足部力學解析／足底脂肪藏玄機 大隻不需大腳

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【聯合報╱記者喻文玟】
如果照犀牛身材比例，老虎的腳應有犀牛腿粗，但演化讓老虎不必變大粗腿。 （路透）
你可曾想過，如果將體重僅500 公克的輕盈小貓，放大成160公斤重的壯碩老虎時，從物理學理論與身體結構而言，老虎的腳掌尺寸必須大到像犀牛腳那麼大，才能支撐其體重。

但為何現在的老虎並沒有巨大的「犀牛腳」？「演化」扮演了重要的角色，它巧妙地賦予老虎適合的「足底脂肪鞋墊」，均勻分散大型動物的體重。

被譽為「現代科學之父」的物理學暨天文學家伽利略，在1638年時曾提出一個全新的概念，在他的最後一本著作「關於兩門新科學的對話」中，曾經兩度談到「生物物理學」。

伽利略推論，當動物體型變大時，骨頭形狀必須隨之改變，才能維持同等功能。骨頭形狀改變包括長度增加、寬度也必須「不成比例」增加；若動物的骨骼沒有不成比例地改變，則無法負荷其體型巨大化之後的重量，除非大型動物能「改用」更強韌的骨骼材料。

長頸鹿媽媽因為腳和頸部太長，所以要用怪姿勢，才能親到小孩。 （路透）
數百年來，多數動物學家皆抱持與伽俐略不同的見解，因為證據顯示，動物骨頭長度與寬度的關係無論體型大小，變化比例並不大，都呈「等比例增長」，這其中的奧祕究竟為何？為什麼動物的自然結構與物理學家的推論不同？

中興大學物理學系助理教授紀凱容，以兩年多時間研究47種貓科等哺乳類動物的腳底面積與功能結構，她探究物理學家伽利略對生物體型與骨骼尺度的推論，證實這些哺乳動物因演化出適合運動力學的「足底脂肪墊」，不必隨著體型增加而不成比例地放大腳底面積。

紀凱容研究了47種犬、貓與鬣狗科哺乳類動物，探究牠們腳底面積與體型、運動及結構關係，她選擇這幾科動物的主因，是因為這些動物腳部運動受力時腳跟會離地，不像人類走路時腳跟地面碰觸。

紀凱容說，以貓咪走路而言，牠們的步態像是墊著腳尖走路，腳前端只單純承受壓縮力；人類走路時腳跟會著地，腳底除了承受壓縮力還有橫向拉扯力。

紀凱容研究47種步行時腳跟離地的食肉目哺乳動物，包括貓、斑點鬣狗、豹等動物，測量這些動物的腳面積，發現這幾科動物並沒有因為體重增加而導致腳面積成正比增加。

紀凱容說，體重越重的動物，因為反作用力，步行時腳底承受的壓力越大。大型動物演化產生「足底脂肪」成為腳底鞋墊，其中的「膠原纖維」含量會隨體重而增加，有效地分散其體重壓力。

這個發現證實了伽俐略所提出「大型動物會『使用』更強韌的材料建構身體，彌補其形態比例上的不足」的觀點。

讀者們或許不知，目前許多國際性大廠牌球鞋業者，皆已邀請物理學家加入設計團隊，研發符合人體運動工學的鞋墊。

根據伽利略的主張，人們選擇鞋子時，最好隨著體重增加而挑選不同鞋底。目前已有許多仿生學者和製鞋業者結合，從運動力學角度設計不同性質的鞋墊材料，透過「仿生科技」讓人們能隨時擁有適合的足墊。

體重腳形足弓 挑鞋3大考量

專家說，同一個人，當年紀不同、體重不同時，鞋底的厚度也應不同。 （法新社）
你怎麼挑選鞋子？臺灣大學物理治療學系講師、台中澄清醫院中港院區復健中心主任蔡永裕說，正確選擇一雙鞋要從「體重」、「腳形」、「足弓」三者考量，人體靠足底接受地面反作用力，正確選鞋，能減少運動傷害。

蔡永裕分析，人體承受地面的反作用力可根據牛頓第三運動定律推算，鞋底、鞋墊、人的足底脂肪等，都能協助人體分散這股力量。

隨年齡增長，人體足底脂肪可能反而變薄，使體重壓迫神經、韌帶，多數人因年齡增長體重也略微增加，因此年紀越長身體要承受反作用力越大。

蔡永裕說，體重越重的人，選鞋時要注意鞋底厚度，選擇鞋底越厚、硬度越好、高密度材質的製品，才有「避震」效果，這個觀點和中興大學物理系助理教授紀凱容透過研究動物足底脂肪，證實伽利略理論的道理相同。

從臨床物理治療觀點建議，體重50公斤以下的民眾，可以選低密度的鞋底而不一定要選厚重鞋底；但若體重超過80公斤，鞋子要挑選鞋底材質越硬、厚越好。

蔡永裕說，人類腳部結構分「高足弓」、「一般足」、「扁平足」等。高足弓的人前足部、後足部弧度大，避震力差，也要選高密度材質的鞋子；扁平足的人建議選擇軟鞋墊、低密度材質，能減少足部受傷；一般足的人則較無禁忌。