运动鞋结构优化背后的生物力学

在过去的30年，运动鞋经历了革命性的变化，现代运动鞋采用了大量高科技缓震材料，以Nike和Adidas为代表的国际一线品牌运动鞋，以其功效卓越并不断创新的核心技术，引领着专业运动鞋的技术方向和大众运动鞋的时尚潮流。

Nike的核心技术是air气囊鞋底科技和后跟稳定技术，Adidas的核心技术则是HUG环抱系统、GCS地面控制系统和智能芯片技术。

虽然这些核心技术各不相同，但无论怎样创新，都必须遵循一个基本原则，即必须符合人体运动的生物力学原理。

每一项核心科技的提出，都与足乃至踝部的生物力学密切相关。其结构设计都必须符合足形结构、足踝结构的生物力学功能，并符合足与地、足与鞋、鞋与地之间相互作用的生物力学原理。

今天我们便通过运动鞋，来聊聊那些与“足-鞋-地”相关的生物力学研究。

早期的运动鞋生物力学研究多集中在足的形态与结构，继而是运动学和动力学测量与分析，现今是高新技术和新材料的应用，其进展都依赖于生物力学测量与分析技术的进步。

足作为下肢的末端环节，通过直接（裸足）或间接（鞋）与外界接触，并发生力的相互作用，从而改变人体的运动状态。因此，足的结构与运动功能的生物力学问题是运动鞋生物力学研究的基础。

足部的生物力学研究主要涉及足的形态与结构分析、足的运动学测量分析、足的动力学测量分析和足的生物力学建模分析。

三维高速运动捕捉摄像技术的应用为足部运动的测量分析提供了理论与方法基础。

一项发表于Sports Biomechanics上的研究便利用Qualisys三维运动捕捉系统验证了羽毛球鞋前脚掌弯曲刚度的增加是否会对羽毛球特定动作中的敏捷性、舒适性和生物力学变量产生积极影响。

△生物力学测试的试验设置

结果表明，前脚掌弯曲刚度的改变会影响个体的舒适度，但不会影响羽毛球特定任务测试中的运动表现和下肢运动学。由此得出的结论是，羽毛球鞋前脚掌结构和材料的优化应考虑个人的感知，从而在运动表现中使前脚掌舒适度最大化。（DOI：10.1080/14763141.2017.1321037）

近年来，随着计算机和图像处理技术的不断发展，其应用领域不断扩大，足底动态压力分布的测量与分析技术已经广泛应用于足与鞋底的动力学测量。

动力学从传统足印测量发展到三维测力台（Kistler等）和穿戴式的压力测试鞋垫（XSENSOR等）测量，测试区域也更为细致，实时记录各区域的动态动力学变化。

足底压力分布测试技术可以应用于不同项目运动员足底压力特点和规律的研究，已经为辅助改良鞋的设计和矫形鞋的设计与制造提供了科学依据和建议。

△鞋垫式足底压力&步态测试系统X4

运动学和动力学测量可以深入地分析足形结构的运动功能及特征。而仿真模型分析软件则可以模拟足内部的骨骼肌肉组织，以探究足运动的生物力学原理和足踝损伤的机理。

足底与支撑界面之间的压力及其分布的测量，可以为研究足部的结构与功能、足损伤的预防与诊治和身体的姿态与控制提供重要的信息。

“足-地”、“足-鞋”和“鞋-地”界面间相互作用的生物力学问题，既是生物力学研究的主题，也是运动鞋设计制造商关注的重点。

不同的地面条件，为足与地的相互作用提供了不同的运动界面，而不同的运动界面是引起足运动损伤的重要原因。

KSolitus等的研究指出，若运动界面的材料太软或太硬，都可能造成运动性足伤害并影响人的运动表现。Caire等的研究指出，足底各部位的压力分布相对平均，可以有效降低足运动伤害，并可以对鞋尤其是运动鞋的功能设计提出关键要求。

从鞋子结构上来说，不同的运动鞋可通过鞋的中底材料及鞋底结构进行能量吸收与释放，以缓冲足底所受撞击力，达到预防、降低足部疼痛和足受伤。

鞋垫的硬度变化也会改变力对足部骨结构的作用，并可能导致骨疲劳性损伤。柔软内垫会减小韧带牵引张力，而内垫坚硬则会相反。

此外，不同重量的运动鞋对足部和小腿肌群也有所影响，I-Lin Wang等人通过结合三维运动捕捉系统、表面肌电图以及测力台等生物力学研究设备来探讨不同重量的鞋子对跑步时小腿不同肌群的影响。最终得出结论，在制动阶段，穿175克跑鞋比穿415克跑鞋时腓肠肌外侧肌的贡献更大，因此，跑步时穿轻便鞋可能会在制动阶段导致腓肠肌疲劳。（DOI：10.1186/s13047-020-00415-x）

△实验用鞋：从左至右 175g，225g，335g，415g

△全身动作捕捉的标记点设置

在运动过程中，鞋既能降低运动损伤，又能提升运动表现， 落地缓冲阶段提供稳定性保护作用并储存能量，在蹬离地面阶段则将储存的能量转换成弹性势能，通过能量回归使人体提高跑速和减少能耗。

运动鞋的新概念和新技术日新月异，有些概念还只是商业炒作，缺乏必要的生物力学原理分析，有些技术还因为商业机密封存在实验室。但运动鞋的生物力学研究前景广阔，已成为国内、外运动生物力学研究的热点领域。

来源：赢富仪器

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