科技助力殘疾人奧林匹克運動
——以輪椅競速運動為例

高 鏑，孫民康，張 搏，龔麗景

殘疾人運動源于第一次世界大戰前后殘疾人康復運動［1］。殘奧會是奧林匹克運動的一部分，是殘疾人最高級別綜合性體育賽事，包括夏季和冬季殘奧會［2］。第一屆夏季殘奧會與冬季殘奧會分別于1960、1976年舉行［3］。截止到2020年，已舉辦15屆夏季殘奧會、12屆冬季殘奧會。殘疾人運動不僅能提高殘疾人的自尊心和自信心、促進他們與健全人一同享體育運動、幫助其更好地融入健全人的生活，還可充分發掘體育運動對自身生活發展的最大價值［4］。

“科技助力殘奧”理念的提出以來，運動裝備輔具的新技術層見疊出，殘疾人競技水平也因此不斷攀升。高科技的較量是殘奧會中的一大特點，也對殘奧運動發揮著重要作用［5］。輪椅競速作為傳統的殘奧會項目，從1964－2016年52年間里，受益于科技進步，競速輪椅的設計不斷加以改進，由笨重的普通輪椅逐漸演變為競速專用輪椅，如今，競速專用輪椅融入許多科技元素，如碳纖維車身、強化的車輪、軸承等，使得輪椅競速項目的運動成績提高了40%［7］，一躍成為具備國際影響力的殘奧會賽事（36個子項目，占殘奧會田徑總項目數的20%）。

本研究將分析競速輪椅的演化歷史、性能以及輪椅競速運動的發展歷史與現狀，探討輪椅技術的改進對于輪椅競速運動員成績提高所起的重要作用，并對輪椅競速運動和輪椅技術的發展前景做出展望，借此闡明科技元素在殘奧運動發展過程中發揮的重要作用。本文的運動成績均引自國際殘聯官網以及國際田聯官網（www.paralympic.org；www.worldathletics.org）。

1 輪椅競速運動的發展脈絡——歷史與現狀

1976年，國際殘聯對參加徑賽殘疾人運動員進行分級，根據脊髓損傷部位將輪椅競速分為7個等級：1A、1B、1C、2、3、4、5［8］。1996年，輪椅競速、賽跑等徑賽項目分級的官方用語開始用“T”表示［9］。2016年的最新分級為T20、T33、T34、T51、T52、T53、T54共7個級別，T20級是智商≦70的運動員，T33／T34級指腦癱運動員，T51、T52、T53、T54級別包括脊髓損傷、脊髓灰質炎和肢體殘疾運動員，具體根據脊椎損傷部位（圖1）和肌肉力量等級來確定分級［10］。

圖1 殘奧會輪椅競速項目分級系統［10］

輪椅競速始于第二次世界大戰后的美國軍人康復運動，1964年東京殘奧會首次設立輪椅競速項目，男女運動員均可參加60m競速比賽［11］。1976年，多倫多殘奧會增加200m、400m、800m、1500m和4×100m接力項目［12］。1984年殘奧會增加5000m、馬拉松、4×200m和4×400m接力項目［11］。

1976年后，競速輪椅從普通輪椅演變為特殊輪椅，項目成績有了很大提升。以男子5級800m比賽為例（其中1988年為5和6級、1992年為TW4級、1996年為T53級、2000年為T54級），由于1980年新一代運動輪椅Varioblock（圖4B）面世，殘奧會冠軍成績也從1976年的2：49.90 min降至2：18.81 min（圖2）。20世紀80年代，全世界有10，000多輛商業化競速輪椅用于滿足提升殘疾人運動表現的需要［13］。在技術推動下，喬治·莫里成為第一個打破每英里4分鐘記錄的運動員［11］。1990年研發的三輪競速輪椅Bromakin（圖4C）對輪椅競速項目的發展具有里程碑式的意義，使殘奧會男子5級800m冠軍成績提升至1：40.63min。從1976－2000年歷屆殘奧會5級輪椅競速800m項目冠軍成績來看（圖2），1980－1990年是競速輪椅技術發展最為迅速的十年，笨重的普通輪椅改造為高重心和高阻力的四輪競速輪椅，最后演變成低重心和低阻力的三輪競速輪椅，與此同時，輪椅競速的賽事紀錄也不斷被打破。說明器材改進對提高輪椅競速運動成績的重要作用。

