殘奧會跳遠冠軍馬庫斯·雷姆試圖參加2016年裡約熱內盧奧運會的努力在七月受挫，因為他無法證明他的碳纖維“刀鋒”假肢沒有給他帶來優勢。他的困境令人費解，提醒人們，在南非短跑運動員奧斯卡·皮斯托瑞斯作為首位使用刀鋒假肢參賽的截肢奧運會運動員載入史冊四年後，儘管研究仍在進行，但這項技術對錶現的影響仍然不清楚。
刀鋒假肢，如雷姆在他的右腿上使用的和皮斯托瑞斯在雙腿上使用的，與生物肢體有一些共同的特徵。刀鋒在承受跑步者的體重時儲存能量，然後在跑步者蹬離地面時釋放能量，很像腿的小腿肌肉和跟腱的彈性和反衝。但一個重要的區別是腳，刀鋒假肢上的腳不會樞轉或產生自身能量。生物學意義上的腳有肌肉纖維，可以幫助它蹬離地面，從而產生“代謝效率，這樣你的肌肉就不必在你跑步的每一步都重新投入所有的能量，”大衛·摩根羅斯說，他是華盛頓大學康復醫學系的助理教授。
使用生物肢體的跑步者還可以隨時調整腿部肌肉的僵硬度和腳著地的角度，以適應跑步表面的任何變化。但是，刀鋒的僵硬度和形狀一旦適合跑步者就無法改變，因為它是為特定運動員在非常特定的條件下跑步而定製最佳化的。“當你想提高跑步速度時，例如當你從起跑線出來時，這可能是一個缺點。這是一個完全被動的系統，”摩根羅斯說。
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然而，刀鋒確實具有競爭優勢。一旦刀鋒跑步者加速到最高速度，一個潛在的優勢在於能夠更快、更輕鬆地移動假肢——因為刀鋒比競爭對手的小腿和腳輕。研究刀鋒假肢的研究人員對這些優點和缺點對整體表現的淨影響存在激烈的爭論。
皮斯托瑞斯因素
在田徑運動的管理機構國際田徑聯合會（IAAF）在2008年禁止皮斯托瑞斯與所謂的“健全”競爭對手比賽後不久，他在萊斯大學的運動實驗室接受了一系列測試，試圖恢復參賽資格。研究人員得出結論，皮斯托瑞斯使用的能量比健全肢體的精英短跑運動員少17%。測試還顯示，這位南非運動員在步幅之間重新定位或擺動腿所需的時間減少了21%。關於如何解釋這項研究，人們產生了很大的分歧。
南方衛理公會大學的彼得·韋蘭德和蒙大拿大學的馬特·邦德爾認為，皮斯托瑞斯更快的腿部擺動和更節能的步幅具有明顯的整體優勢，他們說這可能會在400米比賽中創造高達7秒的優勢。“你越是把質量集中在軸心附近——在這種情況下，是你的臀部——就越容易停止旋轉，然後再把它轉過來，”邦德爾說。“然而，如果你把相同數量的質量放在遠離軸心的地方——在你的小腿和腳上——那麼停止它並使其朝相反方向運動就會變得更加困難。”
其他研究人員——包括麻省理工學院媒體實驗室生物機電研究小組負責人休·赫爾、前媒體實驗室生物機電博士後研究員阿萊娜·格拉博夫斯基和科羅拉多大學博爾德分校綜合生理學系的副教授羅傑·克拉姆——確定“沒有足夠的證據”證明皮斯托瑞斯的碳纖維獵豹Flex-Foot假肢給了他優勢。他們的工作幫助說服體育仲裁法庭推翻了國際田聯的禁令。這位短跑運動員將繼續參加2012年倫敦夏季奧運會的400米和400米接力賽。
對科學的信念飛躍
雷姆的右小腿在青少年時期被船用螺旋槳嚴重損壞，他在2014年贏得了德國國家跳遠冠軍。德國田徑運動管理機構的官員後來禁止他參加2014年蘇黎世歐洲錦標賽，原因是擔心他的刀鋒會造成不公平的優勢。2015年，當雷姆尋求繼續參加主流賽事的方式時，國際田聯修改了規則，要求截肢運動員證明假肢不會給他們帶來優勢。為了參加2016年裡約奧運會，雷姆求助於格拉博夫斯基，她現在是科羅拉多大學博爾德分校應用生物力學實驗室的主任，以及她在科隆德國體育大學和日本國立高階產業科學技術研究所的同事。
像雷姆這樣的跳遠運動員依賴於快速的助跑衝刺，然後是有效的起跳技術，將他們垂直和水平地推進沙坑上方。在起跳過程中，跳遠運動員降低他們的重心並用一條腿蹬地，以在不犧牲前進速度的情況下儘可能快地跳到空中。一般來說，助跑速度越快，競爭對手跳得越遠。格拉博夫斯基和她的同事發現，雷姆和其他膝蓋以下截肢的世界級跳遠運動員使用的技術與不需要假肢的競爭對手從根本上不同。格拉博夫斯基說，刀鋒的被動彈性特性可能會限制跳遠運動員的最高衝刺速度（這是一個缺點），但它可以實現更好的起跳技術（這是一個優勢）。最終，研究人員無法最終確定雷姆的假肢是否給了他整體優勢，實際上結束了他參加里約奧運會的希望。雷姆現在是國際田聯工作組的成員，該工作組正在研究假肢在體育比賽中的使用，希望能參加2017年國際田聯世界錦標賽。
初步進展
儘管格拉博夫斯基的跳遠研究沒有定論，但她的研究遠未結束。今年3月，格拉博夫斯基、克拉姆和研究助理保羅·塔博加在《實驗生物學雜誌》上報道說，在200米或更長的田徑賽事中，左腿假肢的運動員處於劣勢。在逆時針彎道內側使用刀鋒腿，通常比佩戴右腿假肢的運動員慢4%。在彎道半徑較小的外側跑道上，這種差異不太明顯。“我們的目標之一是瞭解假肢如何影響表現，並——最終——設計出更好的假肢，使人們能夠更好地應對彎道，”格拉博夫斯基說。
格拉博夫斯基和她的同事繼續研究刀鋒高度和剛度對錶現的影響。在巴西短跑運動員艾倫·奧利維拉在2012年殘奧會200米比賽中擊敗皮斯托瑞斯後，這位南非運動員抱怨說，奧利維拉更長的刀鋒使他跑得更快。管理殘奧會的國際殘疾人奧林匹克委員會（IPC）根據包括臂展（從一隻手的手指尖到另一隻手的手指尖，手臂與身體垂直）和身高在內的多種因素，對雙腿截肢者的假肢長度進行了規定。研究人員測試了五名截肢運動員在三家公司製造的不同高度的刀鋒假肢上跑步。“我們實際上發現，在四釐米的範圍內，它對最高速度並沒有真正的影響，”格拉博夫斯基說。研究人員希望在未來六個月內發表他們的研究結果。
華盛頓大學的摩根羅斯說，關於碳纖維假肢是否為運動員提供了不公平的優勢的問題可能永遠無法完全解答，因為為了理解是什麼讓跑步者——任何跑步者——更快、更有效率，還需要做大量的研究。細緻的實驗室測試很重要，但它永遠無法複製在比賽的激烈競爭中賽道上實際發生的情況。