现代运动鞋科技创新研究综述

现代运动鞋科技创新研究综述朱菡笑，李建设，陆毅琛，顾耀东（鄞州职业教育中心学校 体育组；宁波大学体育学院）摘要:以运动时人体足部各环节与运动鞋设计、材质、使用性能之间的关系为研究对象。对制鞋材料、防震体系等进行材料学、生物力学、生理解剖学等多方面的分析和研究。旨在指导设计适合各种运动需要的运动鞋，使运动鞋的使用更科学、安全、可靠。关键词:运动鞋；防震体系；弹性；能量回归；透气 A Summarize Research of the Science and Technology Innovation in the Sports Shoes ZHU Hanxiao,LI Jianshe,LU Yichen,GU YaodongAbstract :The research studies the relationship between the taches of foot and the design,the material,the capability of the shoes for sports in order to help the athletes making perfect performance with foot. The material, the shockproof system and other innovative designs for sports shoes are analysed and studied in the fields of Sports Biomechanics and Functional anatomy,etc. The aim of this research is to use science and technology guiding the design for sports shoes which are required for all kinds of movements.Key words : Sports shoes; Shockproof system; Springiness ; regression of energy; Breathe freely1. 前 言：随着社会经济和科技的发展，运动鞋的内涵已不断扩大。运动不仅在竞技场上如火如荼的演绎，更是渗入大众的业余休闲生活中。现代科技作用于体育装备，可以促使运动效果更为显著，运动水平更为优秀。因此，作为最基础的运动装备运动鞋已实实在在地渗透到每一项体育运动中。广义上的运动鞋（包括专业运动鞋和普通运动鞋）在一些体育和经济发达国家的鞋类消费总量中已占1/3。现代运动鞋已不只是满足耐用舒适的功用，而是从不同运动中寻找运动特点、最佳防震性能和最佳稳定性。其中运动鞋的防震体系又成为众多要素中的焦点问题。2. 运动防震鞋的种类及生物力学分析2.1 材料的力学特性 制鞋材料的力学特性包括弹性、质量和强度等。特别是鞋底的前脚掌部分材料和防震体系材料的弹性对跑、跳等活动将产生很大的影响。在蹬地时相，材料受到冲击载荷的作用，将被压缩。落地缓冲时相，材料又受到冲击而再次压缩。其力学意义有两个方面：（1）由于鞋底为地面与人体之间的中间体，因而对人体而言，由于鞋底的弹性，地面对人体的冲击力将得到有效的缓冲。可使下肢肌群退让性工作适当减少，以利于后蹬阶段肌群的克制性工作。（2）从能量转换的角度分析，由于弹性，可储存部分弹性势能，实现能量的二次利用，增加后蹬时的后蹬力。鞋的质量大小亦对运动能力产生影响，鞋是人体的附加物，鞋的质量越大，在运动过程中消耗的能量累积也越大，在保证足部运动安全保护的前提下，适当减小鞋重是非常有效的。耐克公司为百米女飞人琼斯特别设计的无后跟跑鞋就应证了这一点。2.2 鞋足系统的整和性 鞋足系统的整和性主要指鞋的内部结构、形状与人体足部结构与形状的匹配问题。特别是运动时足部的变形特点以及蹬离和落地方式不同，从而对鞋内不同部分的作用力有显著的运动项目特征和人体个性特征。另外，为了使运动时蹬伸更有力，落地缓冲时足部受压更小，鞋子防震体系设计往往越来越复杂，但这就容易增加增加鞋底的高度，使得鞋足之间的稳定性下降从而使足部受到运动创伤。最后，在运动时鞋内部的温度也影响运动员的舒适感，因为运动时足部释放大量的热和汗，一般性运动时，足每小时产生15毫升左右的汗水，剧烈运动时，足每小时产生30毫升左右的汗水。如果制鞋材料的透气性不佳，热和汗将无法及时散开而造成水泡、脚藓等疾病。鞋足系统如果在以上提及的任何一处不协调，都将影响运动鞋的舒适感，进而对运动动作结构产生不利影响从而影响成绩。此外就是能量回归，运动中当脚落地冲击地面时，鞋通过受压变形而吸收能量，当人举步离地时鞋又能将能量回输给穿鞋人，此称为“能量回输”，这种能量回输能强化动作，使跑步更快，跳跃更高，人更省力。根据这一理论，要求鞋底具有双重特性减震和回弹。2.3 运动防震鞋的种类及力学分析2.3.1美国最大牌运动品耐克（NIKE）AIRMAX气垫防震系统是以高压方式将一种特殊气体灌入一个坚韧合成的橡胶层内，气垫中的气体不会因外来冲击力而流失，气垫内不同压力的气室，提供不同MAX AIR，针对不同运动的需要。