2019年10月12日，马拉松世界纪录保持者基普乔格以1：59：40的成绩“破2”成功，成为人类历史上首位马拉松“破2”的运动员。除自身的内在因素，其成功“破2”还得益于高科技因素。其中，基普乔格所穿着的NEXT%跑鞋升级款受到关注。加厚的ZoomX鞋中底，在跖趾关节处增加的气垫和多层碳板结构（图1），是运动鞋能量回弹、提升跑步经济性的新科技。

图1 NEXT%跑鞋升级款ZoomX中底结构示意图

该跑鞋原型技术由美国科罗拉多大学Rodger Kram教授团队研发。2018－2019年，该团队持续探究该跑鞋原型技术的生物力学贡献。其中涉及鞋与跑步经济性的研究（Hoogkamer et al.，2018），比较了该原型跑鞋（NP）与已有的两种马拉松跑鞋，采集不同跑速下每款鞋的次最大摄氧量（O2max）、二氧化碳量和平均能耗。研究发现，当鞋的重量相当时，穿NP在3种跑速下的平均能耗比另两款鞋分别下降了4.16%和4.01%（图2）。机械测试发现，NP的最大形变量约是Nike Zoom Streak跑鞋（NS）和Adidas adizero Adios BOOST 2跑鞋（AB）的2倍（11.9 mmvs.6.1 mmvs.5.9 mm），释放弹性能比例也更大（87%vs.75.9%vs.65.5%），并证实了NP相比其他市售跑鞋节省约4%的能耗。

图2 Nike Zoom Streak跑鞋（NS）、Adidas adizeroAdios BOOST 2跑鞋（AB）、原型跑鞋（NP）在不同跑速下的能耗比较

Hoogkamer等（2019）对穿着这3种马拉松跑鞋的男性跑者下肢生物力学特征进行研究，发现穿着NP除了拥有更大的垂直地面反作用力峰值和垂直冲量（垂直地面反作用力曲线下的面积）（图3a）外，主要影响集中在踝和跖趾关节，包括：1）更小的跖趾关节最大伸角度（图3b）；2）更小的踝关节正功率（图3c）、踝关节正/负功和跖趾关节负功（关节功率曲线下的面积）（图3d）。因此，NP的能耗节省化主要得益于：1）中底泡沫结构具有良好的储能性能；2）碳纤维板对踝关节力学的杠杆效应以及使跖趾关节变硬的效果（the stiffening effects of the plate on the MTP joint）。结合之前的研究，原型马拉松跑鞋通过改变上述跑步着地时的下肢生物力学特性，进一步提高了运动表现。

早期研究发现，运动鞋重量每减小100 g，耗氧量会降低约1%（Frederick et al.，1984）。近年，跑鞋鞋底的屈曲刚度被证明能影响跑步经济性，如将碳纤维板加入鞋中底，以增加纵向屈曲刚度（Hoogkamer et al.，2017）。Roy等（2006）发现，纵向屈曲刚度为38 N/mm的跑鞋比18 N/mm的跑鞋，跑步经济性提高了0.8%。Zhu等（2020）研究表明，采用碳素增强板的硬底鞋虽然未对即刻的跳跃高度产生影响，但能够在改变跖趾关节部分运动学的同时增加相邻踝关节的杠杆作用以增加蹬的效果，可进一步提高运动表现。

图3 穿着原型跑鞋（NP，浅灰色）、Nike Zoom Streak跑鞋（NS，黑色）和Adidas adizero Adios BOOST 2跑鞋（AB，深灰色）支撑期时垂直地面反作用力（a）、跖趾关节角度（b）、踝关节功率（c）和跖趾关节功率曲线（d）

通过探究跑鞋对人体下肢生物力学的影响，了解其内在协同机制和相互作用关系，能进一步增强运动鞋技术及其背后的生物力学贡献，为运动员突破极限提供重要的科技助力。但由于人为选择或创造了各种有利条件（如适宜的天气、无竞争对手、多人陪跑破风、过于平坦的赛道等），此次马拉松“破2”的成绩并不被国际田联认可，因此上述最新的跑鞋科技能否在正式比赛中大放异彩，仍需进一步验证。