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圖 新聞投稿
2023-08-09
運動員的神兵利器─競技系相子元從科學分析、實證應用研發減壓鞋、避震襪
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相子元教授從研究到研發,都卓有成就。(攝影/陳怡瑄)
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跑者足部的著地位置,影響了跑者的跑步表現。(繪圖/張力予)
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因緣際會下,相子元藉由臺師大創新育成中心的媒合,和臺灣自有品牌公司展開產學合作,創造出臺灣自有的運動機能襪。(攝影/陳怡瑄)
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左圖為內側縱弓支撐鞋墊;右圖為雙足弓支撐鞋墊。(圖片來源/相子元。足部橫弓支撐之效益探討,P.6)
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相子元研發的運動鞋內外紋路都是有實質益處的,並非全然為了美觀而已。(攝影/陳怡瑄)

聯合報曾經統計,1999年國內只舉辦了三場馬拉松賽事,參與人數也只有數千人,然而到了2019年,全國舉辦的路跑活動已超過700場,而熱門賽事的參賽人數更高達一萬人以上。近幾年健走、路跑運動備受歡迎,但要怎麼跑、怎麼走才能更精進?更健康呢?

國立臺灣師範大學運動競技學系相子元教授熱愛跑步,長年鑽研人體機能、運動效率的關係和領域。過去我們刻板印象認為,只要減少跑步的能量消耗,就可以改進跑步技巧,進而增益跑步效率。不過相子元發現影響跑步效率的關鍵因素,可能並非我們所認為。

跑步經濟性(Running economy, RE)

相子元指出,過去檢測跑步經濟性作為跑步效率的方式,採用的是生理性指標。也就是特定速度下跑步的攝氧量,代表跑者當時的能量消耗,能量消耗越低表示跑步效率越好。但這種檢測方式屬於生理性的,容易受到環境及每個人不同的生理狀態影響,無法完全代表跑步技巧的好壞,且需要在跑步機上搭配呼吸系統,也很不便利。

「如果能夠發展出物理性的跑步效率指標,便能夠避免外在環境以及內在生理條件的影響,更單純的觀察出跑步技巧的差異,進而提供姿勢調整的依據,透過動作的修正以達到更高的跑步效率。」相子元說。

跑步型態和姿勢會因為不同的人、有沒有受過訓練而有不同。相子元藉由感應儀器進行實驗對照,比較兩種不同跑步型態的跑者在跑步經濟性上的差異。一種是「後足著地的跑者」,另種是「前足著地的跑者」。

通常我們會認為,後足著地跑者利用較長的觸地時間壓縮下肢,減少騰空時間並對抗重力,進而得以節省能量消耗;而前足著地跑者則是透過下肢的伸張、收縮循環儲存能量,透過前足著地和較靠近身體質心的著地點,減少剎車力,節省能量。

他進一步說:「實驗先控制速度為14.5 km/hr,並且攝氧量相當,所以兩種跑者有相似的跑步經濟性。但我們發現,前足著地的跑者垂直振幅更大、觸地時間更短,較高的垂直衝量儲存了更多的彈力位能,而能達到更好的跑步效率。」

換句話說,以較彈跳方法的跑步方式,在動力學參數中跟跑步表現有所關聯,此結果與過去文獻不同。「一般來說每人平均跑步頻率是1分鐘約160步上下。但如果能提高到1分鐘有175步,就會大幅提升跑步效率。具體改變的方法就是步伐的變換,踩快一點,讓步長變短,有點類似小碎步。」相子元驗證動力學參數可以反映跑步經濟性和跑步表現,同時他也希望未來透過更多項參數整合分析,精準地預測跑步經濟性和跑步表現,提升運動科學的應用。

科學實體化

確定物理性指標可以影響跑步表現後,相子元著手改進「裝備」。他提到一件往事:「30年前我還在美國讀書時,就曾和美軍有過合作,進而對於科學和實體結合,產生興趣和信心。當時我曾向美國某大廠品牌提出運動襪的開發計畫,但對方的回應是單單鞋類產品就忙得不可開交了,實在沒有餘力針對襪子再做發展,於是我就把那份想法帶回了臺灣。」

相子元拿出實品,分析道:「運動機能襪主要是把避震、支撐足弓、包覆等等新科技,帶入襪子裡。材料或纖維的編織,讓每一片布都有它對腳的特別功用。不過為了讓消費者更清楚地曉得,這樣一雙售價300元的運動襪,是有特殊機能的,跟一般幾十台幣的襪子是截然不同的,所以才刻意做成不同色澤。換句話說,這是為了將功能視覺化,以吸引、說服大眾購買。」

