運動員的神兵利器──臺師大相子元從科學分析、實證應用研發減壓鞋、避震襪

跑者足部的著地位置，影響了跑者的跑步表現。 (圖片來源/轉載自人文島嶼；下同；繪圖／張力予)

聯合報曾經做過統計，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？

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。」

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

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。

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

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。

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

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。」

採訪撰文／沈眠

攝影／陳怡瑄

編輯／張傑凱

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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