李忠东

“猎豹短跑脚”造就“刀锋战士”

与身心健全的运动健儿们不同的是，残疾人运动员们在运动场上使用的辅助器具往往是决定他们胜负的关键。2004年，南非田径选手奥斯卡·皮斯托瑞斯获得了2004年雅典残奥会200米短跑的金牌和100米短跑的铜牌。其中，他的百米短跑的成绩为10秒9，创造了该项目的残疾人世界纪录。在北京残奥会上，他一人独揽100米、200米、400米项目的3块金牌，是“残奥会上的博尔特”。

这位著名的短跑运动员生下来就缺少腓骨，一共只有4个脚趾。在脚部重塑和截肢之间，他的家人选择了后者。截肢后不到6个月，皮斯托瑞斯就能成功地借助义肢行走了。为了让孩子身体发育得更好，父母带着他参加各种体育运动。他曾先后打过网球、水球和橄榄球，还参加过摔跤等运动。身体的残疾对他进行体育运动的能力几乎没有影响。

2003年，皮斯托瑞斯在参加橄榄球比赛时膝盖不慎受伤，随后他便开始进行跑步康复，没想到这次康复训练却展露出了他的短跑天赋。于是，他放弃了心爱的橄榄球，转而参加田径训练。2004年，他转型成为一个职业运动员，主攻100米和200米短距离跑步项目。出人意料的是，皮斯托瑞斯仅仅经过短短3周的专业训练，就刷新了自己所在的T43/44级别的200米世界纪录。短跑仅仅训练了2个月，他便在100米项目中跑出了11秒51的成绩。

“刀锋战士”奥斯卡·皮斯托瑞斯

皮斯托瑞斯之所以能取得如此傲人的成绩，除了自身的努力训练外，还要感谢他膝盖下两条闪着寒光的黑色刀锋形状的高性能碳纤维簧片，他“刀锋战士”的称号正来源于此。这款运动假肢由冰岛一家名叫“奥索”的著名残障人器械公司研制，售价1.5万英镑。它呈“J”字形，与猎豹的后脚有几分相像，全称为“猎豹短跑脚”。它专为截肢运动员设计，能够模仿健全运动员脚部和踝关节的反应动作，储存和释放能量。但运动假肢重达4千克，由50～80层碳纤维构成。若想使用，运动员的腿与假肢中需要包裹厚厚的袜子。并且，腿和假肢的连接处在假肢顶端的插口背后，位置相当高，常人难以驾驭。由于价格昂贵且难以控制，全球的使用者不到300人。与运动时使用的假肢不同，在日常生活中，皮斯托瑞斯使用的是另一套仿生假肢，它看上去和正常腿没什么区别，覆有蜡质皮肤的小腿纹理看起来很自然。当然，这种仿生假肢同样价格不菲。

记忆功能是“猎豹短跑脚”最大的优点。它的发力方式与常人的腿脚不同——作用力传递到假肢后，假肢弯曲储存能量，随即恢复到原形，将97%的能量释放出来，整个过程模仿健全运动员腿部和踝关节的反应，其后程速度是正常人跑步所不能及的。皮斯托瑞斯奔跑时，假肢的着地面积非常小，只有几平方厘米。为了更适于跑步，“猎豹短跑脚”还增添了一个耐克跑鞋的鞋底。皮斯托瑞斯凭借它打破残疾人世界纪录近30次，400米项目的最好成绩是45秒61。

有媒体曾将皮斯托瑞斯形容为“游走于健全人和残疾人之间的人”。不同于那些穿着“鲨鱼皮”的游泳选手或是穿着跑鞋的跑步选手，他的义肢似乎已远远超出了“装备”的定义。国际田径联合会（以下简称“国际田联”）在现有的体育法律中找不出任何关于高科技装备对于选手辅助能力的明确限制条款，这就使国际田联陷入了“确保个体运动员的参赛权利”和“保证公平竞争环境”的两难取舍中。

为此，国际田联于2007年11月特意拨出5万美元的特别经费，委托德国科隆大学生物工程学研究所主任布鲁格曼教授研究判断皮斯托瑞斯的“猎豹短跑脚”是否会帮助他获得比正常人更多的优势，从而导致跑道上的不公平。为了深入剖析皮斯托瑞斯的跑步过程和他的“猎豹短跑脚”，研究人员在测试过程中使用了12部高速摄影机、3D扫描器及其他各种科学分析仪器。此外，研究团队还聘请了6名短跑运动员参加对照实验，以判断穿上假肢的皮斯托瑞斯与正常运动员是否存在区别。