他強調,從理論、研究要變成實際應用的產品,這之間的距離是很遙遠的,以這雙襪子來說,團隊跟襪廠來來回回足足就花了2年的時間溝通,期間打樣了至少50次,最終才打造、生產出符合他們期望與水準的運動襪。

研發更具專業性的運動用品

「每個人無論是行走還是跑步,腳掌每次著地的施力點都有差異。所以我們除了檢測跑步時,腳尖或腳跟著地和能量之間的關係外,還可以檢測出鞋子、抑或是鞋墊,是否有助於改善足部疲勞?」

相子元找運動員在跑步機上,實驗不同鞋墊對運動員的影響。一次穿「縱弓支撐鞋墊」,另一次是「雙足弓支撐鞋墊」,再以心率帶監控運動強度、疲勞程度,並量測足底壓力數值。相子元發現雙足弓比縱弓支撐鞋墊,可以降低人體跑步時足部的內旋角速度、第一蹠骨處和腳跟處的足底壓力等部位,都有顯著效果。

研究結果提供了鞋類用品開發的重要數據。除了減少疲勞之外,運動鞋的「適配性」也是相子元研究的重點。他徐徐說道:「每一種運動的特性都不同,所以相應對的輔具重點,也應該不一樣。以鞋子來說,跑步是直線式運動,幾乎不會有側向運動,或緊急剎車與推進的時刻,你就是往前跑。但羽球則有大量的水平、橫移動作,畢竟選手需要左右前後的跑動接球、回拍。而籃球運動,還要再加上垂直起跳,且得慎防踩到別人的腳而扭傷,所以籃球很常見高筒鞋設計,就是對運動傷害的因應。」

就像打電動玩具,你的遊戲角色拿大刀施展劍法,威力就會下降;拿劍想要劈砍,威力也會減弱類似。不同運動項目的特點,就像不同武功、功夫一樣,需要有適合的裝備,「升級」才會更快!

直接拿出跑鞋、羽球鞋對比,相子元將鞋底露出,指著紋路說明:「像我剛剛提到的,跑步是直線性運動,因此跑鞋的紋路大多是線條。但羽球鞋就多了很多圓圈的底紋,這是為了加強對橫向、旋轉動作或緊急剎停的保護與支撐。」這些紋路是有作用的,不是純粹的形狀,再加上每個重點位置上,比如對應腳掌、腳跟的地方,會放置更好的避震科技設計,鞋側也有防護扭傷的硬片等等。

科學運動 + 軟實力 = 生活 + 健康

「過去的鞋面大多是皮或布製,現在則有更多種材料可供選擇,甚至可以抽換中底。」相子元一邊示範從鞋內將厚實中底抽出,一邊說道:「鞋子最容易磨耗的往往是中底,在鞋面、鞋底完好的狀況下,透過中底直接拔出換新的做法,讓羽球鞋的使用壽命增長。」除此之外,如今編織技術成熟,鞋面的包覆力、透氣性,都比以前更優秀,整體重量也更輕,保護雙腳的強度也就更卓越了。

相子元進一步指出,臺灣除了「護國神柱」大企業,其實還有很多隱形冠軍:「像是自行車、紡織和運動產業。例如臺灣的製鞋公司就佔據了美國球鞋第一品牌六分之一的代工量。抑或是造成狂熱效應、甫結束的世界盃足球賽各隊球衣,也都是由臺灣製造或供輸原料。我們大可不必妄自菲薄,臺灣的研發軟實力,是很有水準的!」

「運動科學研究,必須走出實驗室,不能只有理論,如果缺乏實務就無法推進到日常之中。」相子元語重心長的說:「我個人以為,作為這門領域研究者的使命有二,一是提升全民健康,落實更多關於運動的知識。二是讓臺灣的運動產業興盛蓬勃壯大起來,開發出符合人們需求的產品,產出更多的價值。終極來說,科學和生活的具體結合,才是最重要的事。」(資料來源:轉載自人文島嶼(原文連結) / 採訪撰文:沈眠 / 攝影/陳怡瑄 / 編輯:張傑凱 / 核稿:胡世澤)

研究來源:
相子元(2015)。走與跑之步態不對稱分析。國科會專題研究計畫(一般研究計畫)。
相子元(2018)。足底壓力感測元件數量與位置之分析。國科會專題研究計畫(一般研究計畫)。
相子元(2019)。監控運動強度之智慧羽球鞋開發。國科會專題研究計畫(產學合作研究計畫-應用型)。
相子元(2020-2021)。跑步動力學效率指標之開發與應用。國科會專題研究計畫(一般研究計畫)。
相子元(2021)。足部橫弓支撐之效益探討。國科會專題研究計畫(產學合作研究計畫)。

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