【科技.未來】泡棉技術革新 如何成就「神級」跑鞋?

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自肯尼亞馬拉松跑手傑祖基(Eluid Kipchoge)穿上Nike Vaporply厚底跑鞋大幅度打破世界紀錄、並成為首名在兩小時內跑完全馬的人類後,這系列跑鞋迅即成為全球跑手新寵,並橫掃各大馬拉松賽場。到底這些跑鞋有何能耐被奉為「神級」?

承振上文︰【科技.未來】衝擊馬拉松賽規 高科技跑鞋助人類突破極限

猶如在彈床上跑步

備受爭議的Vaporfly,鞋底由一大塊柔軟而極具彈性的泡棉製成,內藏一塊碳纖維硬板,鞋款取名4%,是因為聲稱可提升跑步效率(running economy)4%。Nike的文宣聲稱其技術可給予跑手「被推進向前的感覺」,是「我們製作過最快的鞋」,全因一個「內在的秘密武器」:「全掌式碳纖維鞋底墊片,帶來推進感,助你疾飛勁走。」

美國密歇根大學運動機能學家Geoff Burns談及他試穿Vaporfly的感覺:「泡棉非常有彈性,很柔軟,但當你開始移動,你可以感覺它因應步足而壓縮,然後回饋能量給你。有了那碳板,你會覺得自己好像向前撲,鞋會推進你的動向。這雙鞋就好像在懇求你穿起來跑並且跑得很快,它給我的印象非常真確,沒有過分推銷。」去年的芝加哥馬拉松參賽選手Jake Riley形容,穿上Vaporfly跑步的感覺就像「在彈床上跑步」。

厚底是Vaporfly跑鞋的特徵,不同研究顯示,這柔軟而具彈性的泡棉可有助提高跑步效率4%。(Getty Images)

Nike的聲稱背後有研究支持。2017年,一項由Nike資助的獨立研究發現,跑鞋可減少跑手消耗的能量,繼而提升跑步效率高達4.2%;18名參與測試的跑手穿上Vaporfly時,比起穿着另外兩款沒有使用該泡棉和碳纖維板的Nike和Adidas跑鞋使用較少能量,相關結果刊於《運動醫學》(Sports Medicine)期刊。

現時沒有關於馬拉松和跑鞋的大型隨機對照實驗,《紐約時報》就把Strava上2014年4月至2019年12月共57.7萬全馬及49.6萬半馬賽事的數據,以四種方式,即統計模型、研究穿着相同跑鞋的跑手群組、追蹤跑手轉換跑鞋前後成績及推算跑手換鞋後成績,分析Vaporfly的效能,結論是穿這系列跑鞋的跑手比能力相約、但穿着其他跑鞋的跑手快3至4%,「兩個能力相同的馬拉松選手進行比賽,穿上Vaporfly的跑手會比沒有穿着的對手具優勢。」

Nike Vaporfly系列跑鞋結構(香港01製圖)

Vaporfly不止對於這些即便不穿也可能獲勝的精英跑手有利。上述2017年那項研究的作者之一、科羅拉多大學波德分校(UCB)生物力學家Wouter Hoogkamer曾研究Vaporfly對業餘跑手的影響,結果在去年2月於《生理學前沿》(Frontiers in Physiology)期刊發表,研究發現每英里需花九分鐘或以上的跑手,比起頂尖跑手(每英里花四分鐘以內)有更高比率的速度提升。

Nike從未透露Vaporfly技術的秘密,只曾在一則簡短聲明中說:「NEXT%和4%的魔法是一整套系統及所有元素共同發揮的作用,而非任何獨立成份。」 Hoogkamer指出:「我們的研究顯示,第一代Vaporfly透過兩點來節省能量:鞋的中底泡棉及夾在其中的碳纖維板。」他的團隊在2017年發表對Vaporfly的研究,顯示其中底所用的泡棉異常柔軟和具彈性,可令它們有效地吸收跑手每步施加的能量並將之回饋。

有學者推測,Vaporfly跑鞋內藏的碳纖維板,可有助跑手減少能量消耗。惟確實效果必需以更精密的實驗才可得知。(Nike)

研究亦顯示碳纖維板有其作用,但與很多人的想像不同。Vaporfly剛披露時,部份批評者猜測碳纖維板的作用就如彈弓一般,但Hoogkamer發現其真正作用在於透過穩定關節和減少小腿負擔來改善跑手的足踝力學。同時,它的剛性有助保持跑手的腳趾伸直,令身體毋須花力收緊,從而減少消耗能量。Burns補充:「那塊超輕泡棉重新定義了何謂最恰當的海棉份量。它更輕、能回饋更多能量,令身體負擔更少,比其他跑鞋優勝的同時,並無增加整體重量,而腳長卻多了1.5厘米,這是一種優勢。」

但這些研究也未能充分回答Vaporfly令跑手更有效率的確實原因。Hoogkamer說,他的研究「最大限制是無法以一雙一樣的跑鞋,測試有碳板和沒有碳板,又或兩種不同泡棉的分別。若你真的想要回答它為什麼可以省力,就要設計一個實驗,可以從整體方程式中加加減減這些元素來測試。」

Vaporfly的成績改變了跑鞋研發的趨勢。在2010年創立跑鞋品牌On Running的Olivier Bernhard回想:「那時,我們開始研發鞋底時,會專注於緩震方面,現在你跟任何人談起,都是關於耐久、柔軟和回彈。」

EVA是跑鞋幾十年來都在使用的泡棉材料。(Wikimedia Commons)

