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跑鞋纵向抗弯刚度是鞋设计的重要参数之一。
2019年，乔大爷史上首次实现了42.195公里跑的 “破2”壮举。除了自身的硬实力素质，这一成功还得益于跑鞋黑科技——那就是添加碳纤维板（碳板）来调整跑鞋的纵向抗弯刚度。随后，跑鞋中的碳板的性能，成为当下生物力学领域的热点话题之一。
就碳板的设计而言，其自身厚度和嵌入跑鞋的位置与跑步成绩都有密切相关性。碳板嵌入跑鞋的位置有3种，包括鞋垫底部、中底中部以及外底上部。虽然总体上碳板跑鞋可能帮助优化跑步经济性，但不同的碳板设计特征对跑步运动表现的影响不尽相同（如图1所示）。
跑鞋的优化升级需要符合人体运动需求，任何结构和技术上的突破创新都要建立在不增加额外运动损伤风险的基础上。作为人体与地面接触的始端，足部是跑步过程中最常见的损伤部位之一。
长距离跑步会导致足部动态稳定性显著下降，出现足弓塌陷和足外翻姿势加剧等问题，这种足底超负荷，可能引起足底疼痛，甚至诱发足底筋膜炎等劳损。足底筋膜反复牵拉与过度受力是该损伤产生的主要原因。
值得一提的是，碳板跑鞋在设计理念上与前脚掌着地的跑步方式更为匹配，从而为跑者提供更好的支撑和稳定性，减少能量损失，提高跑步效率。与后跟着地的跑步方式相比，前脚掌跑步时足弓被进一步收紧，足底筋膜应力增加，足底筋膜炎损伤发生的概率增加。
随着碳板厚度增加，前脚掌落地跑步落地冲击时的前足足底压力峰值较非碳板跑鞋呈现逐步下降的趋势。假设碳板的位置都是嵌入外底上部，比起厚度为1毫米的碳板，厚度3毫米的碳板对于降低足底压力更为有效。随着碳板厚度增加，前足跖骨区域的压力逐渐向脚趾和中足外侧分布，足底压力集中现象得到明显改善。在降低足底压力方面，碳板与减震鞋垫的效果有些共性，但这两种结构的作用机制存差异。
高厚度鞋垫能够通过“软接触”的方式增加足底与鞋垫的接触面积，减小足底压力峰值，并使其分布更为均匀。
碳板对足底压力的调节作用主要在于转移并消散了较多的地面反作用力，使传导至前足足底的压力明显降低。用碳板调节跑鞋的纵向抗弯刚度，在一定程度上保留了中底的缓冲特性，同时，碳板可以转移消散部分地面反作用力，实现了降低足底压力的效果。
尽管嵌入鞋垫底部的碳板能够在一定程度上提升跑步经济性，但碳板较薄时，反而可能增加前足部位的足底压力并降低舒适性。
足底筋膜重复异常受力是造成运动时足底筋膜炎发生的直接原因之一。碳板厚度改变，会引起鞋底纵向抗弯刚度改变，厚度越大纵向抗弯刚度越大。随着碳板厚度增加，穿着碳板跑鞋时的足底筋膜应力峰值较非碳板跑鞋明显下降。在相同地面反作用力的作用下，增大纵向抗弯刚度能够对跖趾关节的运动起到一定的限制作用。
足底筋膜介于跟骨与跖骨之间，因此，减小跖趾关节屈伸运动幅度能够缓解足底筋膜的紧张程度，在一定程度上降低由于长时间过度牵拉足底筋膜产生慢性劳损炎症的风险。
跖趾关节
过薄的碳板（比如1mm以下）不足以限制跖趾关节运动，并且嵌入位置的不同，可能对足部不同部位产生不同的力学作用。但是，当碳板厚度逐渐增加至3 mm时，其降低足底筋膜受力，减轻足底筋膜被牵拉程度的作用往往更显著，对足部不同部位产生的力学作用会相对更加平均。
在碳板位置方面，嵌入外底上部的碳板整体效果更好。
总之，选择碳板较厚且位置接近外底上部的，大概率不会错。
最后，在进行力学测量时，人体外部组织承受的负荷变化并不能绝对准确的反映其内部结构的力学变化特征。
因此，未来研究在探索运动损伤机制与研发新款跑鞋时，不能仅依据外在负荷变化特征（如足底压力）进行推算，而应对人体内部结构的数据做进一步力学定量分析。
文字 | 顾耀东 宁波大学体育学院 教授、研究生导师
照片 | 网络
