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| 步态分析在鞋类设计上的应用 |
| 发布时间:2008-11-6 20:49:38 |
步态分析是利用生物力学原理和人体解剖学、生理学知识，借助现代计算机技术，用数字、图像和曲线对人体行走、跑、跳等运动时的脚部受力状态进行对比分析的研究方法。
步态分析应用于制鞋业，主要是通过对人体运动时的足部的压力分析和步态分析，测量足底部各点的压强、压力、重力线等，找出脚及下肢移动变化及各关节如踝、膝、臀、腰等部位的力学规律，并进行数值分析，提出对鞋楦、帮底结构、材料等的理想设计方案，再通过效果的测试，从而达到最佳的穿着状态。
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| 图1、 支撑反作用力作用在脚上的分力 |
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| 图2、 跑动过程中脚的外翻 |
应用
人体脚部的步态运动是制鞋业的一个重要基础研究领域，它对鞋类舒适性的构成起着关键性作用。目前步态分析多应用于运动鞋的设计，例如步姿纠偏、能量回输和减震等。
◆ 步姿纠偏
通过对运动员运动过程的足底压力分布、足底重力线的走向进行分析，寻找鞋能给脚的最佳矫正方案，使脚可以根据着力的需要，来有效控制扭转外偏（或内偏）的角度，保持正直步姿，加大运动动能，同时避免脚踝部的扭伤。
◆ 能量回输
能量回输是运动员在运动过程中，当脚落地时，鞋能通过变形来吸收地面对脚的冲击，即吸收能量，当脚离地时，鞋又将所吸收的能量回输给脚部，以增加跳跃高度或加快跑步速度。世界著名品牌耐克、阿迪达斯（ADIDAS）等在这方面有很深入的研究，并应用在竞赛鞋上，取得了良好的效果。
◆ 减震
美国材料测试学会ASTM对运动鞋的减震功能定义为：借助外力作用时间的增长，使冲击力峰值的能量降低。也就是说，撞击过程的持续时间长，变形量大，减震功能就好。在这方面的研究我们了解的比较多的，如耐克（NIKE）的AIRMAX、ZOOMAIR气垫防震系统，锐步（REEEBOK）的DMX活气垫防震系统，匡威（CONVERSE）的REACT减压避震系统等，都有着很强的减震功能。
设计
我们以跑鞋的设计为例，简单介绍步态分析与鞋的结构设计。
◆ 跑的动力学简介
人体在跑动过程中脚每次着地时都承受了负荷，运动生物力学常用的参量有地面支撑反作用力的特性及脚在支撑面所受压力的分配情况。
1、支撑反作用力
地面和脚之间的作用力可分为三个方向的分力（图1），Fz支撑反作用力在垂直方向的分力，是用来克服身体重量以进入腾空阶段的力；AP是支撑反作用力前后方向的分力，是向前跑的动力；ML是支撑反作用力的左右方向分力，使运动方向与前进方向出现夹角，影响到运动方向的改变。
2、跑动过程中脚的外翻
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图6、 运动员穿跑鞋跑步与赤脚跑不得压
力值对比图 |
跑动过程中当脚着地时由于髋关节的转动而产生的扭力导致脚后跟向内、向上翻，这就使使得脚的外侧先着地，然后随着脚着地时地面冲击力量的增加使脚掌迅速向下运动，有研究认为，这时的冲击力量与跑的损伤有很大关系。
◆ 跑步运动的步态分析实例
被测试运动员赤脚以4米/秒的速度跑步，压力的最大值（312千帕）出现在脚后跟着地的15毫秒，见图3；从40毫秒开始脚掌前端跖趾部位的力逐渐加大，60毫秒开始脚掌前端的压力最大值超过跟部，见图4；120毫秒前掌压力达到最大值（330-335千帕），这也是脚跟离地时间，从分力上显示有一个很强的推动力移动到脚的拇指上，见图5；测量结果还显示，脚底的压力随跑速的增加而增大，且主要由脚跟中外侧和前掌中内侧、拇趾下承担。
◆ 跑鞋的步态分析测试实例
对跑鞋的测试通常有两个目的，一个是检验鞋的穿着情况，另一是为不同的穿着对象选鞋。
1、穿跑鞋与赤脚的对比
图6是运动员穿跑鞋跑步与赤脚跑步的压力峰值对比图，二者的差距很大，穿跑鞋在脚跟、跖骨前端的压力最大值比赤脚减少约50%，而且压力被重新分布，使脚底压力趋于均衡。
2、不同结构的跑鞋对比
研究发现，跑鞋的结构可以改变脚的着地部位和脚底压力。图7显示了两种跑鞋对改变脚的受力存在极大的差异，其中A类鞋脚的拇指和第一跖骨在跑的动力功能上起到了非常大的作用，B类鞋导致受力的部位发生变化，第一、三、五跖骨都起到了很大作用。
◆ 跑鞋的结构设计讨论
从上面的分析看，跑步过程中大量的压力集中在脚掌的前端，而跑的动力也大多来自前脚掌，所以跑鞋的前掌部位设计师非常关键的。
1、鞋楦设计
