综述：上坡与下坡跑步的生物力学、生理学及调节因素回顾

《Frontiers in Bioengineering and Biotechnology》：A review of uphill and downhill running: biomechanics, physiology and modulating factors

这篇综述系统阐述了上坡跑（UR）与下坡跑（DR）相较于水平跑（LR）的独特生物力学与生理学适应机制。文章重点分析了坡度对时空参数、地面反作用力（GRF）、关节动力学、能量消耗（Cr）、肌肉活动（EMG）及运动性肌肉损伤（EIMD）的影响，并探讨了跑鞋、着地模式、个体特征、步频和跑步速度等调节因素与坡度的交互作用，为优化训练、提升表现和降低损伤风险提供了科学依据。

　　

跑步作为人类基本运动模式，其研究多集中于水平路面。然而，随着越野跑等活动的普及，对斜坡跑步（即上坡跑与下坡跑）的理解日益重要。这篇综述旨在系统总结当前关于上坡和下坡跑步的生物力学和生理学适应机制，并评估调节因素（如跑鞋、着地模式、个体特征、步频和跑步速度）与坡度相互作用的机制。

2 斜坡跑步的生物力学适应

跑步在倾斜表面需要进行基本步态力学调整，这些适应主要受改变的重力影响，需要不同的发力（推进力）和吸收（制动力）策略。

2.1 时空参数

时空参数，如步频、步长、触地时间、腾空时间和支撑期比例（触地时间与步态周期时间的比值），深受坡度和速度影响。上坡跑时，跑者倾向于增加步频、缩短步长，并减少腾空时间，导致支撑期比例增大。这种策略有利于在倾斜表面施加更大力量，对抗重力促进垂直推进。相反，下坡跑则表现为腾空时间增加、步频降低、支撑期比例减少，反映了对重力辅助向前运动的更大依赖。调整步频是改变负荷和能量消耗的一种策略，研究显示，在下坡跑时，步频在偏好值±5%范围内能最小化单位热量消耗和冲量负荷。

2.2 地面反作用力与着地模式

上坡跑时，法向GRF峰值（尤其是冲击峰）趋于减小，而平行于跑道的推进力峰值显著增大，反映了向上推进对抗重力所需的额外努力。下坡跑则面临不同挑战，其特征是法向冲击力峰值和平行制动力峰值增大。这些增加的冲击力与过度使用损伤风险相关。坡度也改变了着地模式的选择：上坡坡度增加使跑者转向中/前足着地，而下坡坡度减小则增加后足着地。这种坡度驱动的转变有助于解释上述GRF模式。

2.3 关节运动学与动力学

在不同坡度上跑步显著改变了下肢关节（髋、膝、踝）的运动模式和受力/力矩。这些适应反映了能量产生和吸收需求的变化。上坡跑时，下肢肌肉需要做更高的净机械功以增加身体势能，这通过所有关节（尤其是髋关节）的功率输出增加来实现。运动学上，上坡跑常表现为站立期髋关节屈伸活动度增加、膝关节屈曲增加、踝关节在触地及整个站立期更多跖屈以利于推进。踝关节对理论腿部刚度的贡献随上坡坡度增加而增加。尽管髋关节贡献提升，踝关节仍是上坡跑时推进的主要正机械功率来源。下坡跑则主要以能量耗散为特征，重力辅助了向前运动。控制下降和吸收冲击力是其生物力学的标志性特征。运动学上，下坡跑通常涉及触地时更大的膝关节屈曲，踝关节在初始接触时更倾向于背屈（尤其在后足着地模式时）。动力学上，研究表明，与水平跑相比，下坡跑时踝和膝关节的能量吸收和峰值负功率增加。膝关节对理论腿部刚度的贡献随下坡坡度增加而增加，反映了膝伸肌在冲击吸收和下降控制中的作用增强。

3 斜坡跑步的生理学与神经肌肉反应

除了力学变化，在上坡和下坡跑步还会引发独特的生理和神经肌肉反应，特别是在能量消耗、心肺需求和肌肉活动、疲劳及损伤方面。

3.1 能量消耗与心肺反应

跑步的能量消耗（C_r），常以每单位质量和距离的摄氧量（VO₂）表示，是耐力表现的关键决定因素，并深受坡度影响。上坡跑时，C_r随正坡度近似线性增加，反映了提升身体重心对抗重力所需的机械功增加。这与更高的VO₂、二氧化碳产生量（VCO₂）、肺通气量（VE）和心率（HR）相关。下坡跑则呈现不同的代谢特征：C_r随负坡度降低直至达到一个最小值（通常在-10%至-20%之间），之后在更陡的下坡上再次增加。初始的降低是由于重力辅助向前运动，减少了对主动推进的需求。然而，在更陡的下坡上，代谢成本再次增加，可能是由于制动、冲击吸收和稳定化所需的更大肌肉努力。尽管摄氧量较低，高强度下坡跑仍可能加剧心率和呼吸频率反应。

