彈力背包

想請問念理工的學長姐、學弟妹們 從物理學的角度而言 這個構想是否真能言之成理 （法新社巴黎二十日電） 美國賓州大學一名生物學教授和生物力學專家羅姆，發明了一種彈力背包，可以讓使用者只要花相同的力氣還能多背負四分之一的重物在身上，對登山客或時常負荷過重的學童來說是一大福音。 這項發明的構想與所謂製造背包的金科玉律是背道而馳，這個製作背包的金科玉律是所背負的重物不可以滑來滑去，特別是帆布包，應該要緊貼身體。 但目前是美國賓州大學生物學教授，同時也是生物機械專家的羅姆表示，這種說法與實際的動力原理不符。他發現，當人走路時，屁股會上下移動五到七公分左右，所以背在身上的東西也會隨著移動。 因此，當人在揹背包走路時，身上所承受來自這個垂直位移的重量最高可達原重量的兩倍；跑步時則可能增為三倍。結果造成揹者時常會肩膀和關節酸痛。 羅姆在預定二十一日出版的英國「自然」期刊上的一篇文章中指出，解決的方法就是利用鬆緊帶讓負重變成「飄浮」。 他的「懸浮載重人工力學背包」包括一個有兩條短鬆緊帶的金屬架構，利用滑輪上下拉動。兩條鬆緊帶線和在背包上的載重盤相連，當使用者開始走路或跑步時，重物會立即調整和地面的高度，可以比舊的背包系統減少在肩膀、背部和臂部關節的施力百分之八十二到八十六左右的負擔。 實驗小組測試新舊背包的能量負重，發現在同樣的情況下，使用新背包者可揹負二十七公斤的重物，但舊背包只能負重二十一點公斤。 羅姆認為這項新設計不論是對需要揹著笨重教科書的學生、消防員、救難人員、運動員和登山客，都有無窮的商機潛力，因此自組一家公司推銷他的新發明。

補上介紹這個背包的網頁 裡面有照片也有短片 http://lightningpacks.com/

看了一下在期刊的文章http://www.nature.com/nature/journal/v444/n7122/pdf/4441023a.pdf, 覺得此報導有些失真, 以下是我的註解: ----------------------------------------------------------------------- （法新社巴黎二十日電） 美國賓州大學一名生物學教授和生物力學專家羅姆，發明了一種彈力背包，可以讓使用者只要花相同的力氣還能多背負四分之一的重物在身上，對登山客或時常負荷過重的學童來說是一大福音。 這項發明的構想與所謂製造背包的金科玉律是背道而馳，這個製作背包的金科玉律是所背負的重物不可以滑來滑去，特別是帆布包，應該要緊貼身體。 [註] 此產品還是貼身, 不會左右前後晃動, 只是可以稍微上下滑動. 但目前是美國賓州大學生物學教授，同時也是生物機械專家的羅姆表示，這種說法與實際的動力原理不符。他發現，當人走路時，屁股會上下移動五到七公分左右，所以背在身上的東西也會隨著移動。因此，當人在揹背包走路時，身上所承受來自這個垂直位移的重量最高可達原重量的兩倍；跑步時則可能增為三倍。結果造成揹者時常會肩膀和關節酸痛。 羅姆在預定二十一日出版的英國「自然」期刊上的一篇文章中指出，解決的方法就是利用鬆緊帶讓負重變成「飄浮」。 [註] 「彈性懸吊」 他的「懸浮載重人工力學背包」包括一個有兩條短鬆緊帶的金屬架構，利用滑輪上下拉動。兩條鬆緊帶線和在背包上的載重盤相連，當使用者開始走路或跑步時，重物會立即調整和地面的高度，可以比舊的背包系統減少在肩膀、背部和臂部關節的施力百分之八十二到八十六左右的負擔。 [註] 這個數據是來自受測者背負27公斤的背包快走(受測者每小時走5.6公里, 一般在這種負重, 每小時走3公里就很好了. 走越快, 則瞬間力也會越大), 實驗結果是: 非彈性背包的瞬間力為45公斤, 彈性背包的瞬間力為30公斤. 據此, 負重的變化分別為(45kg-27kg)=18kg及(30kg-27kg)=3kg, 負重變化減少87%[(18kg-3kg)/18kg], 而負重只減少33%[(45kg-30kg)/45kg] 實驗小組測試新舊背包的能量負重，發現在同樣的情況下，使用新背包者可揹負二十七公斤的重物，但舊背包只能負重二十一點公斤。 羅姆認為這項新設計不論是對需要揹著笨重教科書的學生、消防員、救難人員、運動員和登山客，都有無窮的商機潛力，因此自組一家公司推銷他的新發明。 [註] 對於需要負重快走或是負重跑的人來說, 這個新的背包設計可能不錯. ------------------------------------------------------------------------ 另外 1. 作者提到, 負重時藉彈性懸吊來減低衝力的方法很早就被亞洲人所知悉, 那就是扁擔, 扁擔有彈性, 可減少因上下移動而來的衝力. 2. 已知最有效率的負重法是尼泊爾挑夫所用的: 重物放在背臀上.使用一條頭帶.外加一根柺杖, 走路的速度慢, 多休息. (使用新的懸吊彈性背包仍比不上)

阿佑: 能否對於尼泊爾挑夫的背負方式為何最有效率再說明?