圖2 1976－2000歷屆殘奧會5級輪椅競速800m項目冠軍成績示意圖

1993年，我國首次參加輪椅競速比賽［10］。隨著經濟條件的改善，我國參加輪椅競速項目的運動員多采用國外先進的競速輪椅。鑒于此，2006年世錦賽，我國在男子T54級4×100m和4×400m接力錦標賽上奪冠，拿到了輪椅競速首枚金牌；2008年北京殘奧會，6人打破世界紀錄，在輪椅競速項目上獲得T53／T54級10金3銀4銅的好成績。自此，在多次殘奧會和世錦賽上，我國均獲得理想的成績（表1），可見我國在輪椅競速T53／T54級別中的世界領先地位［10］。

表1 2002年以來中國輪椅競速代表團獲得世界大賽獎牌情況

通過中國知網查文獻發現，截止到2020年12月30日，有關“輪椅競速”的文獻僅26篇，反映出我國在輪椅競速項目的科學研究上存在一定不足，需加強相關研究。

由于輪椅競速項目對輪椅依賴性強，輪椅的性能會直接影響比賽成績，因此我國應持續加大對輪椅競速項目的科技投入。如增加科技投入資金的比重、培養與引進體育科技人才等，以促進我國輪椅競速項目的可持續發展。未來應探索形成我國競速輪椅的技術研發體系，政策上應鼓勵國內大型車企加強對輪椅技術的開發和實踐，具體而言，可根據國外對競速輪椅研究的前沿熱點，強化競速輪椅的車輪、輪胎、軸承以及輪椅移動性能監控器研究，將個體化精英競速輪椅與普適性競速輪椅研發緊密結合，著力提升群眾對輪椅競速項目的科技認知水平，從而提升競速輪椅的性能，使我國運動員能夠使用“中國制造”的競速輪椅站在奧林匹克的領獎臺上。

2 輪椅技術的進步在輪椅競賽運動發展中的作用

輪椅項目的運動成績受三個因素影響：運動員、輪椅和運動員與輪椅的相互作用［14－15］。輪椅競速比賽要求運動員具備高超的推進技術以及保持速度的能力，而材料屬性極大地影響運動員有效推進和保持速度的能力，材料中多余的克數甚至毫米數都會影響輪椅的各項性能并增加運動損傷的風險［16］。隨著運動裝備輔具技術不斷發展，基于殘疾運動員個性化特征的裝備及輔具設計將在高水平競賽得到更多的運用［6］。對于輪椅競速項目運動員，精良的運動輪椅不可或缺［17］。隨著輪椅技術日新月異，世界紀錄也不斷被打破，其中科技助力是主要驅動力［18］。現代競速輪椅通常為T型結構（圖3），一根管狀車軸連接兩個后輪和一個前輪，車軸上有轉向裝置，轉向裝置上通過彈簧加載補償器，補償器使運動員無需用手便能快速通過彎道［17］。科技的發展對競速輪椅的設計、材質、制作工藝產生了較大的影響［10］。

圖3 賽道上競速輪椅主要特征標識［17］

2.1 輪椅競速運動中輪椅的演化

過去幾十年中，為了提高運動表現，競速輪椅引進了許多新技術［19］。20世紀60年代，輪椅競速運動員使用笨重的日常輪椅（圖4A）只能完成60m競速比賽［11］，嚴重影響了這項賽事的發展，且增加了運動員受傷的風險。20世紀70年代，為了參加中長距離輪椅比賽，運動員紛紛開始改進他們的輪椅，如降低座椅高度、增加后輪外傾角和減小手柄圈直徑等［20］。20世紀80年代，競速輪椅發展到為運動員量身定制的階段。1988年之前，由于比賽規則的限制，競速輪椅的整體設計受到嚴重影響［21］。