跑鞋的鞋楦设计重点在围度、跷度和前掌凸度的尺寸控制上。
围度方面应以控制脚的稳定和足后部前旋为主。有效的控制跑动中脚背的活动速度和幅度，鞋楦的基本宽度要至少小于皮鞋3mm，以更加“服脚”；步态分析显示，脚跟部的最大值出现在偏外侧，并导致足部前旋和外翻，而大量的研究表明，足后部前旋与外翻与膝、腿和足部损伤有关，故鞋楦后部肥度要适当减少，以保持脚后部的稳定并帮助控制脚的前旋，锺心宽度也要减少2-3mm，以更加“把脚”。
适当加大跷度。从步态分析看，跑步的动力大部分来自前掌，较大的跷度可减少跖趾关节的弯曲力量，而直接帮助推动前掌，所以跑鞋的前跷设计应较大，尤其是短跑鞋。中长跑运动员以脚跟先着地者居多，这会使得跟腱的肌肉超量离心收缩而造成跟腱损伤，加大后跷对跟腱的损伤有着重要意义。图8、图9是阿迪达斯为北京2008奥运会提供的竞赛短跑鞋和中长跑鞋。
前掌凸度应视穿者对象设计。前面图7中A类鞋适当加大了前掌凸度1-2mm，脚的拇指和第一跖骨在跑的动力功能上起到了非常大的作用，适合爆发力较大是短跑鞋设计；B类鞋适当减小了前掌凸度1-2mm，使受力的部位发生变化，加大了前掌的受力面积，使压力分布趋于均匀，第一、三、五跖骨都在跑的动力功能上起到了作用。
2、帮面结构
跑鞋的帮面结构应力求帮面完整，尤其是在鞋帮前部。因跑动过程中脚前掌的压力较大，脚掌的肌肉膨胀量也较大，所以要尽量减少接帮缝线，以防止线缝对脚的压迫、磨损，帮面材料也以弹性好、重量轻为宜，对于中长跑鞋，帮面材料的吸湿透气性也非常重要。
3、底部结构及材料
为了控制脚着地时由于髋关节的转动而产生的扭力导致脚的外翻，应使用后跟内侧适当加高的楔形底。阿迪达斯的扭力系统是鞋底的前掌和后跟被扭力槽分隔成两个部分，扭力槽可以根据跑步姿势的需要，有效的控制扭转角度，把扭幅控制在一定的范围内，加强了对脚的保护。
研究表明，较软的材料具有较好的减震性，但同时会损失运动能量，所以高的减震功能更多用于日常的训练鞋上。我们可以看到专业的跑鞋底部是薄而硬的，以最大限度的减小重量和发挥运动效能，因为赛场上运动员是用身体的极限去争取好的成绩，甚至不惜以伤痛为代价，换言之，专业竞赛鞋的步态分析更趋向于如何有效的增加运动效能，提高运动成绩、降低体耗、减少运动伤害，而日常穿着的运动鞋则更趋向于对脚有效的进行防护。
现状及发展趋势
步态受到人体解剖结构、生理功能、运动控制能力及心理状态等多种因素的影响，四肢、躯干、神经系统或某些身体病变，均可造成步态异常，故步态分析多用于医疗、康复，通过步态测试来分析不同疾病所造成的步态异常，以为患者提供精确的诊断和治疗评定，也是当前生物力学研究的热点。
近年来，我国在步态分析研究方面也取得了很大的进展，许多大专院校、医疗机构引进了德国、比利时等先进的步态分析设备，但多用于医疗、康复及假肢制作。在制鞋业，也有相当一些科研机构、大专院校的“研究成果”不断推出，所谓“鞋的适脚性及舒适性”的研究铺天盖地，但研究与应用严重脱节，致使我国鞋业的“步态分析”多处于“炒作”状态，更多的是把精力放在模仿国际品牌的“科技营销”上，而不能脚踏实地的去研发产品，与国际先进水平有着相当的距离，在我国几乎没有一双完全拥有自我知识产权、自行设计制造、蕴涵高科技的运动鞋，这是我们不能回避的现实。
随着品牌竞争日趋激烈，一些国际著名品牌在在步态分析方面的研究日渐深入，并形成了一整套创新产品的研究模式，非常注重研究设计与实际应用的结合，在步态分析的基础上，研究新结构、新材料和新工艺，保证了产品的功能性，不但为专业运动员定制出具有高效能的竞赛鞋，更得到了消费市场的认可，创立了品牌的领导地位。德国阿迪达斯专为北京2008奥运会提供的专业竞赛鞋就显示了当今的科技成果和未来的发展趋势，完美的诠释了“运动与科技”的结合（图8～12是阿迪达斯为北京2008奥运会提供的部分专业运动鞋）。
让人感到欣慰的是，我国在研究日常用鞋的鞋楦方面走在了前面，如温州鹿艺鞋楦研究中心，利用足底压力测试系统对成年女性脚在0-100mm跟高时足底受力状况进行了步态分析，并经过大量的成鞋测试，确定了安全、舒适、合脚的鞋楦后身形体曲面，这是我国首次将步态分析应用于鞋楦的研究，也是目前我国真正将步态分析应用于企业生产的少数案例之一。同时，一些运动鞋企业也开始加大了科技投入，如晋江国辉鞋服有限公司，与德国novel公司共同组建了“中德生物力学实验室”，使用国际先进设备及技术进行步态分析等研究，以提高产品科技含量，促进产业转型升级。我们希望在不久的将来，我国运动员也能穿上我们自己研制的竞赛鞋去创造新的运动奇迹。
作者：丘理（中国皮革和制鞋工业研究所） |
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