先进鞋类技术相较于传统鞋类的能量回弹增加可能并非微不足道

《Footwear Science》：The increase in energy return for advanced footwear technologies over traditional footwear may be non-trivial

　　

过去十年间，先进鞋类技术（Advanced Footwear Technologies, AFT）大量涌现，已被证明能显著影响跑步代谢成本。高回弹中底仅是定义AFT的特征之一，尽管运动鞋的能量回弹已被研究数十年。研究人员提供了一个理论框架，以支持AFT的能量回弹（尽管量级可能‘小’）仍可能对跑步经济性产生不可忽略影响的论点。该框架的一个必要变量是对台架测试能量回弹的估计。能量回弹并非材料属性，而是施加测试需求的结果；因此，测试方法（如重力驱动、位移控制压缩和力控制压缩）将决定测试结果的解读。该框架还考虑了总效率（gross efficiency, GE）——人体将代谢能量消耗转化为有意义外部功输出的能力。总效率因活动而异，骑行可达25%的高值。尽管并非既定指标，但跑步机械功率可通过估计总效率从跑步代谢功率预测。基于此计算，AFT提供的能量回弹增加对跑步经济性的影响（约1%–2%）可能与多个其他已充分研究的设计属性大致相当。这一点仅在考虑每步能量回弹相对于机械跑步功率而非代谢跑步功率时才变得明显。由于能量回弹的量化是施加于试件需求的函数，因此实验控制能量回弹的概念应受到质疑。

**论文解读：先进鞋类技术能量回弹对跑步经济性的非微不足道影响**

**研究背景与问题**
跑步鞋类技术在过去十年经历了显著革新，先进鞋类技术（Advanced Footwear Technologies, AFT）如厚层高回弹泡沫中底、纵向弯曲增强板（碳纤维或尼龙）及低重量设计，已被证实能显著改善跑步经济性（running economy），即降低特定速度下的代谢成本。然而，AFT中能量回弹（energy return）这一变量的独立作用长期存在争议。部分学者认为，AFT带来的代谢效益可完全由其他因素（如纵向弯曲刚度、中底高顺应性、鞋重）解释，而能量回弹的量级极小（每步不足1焦耳），且缺乏严格对照实验证明其独立影响。例如，Shorten（2024）基于重力驱动冲击测试数据指出，AFT与传统鞋类的回弹能量差异（ΔE）仅为约0.5–1 J/步，相对于跑步代谢功率（约1000 W）可忽略不计（0.3%）。因此，研究人员旨在通过理论框架论证：尽管AFT能量回弹增量“小”，但考虑人体代谢-机械转换效率后，其对跑步经济性的影响可能非微不足道。

**研究内容与结论**
研究人员提出了一个包含机械测试、代谢功率与总效率（gross efficiency, GE）的理论框架，以量化AFT能量回弹的理论机械效益。该框架基于以下逻辑：首先，通过台架测试（重力驱动冲击或压缩测试）获取AFT相对于传统鞋的每步能量回弹差异（ΔE，约1 J/步）；其次，结合步频（180步/分钟）计算机械功率差（ΔP_mech-AFT = 3 W）；再次，引入总效率（GE）概念——人体将代谢能量转化为机械功的效率（骑行中可达25%，跑步中尚无公认值，但假设最大值25%），从而推导出跑步机械功率（P_mech-run = 代谢功率×GE，约250 W）；最后，计算AFT带来的机械效益百分比（%mech-AFT = ΔP_mech-AFT/P_mech-run ≈ 1.2%）。该值与其他已知设计属性（如减轻鞋重100 g约1%、增加10 mm中底厚度约1.63%、提高纵向弯曲刚度约1–4%）的代谢效益相当。研究还指出，若采用不同参数范围（GE 10%–30%，ΔE 0.5–2.0 J/步，代谢功率800–1200 W），理论机械效益范围为0.5%–7.5%，多数值可视为“非微不足道”。论文发表在《Footwear Science》。

