運動新知 量化「跑步經濟性」的另一條進路

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運動科學家在量化跑步經濟性時,使用的攝氧量和速度之間的關係,簡單來說:誰能用最少氧氣能跑出相同的速度,就代表誰跑得最有效率。也就是「單位時間內所用的能量」愈少,經濟性愈高。

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兩星期前在香港參加研討會,主講者之一是來自瑞典的Dr. Fredrik,他設計出了一套能夠方便「量化跑步經濟性」的軟體「MotionMetrix」,硬體用的是XBOX 360的kinect來搜集數據。他運用他的物理知識來計算跑步經濟性(他是物理學博士),而且他的方法只需要40秒,相較於費時費事且硬體需求大的攝氧量測試,這種方法的確方便多了。

背後的物理原理他有公開講授,也有展示在每一份報告裡,這邊也分享出來(見附圖)。

先簡單定義一下圖中的名詞:
* 跑步經濟性 Running Economy,簡稱RE
* 總作功 Total Work,簡稱Wtot
* 彈力交換 Elastic Exchange,簡稱EE,或ε

RE = Wtot × (1 – EE)

力學能量的「總作功」(Wtot)是從三個面向來計算,分別是:
* 垂直振幅所作的功
* 肢體擺動時所作的功
* 水平位移所作的功

每次測驗只需40秒,我用4:17/km的配速跑了40秒後,系統算出我的EE是25.4% (他說袋鼠可達90%)。我每分鐘每公斤體重所使用的能量是:2.73 Jouels/kg/m。在同樣的配速下這個數值愈低愈好,報告的分類中只要低於2.7就進入菁英等級。

Dr. Fredrik另闢蹊徑,從力學能量 (Mechanical Energy)的觀點來量化跑步經濟性,非常有意思。在角度、力量和力矩的計算的準確度應該已達到某種程度的精確性,但在計算「免費外力」上的精度尚有待商確(因為沒有考慮到「重力力矩」和「落下角度」,我也找機會跟他提了),不過,我覺得方向是對的,對我很有啟發……當時聽到演講時心理驚嘆:「原來也可以這樣來運用!」

完成兩天的研討會和工作坊後,主辦人Chris和Oscar請我們在大排檔吃飯,Dr. Fredrik直說這是他這次來香港最棒的一餐。我和Dr. Fredrik也直接在街邊討論起力學和能量,我提出了一個分析的觀點,希望他能考慮到重力力矩的作用,他說他從來沒想過,會回去好好想想。我們也問他EE是怎麼直接透過動態的視覺分析算出來的,他委宛地說這是機密。但我真的好想知道XD!!這幾天只要有空就一直在想幾種EE演算法的可能……。

他在演講中的一句結論,我印象特別深刻:「只有角度而沒有力量向量的分析是意義不大的。」因為力矩需要有「力量」和「力臂」,只有角度是無法計算壓力的。這套系統被Chris與Oscar用在物理治療工作的診斷與預防傷害上,他們會去觀測各個關節。

要量測角度,才能確認「力臂長度」,有時雖然受力很小,但角度很大,(力矩大)會帶來較大的桿杆壓力;有時雖然角度很小,但受力很大。哪一種情況受傷風險高並不一定,要透過「力×力臂」來量化之後才能知道。他這套系統最厲害的地方在於,直接透過視覺影象分析就能計算各「支點」所受的「力量大小」,進而計算力矩,這也是Dr. Fredrik比較自豪的地方。

Dr. Fredrik從2012年開始研發……他說了這段辭職在家靠老婆養,創業到2014年賣出第一套之後才算確認這個工具被市場接受,目前持續優化、也持續賣到世界各地,年底將有第二代全新的產品上市。真的很佩服他,跨領域結合他的物理專業和對跑步的熱愛,為量化跑步經濟性與受傷風險這個問題提出了解法、製造成產品,又找到了自己的商業模式。

當場看到資深的物理治療師Chris透過40秒分析出來的跑步或步態分析數據就能找出問題。Chris說這套系統很強大,應用空間很廣。

這是他們系統的官方網址,有興趣的可以進一步了解

目前這套系統已在香港、上海、北京和世界上其他七個國家採用,包括菁英運動領域(聽Dr. Fredrik說北京清華大學相關科系也跟他採購了一套,看來數據上的精確度已被各領域肯定)。

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【國峰的水中練功日記】
  • 2005 擔任國立清華大學游泳隊隊長(大學期間加入游泳隊之後,從此深深著迷於耐力運動的世界)
  • 2006 畢業於國立清華大學化學工程學系,輔系 ─ 外國語文學系
  • 2007 開始從事鐵人三項訓練
  • 2008 以十七天跑步環台1017公里的行動為世界展望會──飢餓三十募款
  • 2009 畢業於國立東華大學中文研究所,隨後入伍。退伍後定居於花蓮,從事寫作與鐵人三項訓練。
  • 2011 起擔任國立東華大學鐵人三項代表隊教練
  • 2012 起擔任國立東華大學兼任講師
  • 2012 起成為國際菁英鐵人隊Featherlight TriTeam的六位隊員之一 著有:《鐵人三項》(2010,臉譜出版)、《先秦儒家水意像析論》(2011,花木蘭出版)。《在水裡自由練功》(2012,臉譜出版)。譯有:《跑步該怎麼跑》(2011,臉譜出版)
  • 個人部落格:rocky549.blogspot.tw
  • 跑步環台部落格:dhtriteam.blogspot.tw
近年比賽成績
  • 2012 泰國羅永鐵人三項國際錦標賽 總排第一名
  • 2012 洄瀾國際鐵人三項精英賽 總排第二名
  • 2012 台南國際鐵人三項競賽 M25組 第一名
  • 2011 福隆泛舟鐵人男子全程組 總排第二名
  • 2011 台東半程超級鐵人賽(113km)總排第 第三名
  • 2010 Ironman Taiwan 70.3 M25組 第三名(世界錦標賽資格)
  • 2010 台東半程超級鐵人賽(113km)總排第 第三名