来源:环球科学

  撰文:石云雷

  审校:吴非

图片来源:弗雷迪·西奇廷(Freddy Sichting)图片来源:弗雷迪·西奇廷(Freddy Sichting)

  一些常见的运动鞋或者老年健步鞋会有一个特征——具有鞋尖翘度。这种鞋会让人走路时更加轻松,但是哈佛大学的科学家注意到这样的鞋尖设计,并不符合人脚的演化规律。在近期一项发表于《科学报告》的研究中,他们表示这种鞋之所以让人感觉走路轻便,或是将受力转移到了脚的其他部位,而这种转变可能是一些脚部疾病的起因。

  可疑的轻便感

  据考古学证据,鞋子大约在4万年前进入了人类社会。到如今,鞋子已经演变出各种款式。一双优秀的鞋可以缓解行走、运动给双脚、膝盖带来的冲击,防止脚部皮肤、骨骼损伤,并起到适当的保暖效果。除此之外,一些鞋会通过特殊的鞋底设计,让人在行走时十分轻便或者脚底十分舒适。   

  在行走特别是在运动时,鞋对双脚和身体的影响会比看上去的更加复杂。卡尔加里大学生物力学专业的名誉教授本诺·尼格(Benno Nigg)长期致力于研究运动时运动鞋对人体的影响。他发现,相比于穿一些特殊设计的鞋来达到减震、缓冲的效果,跑步者根据直觉选择自己认为舒服的鞋子以及适合自己的跑步方式,对双脚造成的损伤才是最小的。

哈佛大学的人类学家丹尼尔·E·利伯曼哈佛大学的人类学家丹尼尔·E·利伯曼

  长期跑马拉松的哈佛大学人类学家丹尼尔·E·利伯曼(Daniel E。 Lieberman),对光脚和穿鞋在跑步中对双脚的影响,也具有浓厚的兴趣。在2010年和2019年,他的研究团队分别在《自然》上发表了两项关于光脚跑步的研究。他们发现,相比于穿鞋,光脚跑步时,双脚能产生更好的缓冲作用。虽然光跑行走和跑步会导致脚上长出厚茧,但这不会降低脚的敏感性。

具有鞋尖翘度的运动鞋。(图片来源:Sichting et al。, 2020)具有鞋尖翘度的运动鞋。(图片来源:Sichting et al。, 2020)

  最近,利伯曼与他之前的博士生弗雷迪·西奇廷(Freddy Sichting,目前是德国开姆尼茨工业大学的人类运动学教授)研究了一个被本诺·尼格忽略,但在运动鞋中常见的特征——鞋尖翘度——对双脚的影响。具有鞋尖翘度的鞋子在生活中十分常见,例如一些常见的运动鞋或者老年健步鞋。在设计上,这些鞋子的鞋尖翘起成一定的角度,当人穿上这些鞋子走路或跑步时会更加轻松。而这类鞋也常被一些商家推荐为适合于跑步、爬山和旅行等多种运动。近期,利伯曼和西奇廷在《科学报告》发表了一项研究,表示从人类演化的角度来看,这种轻松的感觉可能并不简单。

  脚在行走时的状态

  在人类的直立行走中,跖趾关节(metatarsophalangeal joints,MTP)扮演着十分关键的作用。它将人的脚趾与脚的其它部位相连,能使得双脚在行走和跑步中更加平稳、迅速。一项发表于1954年的研究认为,当跖趾关节向上弯曲时,连接着脚趾骨和跟骨的足底腱膜(plantar aponeurosis)会变得更加紧绷,从而产生一个向上的力,来抵消脚纵弓承受的一部分压力,从而让双脚在前进中更加稳定。

  当人们穿上一双鞋尖向上翘起的运动鞋时,跖趾关节会顺着鞋尖翘起的弧度向上翘起,会产生相似的效果。而行走更加轻盈的感觉,正是由于脚纵弓承受的压力减少所导致的。西奇廷说:“从演化学的观点来看,人类穿上现代这些具有足弓支持、缓冲和其他支撑作用的鞋,还是一种很短期的现象。”人的双脚在演化过程中主要适用于在平行地面行走,这种脚尖向上翘起的行走方式或具有一些危害性。

当穿上有鞋尖翘度的鞋时,足底腱膜会紧绷(图片来源:Sichting et al。, 2020)当穿上有鞋尖翘度的鞋时,足底腱膜会紧绷(图片来源:Sichting et al。, 2020)

  在新研究中,利伯曼和西奇廷通过一项小型实验,测试了这类鞋在人行走时对双脚的影响。他们分别让13位参与者光脚或穿上脚尖翘度为10°、20°、30°和40°的凉鞋。鞋尖弯曲的角度和鞋底硬度模仿了市面上可以购买的鞋。当参与者在跑步机上行走时,他们通过压力板和红外仪等设备记录下这些人行走时所需要的力,以及脚上各部分关节的变化。

当将穿鞋的脚翻转时,这种紧绷感类似于高跟鞋对脚产生的效果。放大图中的两个力分别为足底肌肉产生的拉力(左)和地面对脚的作用力(右)。(图片来源:Sichting et al。, 2020)当将穿鞋的脚翻转时,这种紧绷感类似于高跟鞋对脚产生的效果。放大图中的两个力分别为足底肌肉产生的拉力(左)和地面对脚的作用力(右)。(图片来源:Sichting et al。, 2020)

  研究者发现,在行走开始阶段,即用脚发力的过程中,鞋尖翘度会明显影响跖趾关节的弯曲范围,限制其活动范围。相比于光脚和脚尖翘度最小(10°)的凉鞋,鞋的翘度增加时,人的双脚在行走时所做的负功会明显减少。这时,跖趾关节和脚纵弓周围肌肉的运动明显减少了。这些肌肉原本需要活动来维持这些结构的平衡,让双脚在行走和跑步中更加稳定。

  虽然在研究中,这些肌肉的活动改变只是轻微的,但当我们穿上这些鞋每天行走数千步时,随着量的累积,这些肌肉的活动会明显减少,进而导致其强度减弱甚至丧失功能。利伯曼表示,这会进一步降低脚的耐受力,进而导致过度使用脚时,出现一系列损伤以及患足底筋膜炎(plantar fasciitis)等脚部疾病的风险增加。

  疾病产生的原因

  足底筋膜炎是一种常见于大量锻炼的跑步运动员或中老年人的脚部疾病。足底腱膜由于长期活动会出现微损伤和一些小型炎症,当这一状况逐渐累积时,会形成足底筋膜炎。症状发作时,脚底常会出现尖锐的疼痛。为什么长期穿着鞋尖上翘的运动鞋,患足底筋膜炎的风险就会增加呢?

  利伯曼解释道:“我们认为其中的原因是,当人们运动时,原本需要依赖脚上肌肉做的事情,会转移到了足底筋膜上。当脚上的肌肉变得越弱,足底筋膜将需要承担更多的工作。但是,足底筋膜并没有真正演化出这部分的功能,所以它会发炎。”随着这一过程的累积,会进一步导致脚出现多种损伤,甚至形成足底筋膜炎。

  考虑到实验的研究样本较少,他们还表示需要在这一方向上进行更多的研究。目前这项研究也并不足以证实,鞋尖翘度与足底筋膜炎和其他脚部问题具有直接的联系。而除此之外,他们也将进一步研究鞋尖翘度如何影响鞋的硬度和缓冲垫对双脚的影响。当然,出于谨慎考虑,我们或许可以穿没有鞋尖翘度或角度较小的鞋,特别对于跑步、打篮球等特别费脚的活动。


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