源於泡棉技術革新

事實上,作為跑鞋主要技術的中底泡棉近五十年來幾乎沒有任何變化,直到最近幾年才有所改進。從Nike創辦人之一Bill Bowerman設計的元祖Nike Cortez跑鞋到現時大部份鞋款,都是選用乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)來製作泡棉。EVA是理想的中底物料,它製成的泡棉十分輕巧,並可提供很好的緩震效果,更重要的是便宜,且製作過程容易,但EVA也有其缺點,其性能十分取決於溫度,炎熱天氣下感覺就像棉花糖,寒冷時則會變硬而失去緩震效果,而且壓縮永久變形(compression set)相對較高,亦即很快會損耗而永久失去緩震效果。此外,雖然EVA是一個好的緩震物料,但在能量回饋方面不太理想。

泡棉供應商無法完全克服這些因化學特性而來的「先天」限制,只可以微調EVA的性能。Polymer Solutions創辦人兼跑手Jim Rancourt把乙烯和乙酸乙烯酯類比為兩種不同顏色的積木,兩者只會以隨機的規律連接而成,故EVA是所謂的「隨機共聚物」(random copolymer)。廠商可改變基礎比例來控制如柔軟度等特性,也可注入較多或較少份量到塑膠模中來改變泡棉的密度,但要突破這些「先天」限制,較理想的做法是把EVA混合其他物料,又或是以另一種物料取而代之。

Adidas以德國化工公司巴斯夫(BASF)的Infinegy泡棉取代EVA製作跑鞋中底,2013年推出Boost系列。(Getty Images)

多年來,鞋廠一直嘗試尋找替代物料,美國運動鞋製造商Saucony副主席兼人類表現與創新實驗室主管Spencer White聲稱,公司在上世紀八十年代曾以杜邦(DuPont)化工公司一種名為Hytrel的物料測試,彈性與他們現時研發中的泡棉相約,只是從未成功降低以其生產跑鞋中底的成本。到2007年,德國化工公司巴斯夫(BASF)成功把TPU(熱塑性聚氨酯)製成細小、壓縮後可快速回彈的顆粒,並把產品稱為Infinergy,但一直未能找到應用之處,直至他們成功將這些顆粒接合成單層泡棉後,才與Adidas簽訂運動鞋獨家授權,以之製成運動鞋鞋底Boost,在2013年推出。

真正為跑鞋帶來革命性轉變的,可能是法國化工公司Arkema研發的Pebax塑膠。其實,它早於上世紀八十年代面世,它可為堅硬的雪靴增加少許彈性,也用於心臟導管,直到2004年它才作為泡棉獲得專利,Nike和Reebok最先將之應用到跑鞋。TPU和Pebax都是所謂嵌段共聚物(block copolymer)而有其性能優勢。Pebax也像是Rancourt的類比般由一塊塊「積木」組成,但它不是EVA般隨機排列的,而可以把一串串同色的積木連接成鏈,並改變長度,準確地交替硬和軟的部份,以控制緩震和回彈的份量。

相比EVA,Pebax和TPU在不同溫度下功能更為穩定。其中Pebax的能量回饋更佳,但不夠耐用。(Nike)

Pebax和TPU,又或其他嵌段共聚物各有優劣。Arkema表示,Pebax比使用TPU的泡棉(例如Boost)輕20%;但TPU則比Pebax和EVA的壓縮永久變形較低,因而使用壽命較長。兩者比EVA更好之處,是在不同溫度下都表現穩定。而Pebax的真正優勢在於其「能量回饋」,即能量損耗較少。任何泡棉中底都會在跑手腳掌施力時壓縮,儲存一定能量,在腳掌鬆開時回彈釋放。以EVA製作中底的跑鞋能量回饋率一般最高為65%至70%;用TPU的可達70%至76%。《跑者世界》測試過能量回饋最好的兩對,是Nike的Vaporfly 4%和4% Flyknit,可達82%(據Hoogkamer的測試更高達87%)。但Pebax有兩大缺點:成本高和容易壓縮永久變形,對每對售價高達250美元的Vaporfly來說,只能跑約320公里,令它顯得格外昂貴。

Nike跑鞋在科研和實戰上的成功,加上行銷上的「猛攻」,促使其他鞋廠爭相開發自家跑鞋泡棉技術。例如Saucony多年來測試過幾十種泡棉,更幾乎在Adidas取得獨家合同之前使用Boost;On Running的CloudTec系統使用新配方泡棉如Helion;Reebook在其Floatride跑鞋中底使用Pebax;Under Armour在其Hovr系列使用名為Infuse的TPU泡棉;Skechers的Hyper Burst泡棉是加入了二氧化碳的EVA;Brooks在其Levitate跑鞋的DNA AMP中就用了巴斯夫另一種稱為Elastopan的聚氨酯泡棉。

近年各大運動廠商,均加快研發出更具彈性的跑鞋泡棉。(Under Armour)

Vaporfly的成功令穿着其他品牌跑鞋的跑手感到不滿。《華爾街日報》分析自2016年起的比賽結果後發現,自Vaporfly系列推出之後,Adidas贊助的跑手贏取主要馬拉松賽事的數量減少了一半。跑鞋評測網站RunRepeat.com創辦人Jens Jakob Andersen表示,Vaporfly深受跑手喜愛,批評其他鞋廠反應過慢:「跑鞋品牌反應被動,明明應該採取主動。當然,它們年年都申請專利。若我們比較今天和十年前的跑鞋,確實有些創新,但創新的速度慢得可憐。」

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上文節錄自第201期《香港01》周報(2020年2月17日)《衝擊馬拉松賽規 成功避過禁令 高科技跑鞋 跨越人類極限》。

更多周報文章︰【01周報專頁】

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