《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：Biomechanical insights into carbon plate geometry in running shoes in male runners: implications for sprint performance and ankle stability
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這篇研究通過生物力學分析，探討了全掌碳板（FC）與Y形碳板（YC）在男子短跑中對運動表現與踝關節穩定性的影響。研究發現YC鞋能提高峰值垂直沖擊力（3.14 BW）和踝關節矢狀面活動度（43.5°），而FC鞋雖能減少跖趾關節伸展（p<0.001）并降低沖擊力（2.90 BW），但會顯著增加踝外翻幅度（30%-100%站立期），提示其可能以犧牲踝穩定性為代價提升能量效率。研究為碳板跑鞋的針對性設計提供了生物力學依據。
引言
短跑作為人類運動的基本形式，是足球、棒球和橄欖球等多項運動表現的關鍵決定因素。快速加速和維持高速奔跑的能力不僅對短跑運動員至關重要，也是需要反復沖刺的團隊運動取得成功的關鍵組成部分。作為足部與地面的主要接口，跑鞋被認為會影響跑步過程中膝踝關節的生物力學特性，進而影響慢性運動損傷的風險。隨著結構和材料工程的技術進步，具有各種功能特性的跑鞋不斷被推出，例如緩震、穩定性和極簡跑鞋。近年來，跑鞋設計開始加入碳纖維材料以提升跑步表現。研究表明，中底嵌入碳板可以增加彎曲剛度，減少跖趾關節能量損失，從而提高跑步表現和經濟性。然而，關于碳板形狀和設計差異的研究，尤其是在足夠快的短跑速度下的生物力學差異，仍需進一步探索。
材料與方法
本研究招募了40名達到國家二級運動員水平的100米男子短跑運動員，要求他們在受控速度7 m·s-1下進行次最大強度短跑，同時穿著配備全掌碳板（FC）或Y形碳板（YC）的跑鞋。兩種碳板均采用統一的2毫米厚度和相同的材料特性，確保唯一的變量是形狀。使用運動捕捉系統和測力臺收集運動學和動力學數據。結果測量包括時空變量、關節運動學（髖、膝、踝和跖趾關節角度）和動力學（垂直和水平地面反作用力及關節力矩）。使用配對樣本t檢驗檢查兩種鞋條件之間的差異，同時應用統計參數映射（SPM）來檢測整個站立階段的隨時間變化的差異。
結果
在大多數時空和動力學參數上，FC和YC鞋之間未觀察到顯著差異，例如總觸地時間、制動和推進水平力或膝伸力矩。然而，FC鞋的峰值垂直沖擊力顯著低于YC鞋（2.90 ± 0.291 BW 對比 3.14 ± 0.447 BW, p = 0.003）。SPM進一步顯示，在站立期的38%–65%期間，YC鞋的垂直地面反作用力持續升高（p < 0.001）。在關節運動學方面，FC鞋導致踝關節跖屈角度和矢狀面活動范圍顯著減小（p < 0.001），但引發了更大的踝關節外翻幅度（在站立期的30%–100%期間）。YC鞋則在站立期的10%–80%期間誘導了更強的跖趾關節伸展趨勢（p < 0.001）。髖關節和膝關節的運動學參數在兩種鞋條件間大多無顯著差異。
討論
FC鞋誘導的較低垂直沖擊力可能與其全掌碳板較高的縱向剛度有關，這可以更均勻地分布載荷從而衰減初始接觸時的沖擊幅度。FC鞋對踝關節活動的限制可能提高了能量傳遞效率，但可能犧牲了自然的關節運動并增加了周圍穩定結構的負荷。相比之下，YC鞋允許更大的踝關節活動度和跖趾關節伸展，這可能有利于推進，但也可能增加足底筋膜和跟腱的機械負荷。FC鞋在站立期大部分時間引發的更大踝外翻幅度表明其踝關節機械穩定性可能較低，增加了內翻相關損傷的風險，這支持了YC鞋能提供更好踝穩定性的初始假設。FC鞋中跖趾關節活動度的減少與其更強的 forefoot bending stiffness 相關，這可能通過限制前足運動來促進能量效率，但代價是關節活動受限和潛在的局部負荷增加。
結論與局限性
研究表明，跑鞋中嵌入不同形狀的碳板會導致短跑過程中不同的生物力學特征。全掌碳板設計（FC）表現出比Y形碳板（YC）更高的縱向彎曲剛度，可能減少跑步過程中的能量損失，但其誘導的踝關節更大 frontal plane mobility 不利于維持踝關節穩定的中立位。因此，能適應較硬中底的運動員可能更適合全掌碳板跑鞋，而患有慢性踝關節不穩的短跑運動員可能更傾向于選擇Y形碳板設計或硬度相對較低的跑鞋。本研究的局限性包括采用的短距離沖刺方案可能無法完全代表典型的競技沖刺或中長距離跑步場景，參與者均為男性運動員限制了結論向女性運動員的推廣，以及碳纖維材料僅形狀不同而未考慮不同生產工藝可能帶來的機械性能差異。
