【科技．未来】泡棉技术革新 如何成就“神级”跑鞋？
自肯尼亚马拉松跑手杰祖基（Eluid Kipchoge）穿上Nike Vaporply厚底跑鞋大幅度打破世界纪录、并成为首名在两小时内跑完全马的人类后，这系列跑鞋迅即成为全球跑手新宠，并横扫各大马拉松赛场。到底这些跑鞋有何能耐被奉为“神级”？
承振上文︰【科技．未来】冲击马拉松赛规 高科技跑鞋助人类突破极限
犹如在弹床上跑步
备受争议的Vaporfly，鞋底由一大块柔软而极具弹性的泡棉制成，内藏一块碳纤维硬板，鞋款取名4%，是因为声称可提升跑步效率（running economy）4%。Nike的文宣声称其技术可给予跑手“被推进向前的感觉”，是“我们制作过最快的鞋”，全因一个“内在的秘密武器”：“全掌式碳纤维鞋底垫片，带来推进感，助你疾飞劲走。”
美国密歇根大学运动机能学家Geoff Burns谈及他试穿Vaporfly的感觉：“泡棉非常有弹性，很柔软，但当你开始移动，你可以感觉它因应步足而压缩，然后回馈能量给你。有了那碳板，你会觉得自己好像向前扑，鞋会推进你的动向。这双鞋就好像在恳求你穿起来跑并且跑得很快，它给我的印象非常真确，没有过分推销。”去年的芝加哥马拉松参赛选手Jake Riley形容，穿上Vaporfly跑步的感觉就像“在弹床上跑步”。
Nike的声称背后有研究支持。2017年，一项由Nike资助的独立研究发现，跑鞋可减少跑手消耗的能量，继而提升跑步效率高达4.2%；18名参与测试的跑手穿上Vaporfly时，比起穿着另外两款没有使用该泡棉和碳纤维板的Nike和Adidas跑鞋使用较少能量，相关结果刊于《运动医学》（Sports Medicine）期刊。
现时没有关于马拉松和跑鞋的大型随机对照实验，《纽约时报》就把Strava上2014年4月至2019年12月共57.7万全马及49.6万半马赛事的数据，以四种方式，即统计模型、研究穿着相同跑鞋的跑手群组、追踪跑手转换跑鞋前后成绩及推算跑手换鞋后成绩，分析Vaporfly的效能，结论是穿这系列跑鞋的跑手比能力相约、但穿着其他跑鞋的跑手快3至4%，“两个能力相同的马拉松选手进行比赛，穿上Vaporfly的跑手会比没有穿着的对手具优势。”
Vaporfly不止对于这些即便不穿也可能获胜的精英跑手有利。上述2017年那项研究的作者之一、科罗拉多大学波德分校（UCB）生物力学家Wouter Hoogkamer曾研究Vaporfly对业余跑手的影响，结果在去年2月于《生理学前沿》（Frontiers in Physiology）期刊发表，研究发现每英里需花九分钟或以上的跑手，比起顶尖跑手（每英里花四分钟以内）有更高比率的速度提升。
Nike从未透露Vaporfly技术的秘密，只曾在一则简短声明中说：“NEXT%和4%的魔法是一整套系统及所有元素共同发挥的作用，而非任何独立成份。” Hoogkamer指出：“我们的研究显示，第一代Vaporfly透过两点来节省能量：鞋的中底泡棉及夹在其中的碳纤维板。”他的团队在2017年发表对Vaporfly的研究，显示其中底所用的泡棉异常柔软和具弹性，可令它们有效地吸收跑手每步施加的能量并将之回馈。
研究亦显示碳纤维板有其作用，但与很多人的想像不同。Vaporfly刚披露时，部份批评者猜测碳纤维板的作用就如弹弓一般，但Hoogkamer发现其真正作用在于透过稳定关节和减少小腿负担来改善跑手的足踝力学。同时，它的刚性有助保持跑手的脚趾伸直，令身体毋须花力收紧，从而减少消耗能量。Burns补充：“那块超轻泡棉重新定义了何谓最恰当的海棉份量。它更轻、能回馈更多能量，令身体负担更少，比其他跑鞋优胜的同时，并无增加整体重量，而脚长却多了1.5厘米，这是一种优势。”
但这些研究也未能充分回答Vaporfly令跑手更有效率的确实原因。Hoogkamer说，他的研究“最大限制是无法以一双一样的跑鞋，测试有碳板和没有碳板，又或两种不同泡棉的分别。若你真的想要回答它为什么可以省力，就要设计一个实验，可以从整体方程式中加加减减这些元素来测试。”
Vaporfly的成绩改变了跑鞋研发的趋势。在2010年创立跑鞋品牌On Running的Olivier Bernhard回想：“那时，我们开始研发鞋底时，会专注于缓震方面，现在你跟任何人谈起，都是关于耐久、柔软和回弹。”
源于泡棉技术革新
