オスカー・ピストリウスのランニングブレードのメカニズム

南アフリカの元パラリンピック選手オスカー・ピストリウスが使用するランニングブレードのメカニズムは、特殊な炭素繊維強化ポリマー製の義肢に依存している。ピストリウスは両膝下切断で、健常者競技とT44切断者競技の両方に出場した。ピストリウスが国際健常者競技に出場する資格は、国際陸上競技連盟（ IAAF ）によって認められている。

ピストリウスは、ラグビーで膝を負傷し、プレトリア大学のハイパフォーマンスセンター^{[ 1 ]}でコーチのアンピー・ロウ^{[ 2 ]}の指導のもとリハビリを受けた後、2004年にランニングを始めた。彼の最初のレーシングブレードは、南アフリカの義肢装具士フランソワ・ヴァンダーワットによって装着された。プレトリアでは適切なランニングブレードが見つからなかったため、ヴァンダーワットはハンガー整形外科グループの地元のエンジニアに製作を依頼した。これらはすぐに壊れてしまい、ヴァンダーワットはピストリウスをアメリカの義肢装具士でパラリンピック短距離走者のブライアン・フレイジャーに紹介し、アイスランドの会社Össurでカーボンファイバーブレードを装着してもらった。^{[ 3 ]}

2007年にピストリウスが健常者の国際短距離走競技会に参加したことで、彼のランニングブレードの使用について疑問が生じ、IAAFは「バネ、車輪、またはそのような装置を使用していない他の選手よりも使用者に有利となる要素を組み込んだ技術的装置」の使用を禁止するよう規則を改正した。最初の調査の後、ピストリウスはこれらのIAAF規則の下で競技への参加資格がないと判断された。^{[ 4 ]}さらなる調査が提示された後、仲裁裁判所（CAS）は、彼のランニング義足が生物学的な脚に対して純粋な競争上の優位性をもたらすとは示されていないと裁定した。^{[ 5 ]} 2012年、ピストリウスはランニングブレードを使用して2012年オリンピックと2012年パラリンピックの両方に出場資格を得て出場し、オリンピックで走った最初の切断短距離走者となった。^{[ 6 ]}

ブレードは脛骨切断用義肢であり、膝下で切断された脚と足を置き換えるものです。これらは医療エンジニアのヴァン・フィリップスによって開発され、1984年にFlex-Foot, Inc.を設立しました。2000年にヴァン・フィリップスは同社をÖssurに売却し、Össurは2012年現在もブレードを製造しています。ブレードはバネのように運動エネルギーを蓄えるように設計されており、装着者が効果的にジャンプしたり走ったりすることができます。^{[ 7 ]}

カーボンファイバーは実際にはカーボンファイバー強化ポリマーであり、強度と軽量性に優れた素材で、野球バット、自動車部品、ヘルメット、ヨット、自転車などのスポーツ用品や、剛性と高い強度対重量比が重要なその他の機器など、多くの用途で使用されています。これらの機器に使用されるポリマーは通常エポキシですが、用途に応じて他のポリマーも使用され、他の強化繊維が含まれる場合もあります。ブレードの製造工程では、含浸された材料のシートが正方形に切断され、型に押し付けられて最終的な形状が作られます。アスリートの予想体重に応じて、30～90枚のシートが重ねられ、その後、型はオートクレーブで加熱され、シートが固いプレートに融合されます。この方法により、破損の原因となる気泡が減少します。結果が冷却されると、ブレードの形状に切断されます。完成したブレードは、ピストリウスの両足にぴったりとフィットするカーボンファイバー製のソケットにボルトで固定されます。これらは特注品であり、完成した義肢の評価とセットアップとともに、総コストの大部分を占めます。各義肢の費用は15,000～18,000米ドルです。^{[ 8 ]}

ピストリウスは2004年から同じオッサーブレードを使用している。彼は腓骨がなく、足が奇形だったため、義足を装着できるように膝と足首の中間あたりで両足を切断した。彼は擦れを軽減し、水ぶくれを防ぐために、ソケットの上に見える靴下とパッドを着用しており、ソケットの前部には義足をよりぴったりとフィットさせるために締め付けることができるストラップが付いている。^{[ 9 ]}

ピストリウスはブレードに特注のスパイクパッドを使用している。パッドが開発される前は、表面を粗くして市販のスパイクを手で取り付けることでスパイクを交換していたが、この方法では結果が不安定だった。アイスランドのÖssur研究所で、圧力感知式トレッドミルと500fpsのフィルムを使用してブレードの打撃を測定する研究が行われ、衝撃を緩和するために密度の異なる2つの機械成形フォームのミッドソールと、底部にカーボンファイバープレートを備えたスパイクパッドが開発された。開発者は接触接着剤でパッドを取り付けており、スパイクパッドを交換する必要があるときは熱を加えることで素早く取り外すことができる。^{[ 10 ]}

湾曲したデザインのため、ブレードはランナーの生物学的な脚と足よりもわずかに長くする必要があります。ブレードは足首のヒンジを弾性圧縮に置き換え、一歩ごとにブレードが曲がって解放されるため、圧縮されていないブレードではユーザーはつま先立ちになります。前進するように設計されているため、かかとのサポートはありません。Wired MagazineのJosh McHughによると、「Cheetahは自発的に跳ねるようです。その上で静止することは不可能で、ゆっくり動くのも困難です。一度動き出すと、Cheetahは非常に制御しにくくなります。」^{[ 8 ]}