1980年，RainerKüschall研發的新一代運動輪椅Varioblock（圖4B）大幅提高了運動員的運動表現。鑒于此，1988年，漢城殘奧會將男子1500m和女子800m輪椅納入示范性項目，許多記錄隨著被打破，漢城殘奧會后，國際殘聯破除了規則對輪椅的限制，輪椅技術得到空前發展（［11］。1990年三輪競速輪椅Bromakin（圖4C）一經面世，其車身結構便很快成為現代競速輪椅的雛形［21］。2008年面世的競速輪椅采用碳纖維輪輞和車身框架，用輕質復合碳纖維車輪代替了鋼、鋁車輪，用汽車盤式制動技術作為輪椅的主動制動系統，用復合碳纖維座椅材料代替傳統紡織材料，以預防壓瘡和潰瘍［22］。如今，在輪椅競速的頂級比賽中，碳纖維輪椅已處于支配地位，其設計與1990年款式相比并無根本性的改動。近年來競速輪椅設計的共同特點有：1）優化車架、車輪等元素與氣流的角度來減少空氣阻力；2）依據運動員個體特征對輪椅剛度和形狀進行優化；3）降低輪椅質量，使運動員能加速更快；4）采用低摩擦軸承、使用高壓輪胎或者固體輪胎、加入額外羽翼產生升力以及減小車身質量來減小滾動摩擦力［23］。

圖4 競速輪椅的演化：

2.2 計算機輔助設計和制造

隨著科技不斷進步，計算機輔助設計（Computer aided design，CAD）和計算機輔助制造（Computer aided manufacturing，CAM）已廣泛應用于機械設計與制造領域［24］。CAD／CAM系統由硬件和軟件系統組成。CAD用于精確的零部件設計，如造型、會圖、工程分析仿真與模擬，文檔管理等。CAM用于精密的加工制造，具備數控編程、加工仿真、生產控制及管理等功能［24－26］。CAD／CAM核心是計算機數值控制（數控），數控系統控制機床，它根據輸入的零件圖紙信息、工藝過程和工藝參數，按照人機交互的方式生成數控加工程序，然后通過電脈沖數，再經伺服驅動系統帶動機床部件作相應的運動。于競速輪椅而言，具有優化計算競速輪椅的體積、重心、轉動慣量等功能，可以根據不同殘疾人運動員的身體結構特點、體能特征等參數來建模，為運動員量身定制輪椅，使運動輪椅能滿足每個運動員的特殊需求。這是目前實現個性化適配的最佳方式［27］。運動輪椅市場很小，為了定制輪椅而開發專門的工具和機器并不合算，而CAD／CAM成本低、可以設計并制造各種各樣的輪椅，已被輪椅設計師和制造商廣泛用于生產更高質量以及適合不同運動員特點的輪椅［17］。由于CAD可以快速設計各種輪椅模型，結合CAM精確地制造輪椅，且成本低［16］，因此CAD／CAM對輪椅的設計和制造起到關鍵的作用。

2.3 現代碳纖維輪椅的能量效率

用復合材料代替金屬部件是運動輔助設備的最新趨勢之一［28］。美國化學家羅杰·培根在1958年發明了一種含碳量超過90%的高性能碳纖維無機材料［29］，這種材料由瀝青、聚丙烯腈、粘膠等有機纖維在1 000℃～3 000℃的惰性氣體環境中分解制成，具有環保、易成型、剛度高、力學性能好、重量輕、可設計性強等優點［30］。輪椅組件的輕量化對減少輪椅競速運動員的能量消耗和改善競技表現具有重要作用。因此，碳纖維材料在競速輪椅領域得到了快速發展和應用，這種超輕輪椅同樣得益于科技進步［31］。

計算發現優化車身質量對T51－T54級別中100m輪椅競速比賽的影響，即在15～30秒的比賽中，每減少一公斤車身重量，獲勝時間便會降低1－2.3%，進而提出最小化能量損失的方法：1）優化車架、車輪等元素與氣流的角度來減少空氣阻力；2）通過采用低摩擦軸承、使用高壓輪胎或者固體輪胎、加入額外羽翼產生升力以及優化車身質量來減小滾動摩擦力［23］。基于此，2010年，代爾夫特大學研發了全碳纖維輪椅。因為高強度、高彈性的碳纖維使輪椅具有極高的能量效率，且車身輕盈，能幫助輪椅競速運動員節省更多能量［33］。未來設計競速輪椅理念中，應強調根據個體身體結構和體能的差異，針對性地定制輪椅，以獲得更多機械優勢，防止能量浪費［19］。