**关键技术方法**
主要方法为两种台架机械测试：①重力驱动冲击测试（依据ASTM F1976-13），通过下落质量从指定高度释放，测量回弹高度以计算回弹能量（E_rebound）和能量回弹（E_ret = E_def + E_rebound）；②万能试验机（Universal Testing Machine, UTM）压缩测试，可通过位移控制或力控制施加负荷，测量能量吸收与回弹，但无法区分回弹能量。此外，利用总效率（GE）概念从代谢功率估算机械功率，GE取值范围参考骑行及其他运动文献（18%–25%）。未涉及具体样本队列，但引用Hoogkamer等（2019）针对Nike Vaporfly 4%的跑步生物力学数据。

**研究结果（按小标题）**

**1. Introduction**
AFT的典型特征（厚泡沫、弯曲板、轻量）已被独立证明可改善跑步经济性，但能量回弹的独立作用缺乏直接证据。研究人员提出理论框架以论证其非忽略性。

**2. Mechanical testing**
台架测试（重力驱动或UTM压缩）可提供理论机械能量回弹，但测试方法不同导致结果解读差异。重力驱动测试可分离回弹能量（E_rebound），而压缩测试无法实现。基于Shorten（2024）数据，AFT与传统鞋的ΔE约为0.5–1 J/步（跟部），取1 J/步为框架起点。

**3. Theoretical framework**
以ΔE=1 J/步、步频180步/分计算ΔP_mech-AFT=3 W。假设精英马拉松运动员代谢功率约1000 W、GE=25%，则P_mech-run=250 W，%mech-AFT=1.2%。该值与减轻鞋重、增加中底厚度等已知效益相当。若采用Hoogkamer等（2019）的ΔP_mech-AFT=11 W，则%mech-AFT达4.0%，接近于AFT（Nike Vaporfly 4%）实际观测的代谢效益（约4%）。

**4. Limitations**
框架依赖多个假设：跑步机械功率及GE未知（取25%为上限），ΔE因AFT设计和测试方法而异，未考虑跟部与前足差异、个体步频变化等。保守估计（ΔE=0.5 J/步，GE=30%）下效益仅0.5%，可能支持Shorten（2024）的结论。

**5. Controlling for energy return**
少数研究（如Flores等，2019）尝试控制变量以检验能量回弹独立效应，但低速度（10.8 km/h）下AFT效益仅约1%，且代谢测试设备标准误差（1.6%–2.2%）大于效应量，未能检测到显著差异。研究人员指出，能量回弹并非材料属性，而是系统动态结果，依赖施加的负载需求，因此实验控制此变量在本质上存在困难，不同受试者间的能量回弹实际值可能差异显著。

**总结与讨论**
讨论部分重申框架的局限性，并强调能量回弹的量化依赖于测试条件（重力驱动或压缩测试）及实际跑步中的个体因素（体重、步频、速度等）。结论指出，尽管AFT的能量回弹增量“小”，但考虑机械跑步功率而非代谢功率后，其理论机械效益（约1–2%）与多个已知设计属性相当，因此并非微不足道。该框架并非主张能量回弹是AFT代谢效益的最重要贡献者，而是展示粗略计算表明其影响不可忽略，并为未来研究需验证的关键参数（ΔE、GE、个体特异性）提供了方向。

**研究结论翻译**
总之，本文试图为AFT能量回弹主题提供额外背景。此处提出一个框架以确定AFT的理论机械效益。该框架的关键输入是AFT与传统鞋类每步能量回弹差异。然而，需注意能量回弹并非材料属性，而是系统结果。换言之，测试（或实际使用）中对中底施加的需求将决定其提供的机械环境。但若控制正确的测试参数，台架测试可提供AFT每步能量回弹的估计。利用此指标，结合对跑步者的一些假设（即步频、代谢功率和总效率），可计算出理论机械效益的预测，其效应量大小与AFT多个已充分研究的设计属性的代谢效益（约1–2%）相当。该框架的含义并非能量回弹是AFT代谢成本降低的最重要贡献者，而是说明粗略的理论计算表明AFT提供的能量回弹增加可能小但非微不足道——这仅在考虑每步能量回弹相对于机械跑步功率而非代谢跑步功率时才变得明显。