興大解密 動物愈重 足底脂肪墊愈硬

    物理學大師伽利略曾提出：動物變大時，骨頭形狀必須改變，才能維持同樣功能，否則大型動物，就必須改變行動方式。四百年後，國立中興大學物理學系助理教授紀凱容，透過科學方法證實，哺乳類動物腳底面積不必隨體重增加，關鍵在於足底脂肪墊，富含動物性蛋白質的膠原纖維，除了支撐體重，還提升運動效能，越重的動物，足底脂肪墊越硬，這項研究可提供運動鞋以及鞋墊材料設計時參考。


    國立中興大學物理學系助理教授紀凱容表示，物理學大師伽俐略在著作(關於兩門新科學的對話)中，曾兩度談到生物物理學的問題。他指出，當動物骨頭的長度增加時，寬度必須不成比例地增加，才能維持相同的功用，否則大型動物的動作，就必須更加小心翼翼，或是改用更強韌的骨骼材料。但至今多數學者提出和伽俐略不同的意見，他們發現，骨頭長度與寬度接近等比例生長，而無論體型大小，骨頭或肌肉的材料變化並不大。紀凱容與美國杜克大學生物學系的羅絲教授合作，針對47種腳跟離地的食肉目哺乳動物，體重和腳面積間的相關性進行研究，發現足底脂肪墊富含動物性蛋白質膠原纖維，除了支撐體重外，還具備協調四肢骨骼肌肉，提升運動效率的功能，因此越重的動物，足底脂肪墊就越硬。這個發現證實伽俐略所說，大型動物使用更強韌的材料，來彌補形態比例上的不足。

    (研究狗和貓，腳跟離地的種類，發現腳的面積，增加的速度，和體重增加速度不成比例，腳的面積增加比較慢，愈大動物，相對的腳面積比較小，代表大型生物，腳底承受壓力愈大，成分是皮下脂肪，腳底脂肪墊，為何大動物腳底鞋墊不會壞，進一步比較特性，原來雖然組成一樣，材料比例改變，愈大動物腳底，放愈多纖維，分擔增加的壓力，而且讓強度硬度都增加。)

    興大這項研究受國際矚目，獲得英國皇家學會刊登在二月出版的學術期刊界面（Journal of the Royal Society, Interface），並受到各國科學媒體如Science Daily的矚目與報導。紀凱容說，以常被人們形容為大貓的老虎為例，如果將500公克的輕盈小貓放大成 160公斤重的壯碩大貓時，沒有把腳放大成像犀牛的腳那麼大，肯定沒跑幾步就撐不住。老虎之所以沒有拖著巨大笨拙的犀牛腳，能在叢林裡跳躍奔馳，是因為演化巧妙地替老虎選擇更硬的鞋墊。紀凱容指出，哺乳動物終其一生只能穿著與生俱來的天然鞋墊，人類卻可以不斷研發，這個研究成果，可以提供未來設計運動鞋以及選擇鞋墊材料上的靈感。


中國時報 2010/03/24


Kai-Jung Chi ,V. Louise Roth (2010). Scaling and mechanics of carnivoran footpads reveal the principles of footpad design. Interface,