3.2 下坡跑步中的肌肉疲劳与损伤

下坡跑尤其以引起显著的肌肉疲劳和运动性肌肉损伤（EIMD）而闻名，这是由于制动和减震所需的高负荷离心收缩。EIMD常通过延迟性肌肉酸痛（DOMS）、血清肌酸激酶（CK）浓度升高、最大自主收缩（MVC）力下降以及肌肉功能（如发力率，RFD）改变等指标评估。EIMD和疲劳的程度受坡度、运动持续时间和跑步速度等因素影响。研究者观察到重复回合效应（RBE），即先前接触离心运动（如下坡跑）会导致后续 sessions 中肌肉酸痛减轻、CK升高幅度减小、MVC力损失减少。尽管重复回合降低了感知的肌肉酸痛，但未必能减轻神经肌肉疲劳反应。与上坡跑相比，高强度下坡跑会加剧肌肉疲劳，导致膝和髋伸肌扭矩产生更大下降。下坡跑可损害肌肉产生最大力量（MVC）的能力以及跑者快速发力（RFD）的整体能力，特别是影响RFD的晚期阶段（如100–200毫秒），这表明损伤可能位于骨骼肌内部。

3.3 肌肉活动

肌肉激活的模式和强度（通过肌电图EMG测量）也适应了斜坡跑步的需求。上坡跑时，参与推进的主要下肢肌肉（如腓肠肌、比目鱼肌、股外侧肌、股直肌、臀大肌和腘绳肌）的活动性普遍增加，这支持了 ascent 所需的更大正功和功率生成。下坡跑则涉及肌肉功能向离心收缩的转变，特别是在膝伸肌（股四头肌），以控制下降速率和吸收冲击能量。着地模式对下坡跑时的肌肉活动有影响，前足着地模式与较高的腓肠肌外侧头活动和较低的胫骨前肌、股外侧肌活动相关。

4 影响斜坡跑步生物力学和生理学的因素

为避免与坡度驱动的适应混淆，本节重点讨论各因素在给定坡度下如何改变反应（即与坡度的交互作用）。跑鞋设计、着地模式、个体跑者特征、步频和跑步速度等因素调节着对上坡和下坡跑的生物力学和生理学反应。

4.1 跑鞋

跑鞋的设计，特别是缓冲、中底顺应性和碳纤维板（如Nike Vaporfly 4%）的存在，在所有条件（水平、上坡、下坡）下均显示出显著的代谢节省。然而，特定的鞋类特性可能与坡度交互作用。例如，极简鞋可能因鞋重和运动学改变而在上坡、下坡跑时提供轻微代谢优势。最大缓冲鞋（MAX）在下坡跑时未能减弱冲击力，甚至可能加剧生物力学负荷。鞋的纵向弯曲刚度（LBS）影响生物力学，高LBS鞋可能通过改变关节功分布改善上坡过渡期间的效率，但可能增加膝关节负荷。

4.2 着地模式

着地模式（后足、中足或前足着地）是影响生物力学和负荷的可修改步态方面。前足着地模式倾向于减少法向冲击力峰值（冲击峰可能不出现）。有研究提出使用前足着地可能是减少冲击（尤其在下坡跑时）的良好策略。然而，在 prolonged 斜坡跑步中刻意切换着地模式并未显示出对神经肌肉疲劳结果的改善，表明适应特定地形的能力可能比坚持特定模式更重要。

4.3 跑者特征与适应

个体跑者特征，如体能水平、训练历史、斜坡跑步经验以及竞技水平（精英或业余），影响着对水平、上坡和下坡跑的反应。精英越野跑者尽管生物力学相似，但表现出较低的跑步能耗，这可能与神经肌肉特性（如力量-速度剖面）有关。他们对斜坡跑步的经验，特别是先前下坡跑暴露，通过RBE导致适应，从而减弱肌肉损伤、酸痛和疲劳反应，并改变后续回合的生物力学策略。针对斜坡跑步的特定训练计划对于优化表现和适应上坡及下坡地形的独特需求可能是必要的。

4.4 步频

调整步频已被探索作为修改负荷和能量消耗的策略。增加步频通常能减少每步峰值负荷和冲量，以及常见损伤部位（髌股关节、胫骨和跟腱）的累积组织损伤，表明它可能是减轻组织负荷的有效策略。在偏离偏好节奏（如±5%）的步频下跑步能最小化单位热量消耗和冲量负荷，而较大偏离（如-10%）则倾向于增加生理学和力学应力，尤其在下坡跑时。

4.5 跑步速度

跑步速度与表面坡度存在复杂交互作用，是斜坡跑步期间生物力学和生理学反应的关键调节因子。随着速度增加，生物力学和生理学参数在不同坡度上呈现一致的方向性变化：触地时间减少，关节能量产生/吸收、步频和C_r增加。然而，这些适应的幅度和机制驱动因素在上坡跑、下坡跑和水平跑之间显示出显著差异。上坡跑时，速度提升放大了推进需求；下坡跑时，速度增加加剧了垂直冲击峰值和制动力。虽然C_r在所有坡度下随速度线性增加，但坡度依赖的效率特征依然存在。步频操纵是速度调节的关键策略。

5 方法学考量与未来方向

研究上坡和下坡跑的生物力学面临独特的方法学挑战。大多数研究在跑台或斜坡上进行，这为控制速度和坡度、收集精确数据提供了环境。可穿戴传感器和先进建模技术日益用于在斜坡跑步中从足底压力数据估计GRF，为实验室外的真实世界生物力学评估提供了机会。未来研究需要更多关注调节因素与坡度对生物力学和生理学反应的交互效应、不同训练策略的长期影响、高强度下坡跑的心肺反应机制，以及在前瞻性研究中确认损伤风险因素和评估预防策略的有效性。

总之，斜坡跑步施加了独特的生物力学和生理学适应。跑鞋特性、着地模式、个体适应性、步频、速度和配速策略共同调节这些反应。未来研究应优先关注真实世界环境中的多因素-坡度交互作用、坡度特异性训练的优化、损伤预防方法的改进以及可穿戴技术的应用。