《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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这篇研究通过生物力学分析，探讨了全掌碳板（FC）与Y形碳板（YC）在男子短跑中对运动表现与踝关节稳定性的影响。研究发现YC鞋能提高峰值垂直冲击力（3.14 BW）和踝关节矢状面活动度（43.5°），而FC鞋虽能减少跖趾关节伸展（p<0.001）并降低冲击力（2.90 BW），但会显著增加踝外翻幅度（30%-100%站立期），提示其可能以牺牲踝稳定性为代价提升能量效率。研究为碳板跑鞋的针对性设计提供了生物力学依据。
引言
短跑作为人类运动的基本形式，是足球、棒球和橄榄球等多项运动表现的关键决定因素。快速加速和维持高速奔跑的能力不仅对短跑运动员至关重要，也是需要反复冲刺的团队运动取得成功的关键组成部分。作为足部与地面的主要接口，跑鞋被认为会影响跑步过程中膝踝关节的生物力学特性，进而影响慢性运动损伤的风险。随着结构和材料工程的技术进步，具有各种功能特性的跑鞋不断被推出，例如缓震、稳定性和极简跑鞋。近年来，跑鞋设计开始加入碳纤维材料以提升跑步表现。研究表明，中底嵌入碳板可以增加弯曲刚度，减少跖趾关节能量损失，从而提高跑步表现和经济性。然而，关于碳板形状和设计差异的研究，尤其是在足够快的短跑速度下的生物力学差异，仍需进一步探索。
材料与方法
本研究招募了40名达到国家二级运动员水平的100米男子短跑运动员，要求他们在受控速度7 m·s-1下进行次最大强度短跑，同时穿着配备全掌碳板（FC）或Y形碳板（YC）的跑鞋。两种碳板均采用统一的2毫米厚度和相同的材料特性，确保唯一的变量是形状。使用运动捕捉系统和测力台收集运动学和动力学数据。结果测量包括时空变量、关节运动学（髋、膝、踝和跖趾关节角度）和动力学（垂直和水平地面反作用力及关节力矩）。使用配对样本t检验检查两种鞋条件之间的差异，同时应用统计参数映射（SPM）来检测整个站立阶段的随时间变化的差异。
结果
在大多数时空和动力学参数上，FC和YC鞋之间未观察到显著差异，例如总触地时间、制动和推进水平力或膝伸力矩。然而，FC鞋的峰值垂直冲击力显著低于YC鞋（2.90 ± 0.291 BW 对比 3.14 ± 0.447 BW, p = 0.003）。SPM进一步显示，在站立期的38%–65%期间，YC鞋的垂直地面反作用力持续升高（p < 0.001）。在关节运动学方面，FC鞋导致踝关节跖屈角度和矢状面活动范围显著减小（p < 0.001），但引发了更大的踝关节外翻幅度（在站立期的30%–100%期间）。YC鞋则在站立期的10%–80%期间诱导了更强的跖趾关节伸展趋势（p < 0.001）。髋关节和膝关节的运动学参数在两种鞋条件间大多无显著差异。
讨论
FC鞋诱导的较低垂直冲击力可能与其全掌碳板较高的纵向刚度有关，这可以更均匀地分布载荷从而衰减初始接触时的冲击幅度。FC鞋对踝关节活动的限制可能提高了能量传递效率，但可能牺牲了自然的关节运动并增加了周围稳定结构的负荷。相比之下，YC鞋允许更大的踝关节活动度和跖趾关节伸展，这可能有利于推进，但也可能增加足底筋膜和跟腱的机械负荷。FC鞋在站立期大部分时间引发的更大踝外翻幅度表明其踝关节机械稳定性可能较低，增加了内翻相关损伤的风险，这支持了YC鞋能提供更好踝稳定性的初始假设。FC鞋中跖趾关节活动度的减少与其更强的 forefoot bending stiffness 相关，这可能通过限制前足运动来促进能量效率，但代价是关节活动受限和潜在的局部负荷增加。
结论与局限性
研究表明，跑鞋中嵌入不同形状的碳板会导致短跑过程中不同的生物力学特征。全掌碳板设计（FC）表现出比Y形碳板（YC）更高的纵向弯曲刚度，可能减少跑步过程中的能量损失，但其诱导的踝关节更大 frontal plane mobility 不利于维持踝关节稳定的中立位。因此，能适应较硬中底的运动员可能更适合全掌碳板跑鞋，而患有慢性踝关节不稳的短跑运动员可能更倾向于选择Y形碳板设计或硬度相对较低的跑鞋。本研究的局限性包括采用的短距离冲刺方案可能无法完全代表典型的竞技冲刺或中长距离跑步场景，参与者均为男性运动员限制了结论向女性运动员的推广，以及碳纤维材料仅形状不同而未考虑不同生产工艺可能带来的机械性能差异。