2.4 現代碳纖維輪椅的局限性

碳纖維競速輪椅的保護性不夠完善。運動員常遭受肩膀損傷、擦傷、挫傷、脊髓損傷、肌腱或韌帶損傷，組織的損失或疼痛會直接影響運動表現［34］。碳纖維輪椅可為運動員提供一定程度的保護，而通過提高運動技能，也減小擦傷和挫傷的風險［35］。在設計更安全的運動輔具時，殘奧會運動損傷流行病學家應盡可能降低輪椅質量以及滾動阻力、使用高壓輪胎等［17］，未來應考慮到運動員在訓練或比賽中的高負荷，開發滿足運動員需要的座椅系統，以降低運動員在訓練或比賽中造成的壓瘡和其他各種運動性損傷［19］。

碳纖維競速輪椅造價高，成本是制造輪椅時要考慮的重要因素。殘疾人被雇傭的可能性微乎其微，平均收入遠低于正常人，還要承擔設備測試的額外費用。假設截癱患者年齡為25歲，其一生費用約為230萬美元，對于高度四肢癱瘓的患者，費用更是高達470萬美元［28］。不同國家的運動員在獲得運動輪椅的資助方面存在巨大差異，在大多數國家，運動輪椅需要由個人或者在朋友和家人的幫助下出資購買，有的通過慈善組織購買［16］。發展中國家的運動員通常很難獲得合適的輪椅，因此碳纖維輪椅的高成本也是運動員獲得輪椅的重大難題。

圖5 運動員的壓瘡示意圖［19］

2.5 現代碳纖維輪椅的優勢

盡管存在上述的一些局限性，現代碳纖維輪椅優越的性能使之能在比賽中具有無可比擬的競爭力。科技的進步和航天材料的應用促進了運動輪椅的開發與制造，現代運動輪椅設計的基本原則是減輕重量和阻力，同時保持高剛度［31］。與傳統競速輪椅相比，全碳纖維競速輪椅具備質量輕、剛度強的特點［36］。這一材料特性增強了輪椅的機動性，使輪椅更加緊湊、輕便、降低了運動員重復性勞損的可能性，也使運動員在比賽中加速度更快、保持高速的能力更強，消耗更少能量，在比賽中更占優勢［28］。碳纖維輪椅比傳統競速輪椅展現出更卓越的耐用性，直接好處是減少日常維修、更換配件等中斷時間，很大程度減緩了使用者的壓力和焦慮，并為其參加社會活動留出更多時間［37］。于運動員而言，這些均是影響比賽成績的重要因素。在2012年倫敦殘奧會16公里輪椅競速比賽中，45歲的亞歷克斯·扎納爾迪使用全碳纖維輪椅，獲得個人計時賽H4級別金牌，用時24分50秒，比第二名快了整27秒［31］。

2.6 現代碳纖維輪椅參賽導致的不公平問題

在殘奧會上，發達國家擁有高科技裝備背后的材料和技術，因此可以改進裝備以滿足其特殊需求，發展中國家卻只能望而卻步［38］。全碳纖維輪椅制造成本偏高，部分國家殘奧會運動員因資金不足，只能使用鋁制輪椅，在比賽中處于劣勢［23］。52.6%的運動員需要自行購買輪椅，這大大限制了他們參加競技性比賽［39］。一些運動員通過特殊渠道獲得先進設備，也會造成競爭的不公，如2016年巴西里約熱內盧殘奧會寶馬公司為美國隊定制專屬賽車輪椅（圖6），這款輪椅符合現代化的空氣動力學原理，具備全碳纖維材料、先進的底盤設計以及為每個運動員量身定制等優點，美國隊也因此取得優異成績［16］。

圖6 寶馬競速輪椅，全碳纖維結構［16］

如果對使用新技術進行限制，無疑會扼殺運動裝備的進步，但不限制新技術并鼓勵研究人員創新，那么發達國家和發展中國家之間的差距將日益擴大，這可能會給殘奧競賽項目帶來“額外壓力”［38］。可見，科技的進步對于殘疾人運動員產生了巨大影響。事實上，為了殘奧會獎牌，發達國家投入更多的資源，以此來增強民族自豪感，也因此導致了“技術興奮劑”的出現［19］。此前，科技進步帶來的成績收益備受爭議，一個運動員能在多大程度上將潛在的裝備優勢轉化為真正的成績優勢仍未明了［38］。運動裝備的發展在提高運動成績和幫助殘疾人參與日常活動上，都大有裨益，但需要在體育規則和精神的范圍內進行，同樣還需要考慮到科技進步帶來的補償性后果。未來需要更多的研究來闡明殘疾人運動員使用的特殊輔助裝備的優勢。以上這些問題也亟需進一步探討，以使殘奧會比賽更加公平。

