残奥会跳远冠军马库斯·雷姆试图参加2016年里约热内卢奥运会的努力在七月受挫，因为他无法证明他的碳纤维“刀锋”假肢没有给他带来优势。他的困境令人费解，提醒人们，在南非短跑运动员奥斯卡·皮斯托瑞斯作为首位使用刀锋假肢参赛的截肢奥运会运动员载入史册四年后，尽管研究仍在进行，但这项技术对表现的影响仍然不清楚。
刀锋假肢，如雷姆在他的右腿上使用的和皮斯托瑞斯在双腿上使用的，与生物肢体有一些共同的特征。刀锋在承受跑步者的体重时储存能量，然后在跑步者蹬离地面时释放能量，很像腿的小腿肌肉和跟腱的弹性和反冲。但一个重要的区别是脚，刀锋假肢上的脚不会枢转或产生自身能量。生物学意义上的脚有肌肉纤维，可以帮助它蹬离地面，从而产生“代谢效率，这样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，”大卫·摩根罗斯说，他是华盛顿大学康复医学系的助理教授。
使用生物肢体的跑步者还可以随时调整腿部肌肉的僵硬度和脚着地的角度，以适应跑步表面的任何变化。但是，刀锋的僵硬度和形状一旦适合跑步者就无法改变，因为它是为特定运动员在非常特定的条件下跑步而定制优化的。“当你想提高跑步速度时，例如当你从起跑线出来时，这可能是一个缺点。这是一个完全被动的系统，”摩根罗斯说。
支持科学新闻事业
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻事业： 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
然而，刀锋确实具有竞争优势。一旦刀锋跑步者加速到最高速度，一个潜在的优势在于能够更快、更轻松地移动假肢——因为刀锋比竞争对手的小腿和脚轻。研究刀锋假肢的研究人员对这些优点和缺点对整体表现的净影响存在激烈的争论。
皮斯托瑞斯因素
在田径运动的管理机构国际田径联合会（IAAF）在2008年禁止皮斯托瑞斯与所谓的“健全”竞争对手比赛后不久，他在莱斯大学的运动实验室接受了一系列测试，试图恢复参赛资格。研究人员得出结论，皮斯托瑞斯使用的能量比健全肢体的精英短跑运动员少17%。测试还显示，这位南非运动员在步幅之间重新定位或摆动腿所需的时间减少了21%。关于如何解释这项研究，人们产生了很大的分歧。
南方卫理公会大学的彼得·韦兰德和蒙大拿大学的马特·邦德尔认为，皮斯托瑞斯更快的腿部摆动和更节能的步幅具有明显的整体优势，他们说这可能会在400米比赛中创造高达7秒的优势。“你越是把质量集中在轴心附近——在这种情况下，是你的臀部——就越容易停止旋转，然后再把它转过来，”邦德尔说。“然而，如果你把相同数量的质量放在远离轴心的地方——在你的小腿和脚上——那么停止它并使其朝相反方向运动就会变得更加困难。”
其他研究人员——包括麻省理工学院媒体实验室生物机电研究小组负责人休·赫尔、前媒体实验室生物机电博士后研究员阿莱娜·格拉博夫斯基和科罗拉多大学博尔德分校综合生理学系的副教授罗杰·克拉姆——确定“没有足够的证据”证明皮斯托瑞斯的碳纤维猎豹Flex-Foot假肢给了他优势。他们的工作帮助说服体育仲裁法庭推翻了国际田联的禁令。这位短跑运动员将继续参加2012年伦敦夏季奥运会的400米和400米接力赛。
对科学的信念飞跃
雷姆的右小腿在青少年时期被船用螺旋桨严重损坏，他在2014年赢得了德国国家跳远冠军。德国田径运动管理机构的官员后来禁止他参加2014年苏黎世欧洲锦标赛，原因是担心他的刀锋会造成不公平的优势。2015年，当雷姆寻求继续参加主流赛事的方式时，国际田联修改了规则，要求截肢运动员证明假肢不会给他们带来优势。为了参加2016年里约奥运会，雷姆求助于格拉博夫斯基，她现在是科罗拉多大学博尔德分校应用生物力学实验室的主任，以及她在科隆德国体育大学和日本国立高级产业科学技术研究所的同事。
像雷姆这样的跳远运动员依赖于快速的助跑冲刺，然后是有效的起跳技术，将他们垂直和水平地推进沙坑上方。在起跳过程中，跳远运动员降低他们的重心并用一条腿蹬地，以在不牺牲前进速度的情况下尽可能快地跳到空中。一般来说，助跑速度越快，竞争对手跳得越远。格拉博夫斯基和她的同事发现，雷姆和其他膝盖以下截肢的世界级跳远运动员使用的技术与不需要假肢的竞争对手从根本上不同。格拉博夫斯基说，刀锋的被动弹性特性可能会限制跳远运动员的最高冲刺速度（这是一个缺点），但它可以实现更好的起跳技术（这是一个优势）。最终，研究人员无法最终确定雷姆的假肢是否给了他整体优势，实际上结束了他参加里约奥运会的希望。雷姆现在是国际田联工作组的成员，该工作组正在研究假肢在体育比赛中的使用，希望能参加2017年国际田联世界锦标赛。
初步进展
尽管格拉博夫斯基的跳远研究没有定论，但她的研究远未结束。今年3月，格拉博夫斯基、克拉姆和研究助理保罗·塔博加在《实验生物学杂志》上报道说，在200米或更长的田径赛事中，左腿假肢的运动员处于劣势。在逆时针弯道内侧使用刀锋腿，通常比佩戴右腿假肢的运动员慢4%。在弯道半径较小的外侧跑道上，这种差异不太明显。“我们的目标之一是了解假肢如何影响表现，并——最终——设计出更好的假肢，使人们能够更好地应对弯道，”格拉博夫斯基说。
格拉博夫斯基和她的同事继续研究刀锋高度和刚度对表现的影响。在巴西短跑运动员艾伦·奥利维拉在2012年残奥会200米比赛中击败皮斯托瑞斯后，这位南非运动员抱怨说，奥利维拉更长的刀锋使他跑得更快。管理残奥会的国际残疾人奥林匹克委员会（IPC）根据包括臂展（从一只手的手指尖到另一只手的手指尖，手臂与身体垂直）和身高在内的多种因素，对双腿截肢者的假肢长度进行了规定。研究人员测试了五名截肢运动员在三家公司制造的不同高度的刀锋假肢上跑步。“我们实际上发现，在四厘米的范围内，它对最高速度并没有真正的影响，”格拉博夫斯基说。研究人员希望在未来六个月内发表他们的研究结果。
华盛顿大学的摩根罗斯说，关于碳纤维假肢是否为运动员提供了不公平的优势的问题可能永远无法完全解答，因为为了理解是什么让跑步者——任何跑步者——更快、更有效率，还需要做大量的研究。细致的实验室测试很重要，但它永远无法复制在比赛的激烈竞争中赛道上实际发生的情况。