文政: 尼泊爾挑夫負重最有效率(當背負相同的重量走路時, 其代謝量相對於不背重物代謝量的差值最少）是實驗的結果, 這發表在2005年6月的期刊, http://www.nature.com/news/2005/050613/full/050613-8.html, http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/308/5729/1755.pdf, 作者並不知道.也沒猜測可能的原因為何. [之前(1986年)被知道負重最有效率的是非洲的女人, 她們把重物放在頭頂走路.] 因為文章中代謝量是量氧氣消耗量及二氧化碳產生量, 再加以換算, 而換算公式http://www.sciencemag.org/cgi/data/308/5729/1755/DC1/1 的適當與否會影響結果. (尼泊爾雪巴人的攝氧能力高, 是否有影響?) 我在想, 不論尼泊爾挑夫用頭帶背或非洲女人直接用頭頂, 都是把重量由人的主骨架(腿骨.骨盆.脊錐骨.頭骨)來承擔, 這樣較少用到肌肉, 所以代謝量低. 而現代的登山健行者使用雙肩去背(後來的背法強調要繫腰帶, 讓部份重量由臀骨承擔）, 要用到肩.背的肌肉, 代謝量就較大, 顯得較不有效. 阿佑

阿佑: 您鏈結的 Nature 與 Science 期刊原文都必須有訂戶帳號才能登入, 所以無法線上閱讀. 我今晚跑了一趟成大醫圖, 已印到 Science 那篇原作, 但 Nature 那篇不知哪一期. 匆忙間, 因趕著接送小孩, 也沒來得及印相關 references. 就 Science 那篇我提一下意見: 那個利用二氧化碳產生速率與氧消耗速率之比值(也就是生理課本中所謂的"呼吸商")來計算 "每消耗一升氧所產生的能量焦耳數" 的公式, 應該是沒問題的; 但我覺得這篇報告還是有問題: 它的 "對照組" 有二, 一是非洲女人用頭頂重物(refernce 1), 二是歐洲白人登山者背背包, 這兩個所謂對照組都不是真正對照組, 不是在尼泊爾海拔3500m的 Namche 所同時進行的實驗, 而是引用先前已發表的可能在別處所做的實驗(非洲女人大概很難在Namche看到, 但有待明天我再跑一次圖書館把Refernce 1 與 5 查出來). 如果真的是這樣, 實在有讓人挑毛病的地方 (Science 這點值如此崇高的期刊似乎不宜登不夠嚴謹文章?) 不知文翔若有看到, 意見如何? 關於那呼吸商換算的公式, 我來嘗試說明一下. 有呼吸商之現象乃因醣類氧化時與脂肪酸氧化時有所不同. 醣類(-CH2O-)氧化時消耗一莫耳氧分子就產生一莫耳二氧化碳; 脂肪酸(-CH2-)氧化時消耗一莫耳氧分子則產生大約三分之二莫爾二氧化碳與大約三分之二莫爾水. 因此呼吸時呼出的二氧化碳體積會比吸入的氧少一點, 比值稱為呼吸商, 受飲食醣與脂肪比例影響. 若完全只吃醣類, 呼吸商可接近 1, 否則通常小於 1, 大約是 0.8; 脂肪燃燒與醣類燃燒產生能量不同. 我們一般觀念裏, 脂肪是高熱量, 但在那個公式裏好像呼吸商越小, 也就是脂肪比重越高, 所得到的 "每消耗一升氧所產生的能量焦耳數" 越低, 有點相反的感覺, 但那是因為脂肪燃燒消耗比較多氧(每一個 -CH2- 要一個半氧分子), 而一般觀念裏的脂肪卡洛里數之分母用的是克而不是莫耳, -CH2- 比 -CH2O- 輕很多.