皮斯托瑞斯的“猎豹短跑脚”

经过为期2天的测试，布鲁格曼教授得出如下结论：虽然跑步成绩接近，但皮斯托瑞斯本身的体能状况却没有其他选手突出；当到达相同速度时，他会比正常选手少支出25%的体能；不管是从垂直的地面反作用力还是冲击力来看，皮斯托瑞斯的假肢很明显与正常小腿踝关节的生物机械作用机制不同；就正向施力或反作用力而言，由“猎豹短跑脚”所产生的力超过正常踝关节的3倍。

其他科学家也提出了类似看法。有人认为，皮斯托瑞斯由于没有双腿，肌肉在奔跑中产生的乳酸比正常选手少，所以不易感到疲劳。还有人提出，正常选手都是前200米速度更快，后200米由于疲劳而导致速度减慢，但皮斯托瑞斯则刚好相反，其后200米的速度正常选手难以达到，不公平的现象可能确实存在。

2008年1月，国际田联发布了禁止皮斯托瑞斯使用“猎豹短跑脚”参加国际田联各项比赛的决定，其中也包括2008年北京奥运会。皮斯托瑞斯和他的教练对此决定予以辩驳，同时指出“猎豹短跑脚”并没有给他带来更多优势，反而添了不少麻烦。例如，碰到雨天，义肢与身体的连接容易出现问题。再如，起跑后至少30米，他才能找到节奏，起跑速度与正常选手相差甚远。还有就是膝盖不能灵活弯曲，限制了力量的爆发。对此，皮斯托瑞斯強调，自己每天的训练安排与高水平田径运动员完全一样，成绩是苦练出来的。

国际体育仲裁法庭与皮斯托瑞斯站在一起，于2008年5月16日作出一项裁决——取消国际田联禁赛的决定。之后，国际田联也迅速作出回应，表示尊重国际体育仲裁法庭的裁决，允许“刀锋战士”继续参加包括2008年北京奥运会在内的健全人比赛，前提是他要达到奥运会参赛标准。可惜的是，在各方的压力之下，他最终没能在资格赛中跑出合格的成绩，无缘2008年北京奥运会。

对此，皮斯托瑞斯表示：“错过北京奥运会是我最大的遗憾，不过这件事为像我这样的残疾人开创了先例，留下了希望。我从小就喜欢跑步，这是我生命中的全部。作为运动员，我特别渴望追求新的高度，更渴望像健全人那样参加奥运会。”在此之后，他坚定地把训练重点放在2012年伦敦夏季奥运会上。最终，27岁的皮斯托瑞斯实现了自己的终极梦想，成为奥运会历史上第一位双腿截肢的运动员。

宝马轮椅助力选手夺冠

说到女子马拉松，少有运动员的成就能像美国的塔季扬娜·麦克法登那样辉煌——她总共赢得了17枚残奥会奖牌，其中包括7枚金牌、7枚银牌与3枚铜牌。此外，她还获得了23项世界马拉松冠军，并打破了5项世界纪录。麦克法登出生在俄罗斯圣彼得堡，出生时就患有脊柱裂的发育缺陷，腰部以下完全瘫痪。父母将她遗弃在一家孤儿院里，医生们一度认为这个女孩只能存活几天。在孤儿院度过的6年时光里，她无法得到妥善的医疗照护，只能用手走路。小姑娘当时并不知道，为了移动自己的身躯而意外练就的强有力的手臂，在将来的某一天会让她成为世界上最伟大的运动员之一。1994年，她被在美国卫生部门担任残疾人专员的黛比·麦克法登收养。之后，她移居美国，并开始从事体育运动。令人意想不到的是，自第一次坐上轮椅后，她便迷上了轮椅竞速。

2004年，15岁的麦克法登代表美国队出征雅典残奥会，首战就获得了100米轮椅竞速的银牌和200米轮椅竞速的铜牌。之后，她又在2008年北京残奥会上获得4枚奖牌。2013年，她在世锦赛中登上事业巅峰，成为第一位在锦标赛上获得6枚金牌的运动员。在2016年里约热内卢残奥会上，她再创佳绩，获得4枚金牌与2枚银牌。2021年1月，Women's Running杂志将麦克法登评选为第24届“年度杰出女性”之一。对此，她感叹道：“直到投入运动生涯的15年之后，我才终于感到自己是一名真正的运动员。”

