(guān)鍵的作用。通過與美國殘奧隊合作，寶馬公司為2016年里約熱內(nèi)盧殘奧會打造的這款高科技碳纖維競賽輪椅，的確在賽場上發(fā)揮了不同凡響的作用。說到寶馬，大多數(shù)人可能首先會想到汽車，而摩托車愛好者則會聯(lián)想到“水鳥”、S1000RR或者那碩大有力的水平對置雙缸發(fā)動機。但是，很少有人會想到一種很輕、很快且零排放的輪椅。實際上，這是寶馬公司與美國殘奧隊6年合約中的第4個項目。此前，由寶馬公司設(shè)計的雪橇也曾幫助美國隊在2014年索契冬奧會上取得了一銀兩銅的成績。同時，寶馬公司還曾為美國游泳隊開發(fā)了運動表現(xiàn)跟蹤系統(tǒng)。

“制造商會為環(huán)法自行車賽打造自行車，因為他們知道，許多熱情的消費者會購買這類自行車?！盌esign Works USA助理總監(jiān)布拉德·克拉契拉表示，“與奧運會相比，殘奧會受到的關(guān)注就比較少了。因此，在運動員的裝備方面，制造商也缺乏創(chuàng)新的動力，很難看到公司在競賽輪椅上取得創(chuàng)新成果。很多產(chǎn)品雖然品牌不同，但是本質(zhì)相似。我們所要做的，就是幫助殘疾人運動員發(fā)揮出最佳水平?！?/p>

設(shè)計初期，寶馬公司就從公司內(nèi)部尋找設(shè)計人員，然而這些人對競賽輪椅一無所知。不過這正是該團隊所需要的——空白的經(jīng)驗可以減少先入為主的觀念。設(shè)計團隊表示只關(guān)注3點——空氣動力學(xué)、底盤的剛度，以及它如何適應(yīng)運動員的身體。研發(fā)人員結(jié)合過往的自行車設(shè)計經(jīng)驗，以及在空氣動力學(xué)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和制動系統(tǒng)方面的專長，開發(fā)了這款競賽輪椅。從外形上看，它其貌不揚，但是平凡的外表之下蘊含著許多前沿技術(shù)。這款競賽輪椅看起來有點像F1賽車，長而低，呈三角形，不但速度更快，而且舒適性更好。

寶馬公司通過3D 打印技術(shù)為競速輪椅運動員制作的比賽手套

基于人體動力學(xué)的考慮，設(shè)計團隊請來殘疾人運動員，通過三維掃描進行測量，隨后在計算機上設(shè)計出模型，從空氣動力學(xué)角度對輪椅進行優(yōu)化，最終設(shè)計出了一個讓運動員與輪椅緊密結(jié)合的形狀，并將它通過3D技術(shù)打印成實物。就連運動員的手套也是3D打印的成果，以最大限度地滿足設(shè)計需求。

這款競賽輪椅使用的是碳纖維的合金材質(zhì)，在同樣質(zhì)量的情況下要比鋁合金車架更堅固。在保證剛性的同時，也最大限度地降低了車輛自重，有助于保持車輪的平穩(wěn)運行。一開始，有設(shè)計人員并不認(rèn)同這是個關(guān)鍵因素，但是經(jīng)過后來的研究發(fā)現(xiàn)，這的確會影響速度。為了進一步減輕質(zhì)量，研發(fā)人員還把輪椅上能夠去除的東西全部摘掉，前輪轂已經(jīng)細(xì)到極致。除此之外，作為競速類項目，還必須考慮風(fēng)阻給輪椅帶來的影響。研究發(fā)現(xiàn)，由于結(jié)構(gòu)上的局限，有50%的空氣流通方式是不能發(fā)生改變的。設(shè)計人員就在剩下的50%中進行了微調(diào)，最終通過定風(fēng)翼的介入以及重新設(shè)計的框架，降低了15%的風(fēng)阻。

松下機器人神通廣大

在2020年東京殘奧會上，松下集團贊助的3款可穿戴動力外骨骼機器人“ATOUN MODEL Y” “ATOUN HIMICO”和“ATOUN MODEL Y + kote”發(fā)揮了重要作用。除了減輕賽場工作人員的身體負(fù)擔(dān)、提高工作效率之外，可穿戴動力外骨骼機器人還能幫助殘疾人運動員做輔助活動，增強他們參賽的安全感，獲得了一致好評。據(jù)松下集團負(fù)責(zé)機器人推進課的黑川崇裕介紹，動力外骨骼機器人之所以能穿戴在人身上，是因為傳感器感知了使用者手腳的動作，而后馬達被激活，以支持肌肉力量。這3款可穿戴動力外骨骼機器人用鋰電池提供動力，僅需充電90分鐘，就可持續(xù)工作4小時。