事实上，作为跑鞋主要技术的中底泡棉近五十年来几乎没有任何变化，直到最近几年才有所改进。从Nike创办人之一Bill Bowerman设计的元祖Nike Cortez跑鞋到现时大部份鞋款，都是选用乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（EVA）来制作泡棉。EVA是理想的中底物料，它制成的泡棉十分轻巧，并可提供很好的缓震效果，更重要的是便宜，且制作过程容易，但EVA也有其缺点，其性能十分取决于温度，炎热天气下感觉就像棉花糖，寒冷时则会变硬而失去缓震效果，而且压缩永久变形（compression set）相对较高，亦即很快会损耗而永久失去缓震效果。此外，虽然EVA是一个好的缓震物料，但在能量回馈方面不太理想。
泡棉供应商无法完全克服这些因化学特性而来的“先天”限制，只可以微调EVA的性能。Polymer Solutions创办人兼跑手Jim Rancourt把乙烯和乙酸乙烯酯类比为两种不同颜色的积木，两者只会以随机的规律连接而成，故EVA是所谓的“随机共聚物”（random copolymer）。厂商可改变基础比例来控制如柔软度等特性，也可注入较多或较少份量到塑胶模中来改变泡棉的密度，但要突破这些“先天”限制，较理想的做法是把EVA混合其他物料，又或是以另一种物料取而代之。
多年来，鞋厂一直尝试寻找替代物料，美国运动鞋制造商Saucony副主席兼人类表现与创新实验室主管Spencer White声称，公司在上世纪八十年代曾以杜邦（DuPont）化工公司一种名为Hytrel的物料测试，弹性与他们现时研发中的泡棉相约，只是从未成功降低以其生产跑鞋中底的成本。到2007年，德国化工公司巴斯夫（BASF）成功把TPU（热塑性聚氨酯）制成细小、压缩后可快速回弹的颗粒，并把产品称为Infinergy，但一直未能找到应用之处，直至他们成功将这些颗粒接合成单层泡棉后，才与Adidas签订运动鞋独家授权，以之制成运动鞋鞋底Boost，在2013年推出。
真正为跑鞋带来革命性转变的，可能是法国化工公司Arkema研发的Pebax塑胶。其实，它早于上世纪八十年代面世，它可为坚硬的雪靴增加少许弹性，也用于心脏导管，直到2004年它才作为泡棉获得专利，Nike和Reebok最先将之应用到跑鞋。TPU和Pebax都是所谓嵌段共聚物（block copolymer）而有其性能优势。Pebax也像是Rancourt的类比般由一块块“积木”组成，但它不是EVA般随机排列的，而可以把一串串同色的积木连接成链，并改变长度，准确地交替硬和软的部份，以控制缓震和回弹的份量。
Pebax和TPU，又或其他嵌段共聚物各有优劣。Arkema表示，Pebax比使用TPU的泡棉（例如Boost）轻20%；但TPU则比Pebax和EVA的压缩永久变形较低，因而使用寿命较长。两者比EVA更好之处，是在不同温度下都表现稳定。而Pebax的真正优势在于其“能量回馈”，即能量损耗较少。任何泡棉中底都会在跑手脚掌施力时压缩，储存一定能量，在脚掌松开时回弹释放。以EVA制作中底的跑鞋能量回馈率一般最高为65%至70%；用TPU的可达70%至76%。《跑者世界》测试过能量回馈最好的两对，是Nike的Vaporfly 4%和4% Flyknit，可达82%（据Hoogkamer的测试更高达87%）。但Pebax有两大缺点：成本高和容易压缩永久变形，对每对售价高达250美元的Vaporfly来说，只能跑约320公里，令它显得格外昂贵。
Nike跑鞋在科研和实战上的成功，加上行销上的“猛攻”，促使其他鞋厂争相开发自家跑鞋泡棉技术。例如Saucony多年来测试过几十种泡棉，更几乎在Adidas取得独家合同之前使用Boost；On Running的CloudTec系统使用新配方泡棉如Helion；Reebook在其Floatride跑鞋中底使用Pebax；Under Armour在其Hovr系列使用名为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种称为Elastopan的聚氨酯泡棉。
Vaporfly的成功令穿着其他品牌跑鞋的跑手感到不满。《华尔街日报》分析自2016年起的比赛结果后发现，自Vaporfly系列推出之后，Adidas赞助的跑手赢取主要马拉松赛事的数量减少了一半。跑鞋评测网站RunRepeat.com创办人Jens Jakob Andersen表示，Vaporfly深受跑手喜爱，批评其他鞋厂反应过慢：“跑鞋品牌反应被动，明明应该采取主动。当然，它们年年都申请专利。若我们比较今天和十年前的跑鞋，确实有些创新，但创新的速度慢得可怜。”
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上文节录自第201期《香港01》周报（2020年2月17日）《冲击马拉松赛规 成功避过禁令 高科技跑鞋 跨越人类极限》。
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