在2016年里约热内卢残奥会的轮椅竞速比赛中，麦克法登借助德国汽车制造商——宝马公司旗下的创意设计公司Designs Works USA为她定制的高技术竞赛轮椅强势夺冠。“新技术的应用，提升了我在比赛中的稳定性和操控性，科学的空气动力学在赛场上也为我助了一臂之力。”此外，她在赛后还大方地承认：“哪怕只有这么一点优势，在竞速类项目中也十分重要。”

塔季扬娜·麦克法登在2016 年里约热内卢残奥会上利用宝马定制的高技术比赛轮椅强势夺冠

宝马公司研发的竞赛轮椅看起来有点像F1 赛车

作为残奥会最受关注的比赛项目之一，轮椅竞速比赛中使用的竞赛轮椅在比赛的获胜中起到关键的作用。通过与美国残奥队合作，宝马公司为2016年里约热内卢残奧会打造的这款高科技碳纤维竞赛轮椅，的确在赛场上发挥了不同凡响的作用。说到宝马，大多数人可能首先会想到汽车，而摩托车爱好者则会联想到“水鸟”、S1000RR或者那硕大有力的水平对置双缸发动机。但是，很少有人会想到一种很轻、很快且零排放的轮椅。实际上，这是宝马公司与美国残奥队6年合约中的第4个项目。此前，由宝马公司设计的雪橇也曾帮助美国队在2014年索契冬奥会上取得了一银两铜的成绩。同时，宝马公司还曾为美国游泳队开发了运动表现跟踪系统。

“制造商会为环法自行车赛打造自行车，因为他们知道，许多热情的消费者会购买这类自行车。”Design Works USA助理总监布拉德·克拉契拉表示，“与奥运会相比，残奥会受到的关注就比较少了。因此，在运动员的装备方面，制造商也缺乏创新的动力，很难看到公司在竞赛轮椅上取得创新成果。很多产品虽然品牌不同，但是本质相似。我们所要做的，就是帮助残疾人运动员发挥出最佳水平。”

设计初期，宝马公司就从公司内部寻找设计人员，然而这些人对竞赛轮椅一无所知。不过这正是该团队所需要的——空白的经验可以减少先入为主的观念。设计团队表示只关注3点——空气动力学、底盘的刚度，以及它如何适应运动员的身体。研发人员结合过往的自行车设计经验，以及在空气动力学、转向系统和制动系统方面的专长，开发了这款竞赛轮椅。从外形上看，它其貌不扬，但是平凡的外表之下蕴含着许多前沿技术。这款竞赛轮椅看起来有点像F1赛车，长而低，呈三角形，不但速度更快，而且舒适性更好。

宝马公司通过3D 打印技术为竞速轮椅运动员制作的比赛手套

基于人体动力学的考虑，设计团队请来残疾人运动员，通过三维扫描进行测量，随后在计算机上设计出模型，从空气动力学角度对轮椅进行优化，最终设计出了一个让运动员与轮椅紧密结合的形状，并将它通过3D技术打印成实物。就连运动员的手套也是3D打印的成果，以最大限度地满足设计需求。

这款竞赛轮椅使用的是碳纤维的合金材质，在同样质量的情况下要比铝合金车架更坚固。在保证刚性的同时，也最大限度地降低了车辆自重，有助于保持车轮的平稳运行。一开始，有设计人员并不认同这是个关键因素，但是经过后来的研究发现，这的确会影响速度。为了进一步减轻质量，研发人员还把轮椅上能够去除的东西全部摘掉，前轮毂已经细到极致。除此之外，作为竞速类项目，还必须考虑风阻给轮椅带来的影响。研究发现，由于结构上的局限，有50%的空气流通方式是不能发生改变的。设计人员就在剩下的50%中进行了微调，最终通过定风翼的介入以及重新设计的框架，降低了15%的风阻。

松下机器人神通广大

在2020年东京残奥会上，松下集团赞助的3款可穿戴动力外骨骼机器人“ATOUN MODEL Y” “ATOUN HIMICO”和“ATOUN MODEL Y + kote”发挥了重要作用。除了减轻赛场工作人员的身体负担、提高工作效率之外，可穿戴动力外骨骼机器人还能帮助残疾人运动员做辅助活动，增强他们参赛的安全感，获得了一致好评。据松下集团负责机器人推进课的黑川崇裕介绍，动力外骨骼机器人之所以能穿戴在人身上，是因为传感器感知了使用者手脚的动作，而后马达被激活，以支持肌肉力量。这3款可穿戴动力外骨骼机器人用锂电池提供动力，仅需充电90分钟，就可持续工作4小时。