“ATOUN MODEL Y”采用了倒Y形的設(shè)計，用碳纖維材料打造，配備2個獨立控制的電動馬達。它能夠像背包一樣穿在人的胸部和大腿上，以減輕腰部負(fù)擔(dān)。與傳統(tǒng)的輔助設(shè)備相比，它的質(zhì)量很輕，僅3.5千克，加上電池，也才4.5千克，還通過了IP55防水認(rèn)證。工作原理方面，“ATOUN MODEL Y”先用傳感器讀取人體腰部的活動數(shù)據(jù)，再由左右兩邊的馬達自動切換，精細(xì)控制，支撐輔助人員操作。

在2020年東京殘奧會上，輔助人員在舉重賽場更換杠鈴片時會穿戴“ATOUN MODEL Y”。殘疾人力量舉重是一種由下肢功能障礙選手參加的臥式推舉比賽。男子舉重項目為49千克級到107+千克級，而女子舉重項目為41千克級到86+千克級，各自有10個級別。比賽中輔助人員需要根據(jù)不同千克級對杠鈴片進行更換和拆增。正式比賽中使用的杠鈴片單個質(zhì)量為10～50千克，現(xiàn)場雖然有多名輔助人員對其進行更換，但是在大型比賽中，一名輔助人員一般需要更換杠鈴片100次以上，工作量非常大。

“ATOUN MODEL Y”以3種模式運行，并可以自動切換。在輔助模式下，它可以在使用者彎腰前屈、搬起物體并直立的過程中適當(dāng)?shù)乩瓌悠渖眢w。采用行走模式時，它可以適度關(guān)閉電機，以最大限度地減少行走時的阻力。一旦使用者再次彎腰放下物體，外骨骼系統(tǒng)又會立即介入，啟用制動模式。當(dāng)使用者向前傾斜時，“ATOUN MODEL Y”會提供腰部支撐。在抬起或搬運重物時，它能為腰部提供最大10千克的助力，“上坡”時將最大功率提升19%，“爬樓”時提升17.8%，“崎嶇地形行走”時提升30.7%。集成的微處理器能夠?qū)⒆藙莸茸兞窟M行綜合考慮，以提供個性化的支持。

“ATOUN HIMICO”是一種能在行走時提供自然幫助的機器人，自重僅3.5千克。與傳統(tǒng)的輔助設(shè)備相比，它在沒有任何幫助的情況下更容易穿上和使用。它利用傳感器檢測出行走時的動作，通過腰部的馬達與雙膝連接的鋼絲加強步行中的腿部力量，減輕長時間步行的疲勞，有助于殘疾人運動員輕松地進入日常的訓(xùn)練中。

增加腕力功能的改進型機器人“ATOUN MODEL Y + kote”在“ATOUN MODEL Y”的基礎(chǔ)上追加了臂力功能。它的肩部馬達與手部鋼絲合力伸縮，在提取和搬運重物時支撐手臂，既提高工作效率，又減輕輔助人員的疲勞感。在2020年東京殘奧會上，“ATOUN MODEL Y + kote”用于幫助輔助人員在鉛球場地?fù)焓般U球。

松下設(shè)計的可穿戴動力外骨骼機器人『ATOUN MODEL Y+kote』（ 左） 和『ATOUN MODEL Y』（ 右）

此外，日本筑波大學(xué)工程學(xué)教授山海嘉之領(lǐng)導(dǎo)發(fā)明了一種用高科技裝備的人體輔助義肢（HAL），可以幫助我們突破身體的極限。它看上去像裝在人體上的腳手架，能附著在身上。這種仿生機械構(gòu)造的內(nèi)部設(shè)有電腦控制系統(tǒng)、驅(qū)動器和傳感器。傳感器能夠接觸人體皮膚表面，偵測生物電流。當(dāng)使用者想做某個動作時，傳感器就能捕捉到大腦發(fā)出的控制肌肉的電子神經(jīng)信號。接著，電腦控制系統(tǒng)會發(fā)出指令，相關(guān)部位的驅(qū)動器就會進入工作狀態(tài)，驅(qū)動義肢做出與人體協(xié)調(diào)一致的動作。

借助這種高科技輔助義肢，手無縛雞之力的人也能抱起70～80千克的物體，或背起100多千克的重物。除此之外，它還能幫助殘疾人行走。20年前，日本男子內(nèi)田清司在一次交通事故中受傷，導(dǎo)致頸部以下高位截癱。盡管身體不便，但他始終憧憬著有朝一日能登上布來特峰。正是由于HAL的出現(xiàn)，一個名為“松本”的男子才能背著內(nèi)田清司進行登山。雖然他們最終沒能登上這座雪山的峰頂，但他們到達了海拔4164米左右的地方。這次登山是對HAL的一次很好的檢驗。