2.7 小結

科技進步對輪椅運動員至關重要，隨著殘奧會比賽日益激烈，需要先進的材料、制造工藝、計算機模擬等促進競速輪椅的進步［40］。在運動員努力變得更高、更快、更強的過程中，高科技輪椅會提高他們的運動表現［41］。輪椅競速運動的發展與輪椅技術的發展息息相關，如今，全碳纖維輪椅已在殘奧會等頂級輪椅競速比賽中處于主導地位。一方面，現代碳纖維輪椅技術還無法減少運動員挫傷、擦傷等運動損傷的風險；另一方面，由于其輕質和高剛度，使用碳纖維輪椅運動員會比使用傳統鋁制輪椅的運動員消耗更少的能量，在競賽中獲得額外的優勢。但是，使用碳纖維輪椅是否造成競爭不公，國際上還存在爭議。

3 輪椅競速項目的前景展望

3.1 輪椅技術的前景展望

目前，運動員和教練員均認為車輪、輪胎、軸承等相關部件均有望得到改善，因為這些配件會對輪椅的性能造成重要影響，進而影響到運動員的運動表現。此外，制造商將輪椅交付給運動員后，輪椅的整體結構、碳纖維材質已無法改變，但配件的損壞或磨損，迫使運動員需要經常更換車輪、軸承和輪胎。如果輪椅出現故障，運動員需要等待服務技術人員對輪椅進行維修，很可能耽誤訓練或無法比賽。因此，未來在輪椅競速運動發展的過程中，車輪、輪胎、軸承等配件的改進，輪椅移動性能監測器的出現，將使輪椅的整體結構、碳纖維材質無實質性改變的條件下，提升未來運動員的水平。

3.1.1 車輪

競速輪椅主要有三種車輪（圖8）：1）輻條車輪（a）：有一系列的輻條連接到車輪中心的輪轂，在三種車輪中，重量最輕、剛度最低、空氣動力最差；2）四輻條車輪（b）：四個輻條鏈接車輪中心的輪轂，特點是沒有圓盤車輪重、具有高剛度、但空氣動力沒有圓盤強；3）圓盤車輪（c）：只有一個圓盤形狀的碳片，沒有輻條，特點是最重、剛度最高且空氣動力最好［42］。比賽距離、傷殘級別均會影響到運動員選用車輪。例如，在100m輪椅競速比賽中，運動員需要在短時間達到最大速度，因此選用較輕、空氣動力較好的四輻條車輪有優勢，而在400m及更長距離的比賽中，圓盤車輪似乎更可取；而對于下肢不便的T54級別的運動員，可以充分使用腹部的肌肉，相比之下，參加T51比賽的運動員四肢功能均受損，兩者運動能力的差異主要反映在運動員所能達到的最高速度上［42］。可見，選用不同車輪會對比賽成績產生影響。2008年，一款智能車輪被應用于運動輪椅中（圖7），它主要用于分析訓練數據，并提供生物反饋和降低運動損傷［19］。如何根據運動員殘疾級別和比賽距離，為運動員推薦合適的車輪，在未來是一個值得探索的領域。

圖7 競速輪椅智能車輪的設計示意圖［19］

圖8 競速輪椅車輪配置：

3.1.2 輪胎

普遍認為一定范圍內，輪胎壓力越高、輪胎越硬，則滾動阻力越小。胎壓過低確實會影響運動員在輪椅推進過程中的技術動作［43］，但輪胎的最佳壓力和輪胎壓力對不同運動員、不同賽道的影響仍未明了。盡管高壓輪胎可以最小化運動員的生理需求，但對加速和短距離比賽運動表現的幫助未得到證實［44］。關于胎壓，還需要考慮賽道硬度、運動員體重等因素，例如一位較輕的運動員和一位較重的運動員相比，在相同硬度的賽道上會消耗更少的能量；另外，硬賽道比軟賽道需要更高的胎壓［42］。目前主要采用人為主觀的方式對最佳胎壓予以確定，即運動員在賽道上嘗試不同輪胎壓力，根據自我感覺來確定胎壓。在自行車領域，輪胎朝著更快，更低壓的趨勢發展，這種趨勢是否會借鑒到輪椅輪胎的領域，仍未可知［42］。解決根據不同運動員、不同賽道等來確定最佳胎壓，以及有關低胎壓是否會提高運動員的運動表現等問題，還有待開展更多相關研究。