“ATOUN MODEL Y”采用了倒Y形的设计，用碳纤维材料打造，配备2个独立控制的电动马达。它能够像背包一样穿在人的胸部和大腿上，以减轻腰部负担。与传统的辅助设备相比，它的质量很轻，仅3.5千克，加上电池，也才4.5千克，还通过了IP55防水认证。工作原理方面，“ATOUN MODEL Y”先用传感器读取人体腰部的活动数据，再由左右两边的马达自动切换，精细控制，支撑辅助人员操作。

在2020年东京残奥会上，辅助人员在举重赛场更换杠铃片时会穿戴“ATOUN MODEL Y”。残疾人力量举重是一种由下肢功能障碍选手参加的卧式推举比赛。男子举重项目为49千克级到107+千克级，而女子举重项目为41千克级到86+千克级，各自有10个级别。比赛中辅助人员需要根据不同千克级对杠铃片进行更换和拆增。正式比赛中使用的杠铃片单个质量为10～50千克，现场虽然有多名辅助人员对其进行更换，但是在大型比赛中，一名辅助人员一般需要更换杠铃片100次以上，工作量非常大。

“ATOUN MODEL Y”以3种模式运行，并可以自动切换。在辅助模式下，它可以在使用者弯腰前屈、搬起物体并直立的过程中适当地拉动其身体。采用行走模式时，它可以适度关闭电机，以最大限度地减少行走时的阻力。一旦使用者再次弯腰放下物体，外骨骼系统又会立即介入，启用制动模式。当使用者向前倾斜时，“ATOUN MODEL Y”会提供腰部支撑。在抬起或搬运重物时，它能为腰部提供最大10千克的助力，“上坡”时将最大功率提升19%，“爬楼”时提升17.8%，“崎岖地形行走”时提升30.7%。集成的微处理器能够将姿势等变量进行综合考虑，以提供个性化的支持。

“ATOUN HIMICO”是一种能在行走时提供自然帮助的机器人，自重仅3.5千克。与传统的辅助设备相比，它在没有任何帮助的情况下更容易穿上和使用。它利用传感器检测出行走时的动作，通过腰部的马达与双膝连接的钢丝加强步行中的腿部力量，减轻长时间步行的疲劳，有助于残疾人运动员轻松地进入日常的训练中。

增加腕力功能的改进型机器人“ATOUN MODEL Y + kote”在“ATOUN MODEL Y”的基礎上追加了臂力功能。它的肩部马达与手部钢丝合力伸缩，在提取和搬运重物时支撑手臂，既提高工作效率，又减轻辅助人员的疲劳感。在2020年东京残奥会上，“ATOUN MODEL Y + kote”用于帮助辅助人员在铅球场地捡拾铅球。

松下设计的可穿戴动力外骨骼机器人『ATOUN MODEL Y+kote』（ 左） 和『ATOUN MODEL Y』（ 右）

此外，日本筑波大学工程学教授山海嘉之领导发明了一种用高科技装备的人体辅助义肢（HAL），可以帮助我们突破身体的极限。它看上去像装在人体上的脚手架，能附着在身上。这种仿生机械构造的内部设有电脑控制系统、驱动器和传感器。传感器能够接触人体皮肤表面，侦测生物电流。当使用者想做某个动作时，传感器就能捕捉到大脑发出的控制肌肉的电子神经信号。接着，电脑控制系统会发出指令，相关部位的驱动器就会进入工作状态，驱动义肢做出与人体协调一致的动作。

借助这种高科技辅助义肢，手无缚鸡之力的人也能抱起70～80千克的物体，或背起100多千克的重物。除此之外，它还能帮助残疾人行走。20年前，日本男子内田清司在一次交通事故中受伤，导致颈部以下高位截瘫。尽管身体不便，但他始终憧憬着有朝一日能登上布来特峰。正是由于HAL的出现，一个名为“松本”的男子才能背着内田清司进行登山。虽然他们最终没能登上这座雪山的峰顶，但他们到达了海拔4164米左右的地方。这次登山是对HAL的一次很好的检验。