文政: 我連結的Nature那篇是一則網站新聞, 好像沒有收錄在期刊裏. African women pipped to the post for most efficient portering. Jessica Ebert -------------------------------------------------------------------- The porters of Nepal are famous for being the most spectacular haulers of head-supported loads in the world. They trek up and down steep mountain trails, sometimes for hundreds of kilometres, while carrying goods in a basket supported by a strap across their foreheads. Often the loads exceed the porter's own body weight. A study in this week's Science shows that Nepalis carry loads more economically than any other group previously studied[1]. They expend less energy per load than both Westerners with backpacks and African women who carry baskets on their heads, either directly or with a strap. The team, led by Norman Heglund, a physiologist at the Catholic University of Louvain in Belgium, are not sure exactly how the porters manage to be so efficient. It is known that they usually walk with a slow pace and take frequent breaks, sometimes resting for 45 seconds out of every minute on a steep climb. But the porters are also efficient when walking at a steady pace, the team found. Perhaps they alter their gait to somehow reduce muscular work, the researchers guess, or in some other way increase their efficiency. Bazaar skills Heglund and his colleagues travelled to Nepal and watched porters carrying their loads up to a weekly market at the town of Namche. They asked a selection of these porters to walk around a flat track at various speeds while carrying several different loads. The energy expended by these individuals was determined by measuring their oxygen consumption and carbon dioxide production through a mask. The team then compared the results with work on women of the African Kikuyu and Luo tribes. These women can carry head loads of up to 20% of their body weight without expending extra energy. Additionally, they carry loads of up to 60% of their body weight at a considerably cheaper metabolic cost than army recruits carrying equivalent backpack loads[2]. At light loads, the Nepalese porters and the African women were about equally efficient. But the heavier the load, the better the Nepalese became at expending minimal energy. Heglund and colleagues have previously shown that the African women conserve energy by swinging their bodies like a pendulum[3]. But the Nepalese porters had a different gait. "They didn't use the same energy saving mechanism as the African women," says Heglund. The team plans to study this next. References [1]Bastien G. J., Schepens B., Williems P. A. & Heglund N. C. Science, 308. 1755 (2005). | Article | PubMed | ChemPort | [2]Maloiy G. M. O., Heglund N. C., Prager L. M., Cavagna G. A. & Taylor C. R. Nature, 319. 668 - 669 (1986). | Article | PubMed | ISI | ChemPort | [3]Heglund N. C., Willems P. A., Penta M. & Cavagna G. A. Nature, 375. 52 - 54 (1995). | Article | PubMed | ISI | ChemPort |

阿佑: 那 "非洲女人" 以及 "歐洲白人" 的報告其實是這樣的: "非洲女人" 只有五人, 分屬於兩個民族: Luo 族將重物頂於頭上, Kikuyu 族使用頭帶背於背上; 兩族加起來五人, 各有幾人沒交代. 這五人體重從文中推測平均55公斤, 身高年齡未交代. 報告發表於1986年, 實驗做於哪年沒交代, 地點海拔沒交代. "歐洲白人背背包" 只有十人, 其中五男一女於海拔 130m 接受測試, 另外兩男兩女於海拔 2800m 測試. 年齡二十幾歲, 身高約 176cm, 體重66.6(+-9.1)kg. 發表於 2005 年. 以上兩篇並沒有交代受測試的非洲女人與歐洲白人是如何取樣來的. 這兩篇與 2005 年在尼泊爾海拔 3500m 那篇都有共同作者 Norman C Heglund, 推斷屬同一團隊. 尼泊爾那篇雖有交代樣本母體是在市集前一天清晨到黃昏, 所有以傳統背負法背重物經過的尼泊爾人, 其年齡性別體重與負重, 但沒有交代取樣結果(八人)的年齡性別身高體重. 1986 那篇使用的測量流量與呼出氣體含氧量的儀器與 2005 的並不同. 而且由耗氧速率推算功率的公式也不同: 非洲那次全部假定呼吸商等於0.8, 而歐洲與尼泊爾這兩次都實際測量個別真正的呼吸商再換算. 另外, 負重/空身功率比之數據採用步行速度在 "optimal speed", 而各自的最佳速度並不相同. 因海拔影響氣體體積, 耗氧速率在 2005 的報告有說明已標準化換算 (STPD). 1986 那次沒說明. 不同海拔空氣稀薄程度不同, 可能影響運動時耗氧速率, 這三篇實驗地點海拔不同. 歐洲那次雖分兩個海拔實驗, 但文中並沒有交代兩個海拔分別的實驗結果. 即使不管以上諸多變數, 這三篇湊在一起仍不能除去人種因素. 況且樣本小, 代表性也不高. 若要把結論放在 "背負方式", 最好由同一批人交叉比對不同背負方式. 話說回來, 用頭帶背負或頭頂方式搬重物也可見於台灣原住民 (森丑之助著, 楊南郡譯註: 生番行腳, 2000 遠流出版, 第165, 169頁相片)(李亦園: 台灣土著民族的社會與文化, 1982 聯經出版, 第117頁相片), 應有其優點.