3.1.3 軸承

軸承的性能會影響運動員在比賽中的初始加速度、最高速度和能量消耗［42］。但不同類型的軸承對輪椅運動員在比賽中的運動表現的潛在影響暫不可知。目前市場上有一種新型陶瓷軸承，聲稱在受控測試中表現得比鋼制軸承要更好，但由于高昂的價格，且尚未證明其能提高運動員的初始加速度、最高速度［42］，因此大多數運動員們并沒有采用。制造商要想說服運動員和教練員采用更高端的陶瓷軸承，還需要拿來更多證據。另外，輪椅內部摩擦是影響整體滾動阻力的關鍵要素，而不同類型的軸承以及維護將會對輪椅內部摩擦產生影響［45］，因此，這些潛在損失也需要進一步研究。

3.1.4 輪椅移動性能監控器

科技的發展推動了一種輪椅移動性能監測器（WMPM）的誕生，這是基于三種慣性傳感器的一種性能測量儀器，可即時為輪椅性能測試提供平均加速度、最大速度、平均旋轉速度、最大旋轉速度等結果［46］。WMPM具有很高的靈敏度，能對輪椅配置的微小變化做出反應，因此可在提高輪椅移動的性能上進行改革創新［47］，比如改變輪椅質量、座椅高度以及其他輪椅配置均可提升輪椅性能［48］。因此，將來運動員和教練員都可以應用WMPM這種廉價易得的儀器監測輪椅移動性能，以評估輪椅設置的干預結果。在數據分析的輔助下［49］，根據運動員的個性化需求調整輪椅配置，以達到輪椅性能的最優化。

3.2 輪椅競速運動的前景展望

自1964年輪椅競速運動首入殘奧會以來，輪椅競速已形成殘奧會輪椅競速賽事、世界殘疾人田徑錦標賽輪椅競速賽事、歐洲殘疾人田徑錦標賽輪椅競速賽事、亞洲殘疾人田徑錦標賽輪椅競速賽事等多種比賽在內的國際輪椅競速賽事體系。完善的輪椅競速國際競賽體系表明輪椅競速已成為世界性的競技體育項目，它的國際化發展已經達到較高水平。經過半個世紀的發展，其比賽規則、技術體系和裁判水平日益完善，成為當代殘疾人競技體育的重要組成部分。在輪椅競速運動競爭日益激烈的大背景下，科技進步改善了輪椅性能，使運動員更好地在競技場中發揮其潛力，同樣，讓殘疾人在日常生活中行動更方便。隨著技術遷移更加普遍，國防、航空航天或汽車行業的創新理念將在輪椅技術上得到更多的應用，進而提高殘疾人運動員的競技水平。

基于以上分析，未來輪椅競速運動將呈現出以下發展趨勢：

3.2.1 科技助殘會推動殘疾人運動發展與普及，受益于科技發展，輪椅競速運動水平將不斷提高。反過來，殘疾人競技體育本身作為一個巨大的市場，也會推動科技產業自身快速發展，兩者呈螺旋式發展。

3.2.2 輪椅競速將不斷引進高新技術，未來發展方向可能在于：輪椅轉彎的靈敏與穩定性、預防損傷、配件（輪軸、車輪、輪胎等）的改進、智能輪椅、計算機輔助設計與制造技術等。

3.2.3 隨著各國“殘奧科技體系”的形成，殘奧科技將隨奧運周期的時限性而快速發展，形成殘奧科技化和科技殘奧化的有機統一。隨著殘疾人競技運動的普及，輪椅競賽項目各方面的發展前景也將更加廣闊。

4 結語

輪椅競速運動已近60年的發展歷程，本文通過回顧輪椅競速運動的發展歷史與現狀、競速專用輪椅的發展過程，對項目發展遠景做出瞻望，認為隨著競速輪椅技術的發展，輪椅競速運動將越來越受到矚目。