2007年、ピストリウスは健常者向けの陸上競技大会への出場を申請した。当初は認められたものの、義足が不当なアドバンテージを与えているのではないかという疑問がすぐに持ち上がった。初期の研究で義足がアドバンテージを与えていることが示された後、国際陸上競技連盟（IAAF）は規則を変更し、アドバンテージを与える技術機器の使用を禁止し、ピストリウスの出場資格を剥奪した。ピストリウスは追加の研究結果を提示してこの決定に異議を申し立て、 2008年にスポーツ仲裁裁判所（CAS）によって資格が回復された。これは、研究で調査された機器を使用する限り、健常者向けの大会に出場し続けることができることを意味する。^{[ 11 ]}

ピストリウスの初期の健常者レースでのパフォーマンスは、レースの走り方と脚の振り出し時間という2つの大きな懸念から疑問を呼んだ。ほとんどのスプリンターはスタートで最速タイムを出し、レースが進むにつれてペースを落とすが、ピストリウスは「ネガティブスプリット」で走り、ゆっくりスタートしてレースの後半でスピードを上げた（ただし、彼は現在このパターンを使用していない）。また、彼の平均タイムは、他のランナーと比較すると、400mレースでは200mレースよりも短かった。^{[ 12 ]}ブレードの使用に関する論争は続いているが、研究はブレードが実際にどのように機能するかについてかなりの情報を提供し、他の研究が続くことが期待されている。^{[ 13 ]}

障害のないスプリンターは、ふくらはぎと足首が股関節と膝関節から供給されるエネルギーを反発・増幅するが、ピストリウスはふくらはぎと足首、およびそれらに付随する腱や筋肉がないため、追加の作業でそれを補っている。Engineering & Technology誌に掲載された分析によると、ブレードを使用する際、ピストリウスは通常のスプリンターの2倍の力を臀筋と大腿四頭筋から生み出さなければならないと推定されている。 ^{[ 14 ]}他の情報源では、体幹の腹筋とより速い腕の振りも要因として挙げられている。^{[ 15 ]}彼のトレーナーは、彼のパワーの約85%が股関節から、残りが膝関節から来ていると推定している。その結果、ピストリウスはブレードのバネのような動きとのバランスを取るために上半身を振るため、わずかによちよちとした歩き方になる。ブレードは彼の体重で圧縮され、前進すると解放され、先端が成形された形状に戻る際に前進推進力を生み出す。蹴り出すと、彼は蹴りを少し横に振って、次のストライドのために前に投げ出す。^{[ 8 ]}

ピストリウスは、柔軟なブレードがブロックからの推進力を与えないため、レースのスタートが常に遅い。ピストリウスは、水平方向の力で蹴り出すのが望ましい方法であるにもかかわらず、不自然な姿勢からスタートし、足を外側に振り、ブロックからまっすぐ飛び上がって走り始めなければならない。^{[ 16 ] [ 17 ]}レースの最初の30メートルでは、頭を下げて短く素早いストライドで走る。リズムが確立すると、頭を上げてスピードを上げることができる。一部のランナーがエネルギーを消費してジョギングを繰り返すのに対し、ピストリウスはエネルギーを前方に向け、まるで車輪で転がっているように見える。また、カーブで足首が調整されることを補正し、カーブを短い直線に分割する。コーチのアンピー・ロウによると、ピストリウスは内側に傾くことで力を生み出し、より速くカーブを抜けることができるかもしれない。^{[ 8 ]}

2012年のパラリンピックでは、ブラジルのランナー、アラン・オリベイラとアメリカのランナー、ブレイク・リーパーが2012年のパラリンピックの数ヶ月前にランニングブレードを長く変更したことから、ランニングブレードの長さの影響をめぐる論争が起こった。これにより、彼らのランニングタイムは著しく向上した。ピストリウスは200mレースの後、ブレードによってランニングストライドが人為的に長くなり、ブレードが当該選手の許容高さ制限内であっても、IPCの規則に違反すると訴えた。 ^{[ 29 ]}彼の訴えは、ジェローム・シングルトンやジャック・スウィフトなどの片足ランナーによって支持され、彼らは、片足ランナーは義足の高さを調整できず、ランニングブレードの長さを常に生物学的な脚の長さに合わせなければならないため、将来のイベントではT43ダブルブレードとT44シングルブレードのクラスを分離するよう求めた。

走行タイムの改善とレース結果の広範な放送により、ブレードの長さがパフォーマンスにどのように影響するかが公に実証された。ピストリウスの歩幅は実際には9%長かった（2.2m 対2.0m  ）が、オリベイラはより多くの歩数を踏んだ（99対92）。歩幅と歩数の組み合わせにより、長いブレードでは明らかに異例のパフォーマンスとなった。^{[ 30 ]}ピストリウスのマネジメントは、ピストリウスはどのような義足を着用しても常に1.84メートルの身長であり、ランニングブレードの高さをこの高さに維持するという決定は公平性の問題であるとの声明を発表した。^{[ 31 ]}

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• ライス大学による動作研究の動画。
• エレナ・グラボウスキーによる刃の力学に関する講義
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