ZOOMAIR气垫防震系统是气室内放置弹性功能佳的尼龙立体织物，没有任何接缝，表面光滑。能使脚更贴近地面，以降低重心增加稳定性。超薄外型减少使用中底材料，且使用PHYLON为中底，比使用PU中底轻。气垫表面无接缝，比其他多50%容量，减少空间以换取更大避震效果。TUBULARAIR气垫防震系统是以八脚章鱼般的管状气室设计使气室互相流通，使脚下作用力更为顺畅，增加落地时的稳定度。SHOX防震是在鞋跟部位装了数个COLUMNS（回力柱），这些回力柱采用的特殊高弹性发泡材料与一级方程式赛车的悬挂系统的概念如出一辙，而且质地轻盈、吸收地面传来的冲击力，受压初期迅速压缩以缓和足部动作，然后迅速恢复到原来高度的过程中再释放出动力，保护腿部各关节并同时降低脑部受到震荡的危害。2.3.2美国最早的运动鞋生产商锐步 （REEEBOK）蜂窝式气垫防震系统是由若干个犹如小蜂室的小气囊组成，各自是独立的气室，整块气垫犹如蜂窝，各个气室能承受运动时足部不同的分压，从而分散对足部的压力而得到缓冲。DMX活气垫防震系统是运动鞋前脚掌拥有一个大气室，后脚掌除配有一个大气室外，更附加了后脚跟及侧边气垫，可以防止足部侧翻。其中缓冲式的空气调节阀使空气流通更稳定，保护足弓肌肉。此外，为避免扭伤足踝，舒缓脚后跟的反作用力，避免脊椎、膝盖受到的压迫，鞋后跟采用弧型斜脚设计，使后跟足部先着地，再借由TUP支撑片将稳定性提高，通过活气垫气室中空气的流通，发挥吸震、抗压与舒适的功能。2.3.3德国体育用品元老阿迪达斯（ADIDAS）扭力系统是基于该公司于20世纪80年代提出的“纠正跑步扭偏”的理论。根据该理论，鞋底的前掌和后跟被扭力槽分隔成两个部分，断开的部分称为扭力槽（或扭力条）连接。由于扭力槽的存在，脚可以根据跑步姿势的需要，顺其自然的产生扭动而产生扭力，并在扭力的作用下，有效的控制扭转角度，把扭幅控制在一定的范围内。当跑步离地时，扭力条因脚的摆动而弯曲，产生杠杆力，控制扭转角度，可以在一定程度上加大跑步的能量，又可以补偿因腿的扭摆所带来的危害。当扭力产生时，若鞋底不足以阻止扭力造成的脚踝“外倾”或“内倾”，必然使脚步弯曲，这样就失去了对脚的保护，且能量不能有效的回归腿部，致使能量消耗增大，影响运动水平的发挥。2.3.4德国体育用品商彪马（PUMA）。它在足球鞋的制作上独树一帜，1954年防滑球鞋和保护脚踝的鞋诞生；1960年首创硫化粘合鞋面和鞋底；70年代，PUMA推出PU多功能钉鞋底及可拆除的防滑片，令足球鞋更富弹性、耐用、轻便；80年代首推可换钉的多功能足球鞋，它的吸震EVA广泛成为业内标准；90年代，PUMA在鞋面加入KELVAR物料，采用金属防滑片，在鞋头及易损耗的鞋钉上加上摩擦系数更大的氧化铝,以便提高足球鞋的耐用性。2.3.5意大利斐乐（FILA）FILA拥有3A专利（3 ACTION系统），它满足了直向及横向运动的需要。前掌3ACTION小心保护脚趾，同时提供适当柔软度。后跟位置的3ACTION能保护脚跟在着地时受到的冲击。脚跟独立的3ACTION更能包容不同步态带来的震荡，防止脚外倾，降低扭伤。透明封闭式气囊吸收低频率冲击，创新形状有效吸收高频率冲击。气囊+核心能提供持久减震、超级稳定和有效的能量回归。在其他方面FILA还有类似F1赛车式的流线性外体鞋型，以减少空气阻力。压缩橡胶（CMR）中底、脚窝模胶以加强稳定性。2.3.6日本美津浓（MIZUNO）MIZUNO采用创新的波浪防震技术，即鞋的前脚掌和后脚跟由一块压缩橡胶（CMR）制成的波浪型，而且中空的鞋掌和鞋底与整个鞋底胶合，从而充分利用压缩橡胶的柔韧性有效缓冲运动中落地时对脚的冲击。2.3.7美国匡威（CONVERSE）CONVERSE采用REACT减压避震系统，可有效分散冲击力，仅中底部的油包（内容物是胶固体）就能承受1800磅的垂直冲击力。此外CONVERSE还独创稀有气体氦气填充的氦气垫。氦气则比空气轻7倍（空气质量是氦气的7倍），因此整个防震系统就减轻了鞋本身的重量负荷，以提高轻便性。2.3.8其他品牌。茵宝（UMBRO）、乐途（LOTTO）、王子（PRINCE）、威克多（VICTOR）、李宁（LINING）等其他运动厂商在各自擅长的领域，如足球、网球、羽毛球、体操都有各自不同的研究与贡献，但归纳起来不外乎以上所涉及的类型。2.3.9 除“美津浓”和“匡威”以外，各类防震技术都不同形式的采用了气垫技术防震，就像高级轿车的安全气囊一样，达到不同程度、形式和要求的脚步冲击力缓解、能量回归和足部保护的功能。其中不少运动鞋厂商也采用了“鞋中鞋”技术，即内鞋由柔软舒适、透气性好的面料制成并配有防震体，外鞋由提供保护和耐磨的TPU框架及尼龙网布构成。由于各种气垫鞋在保护足部的同时不可避免地使脚底离地面的高度相对提高，从而使得运动时轻松自如的控制能力相对降低，且脚的稳定性不同程度的降低，“鞋中鞋”技术使脚底离地面的距离比普通鞋减少了25%，有利于脚在运动时更贴近地面，更自如的改变运动方向而不扭伤脚踝。“美津浓”波浪防震和“匡威”油包防震设计避免了气囊式运动鞋容易被尖锐物品刺破而失效的弱点，这两种设计满足了不同运动场地条件下运动的避震保护效用。3. 足部机能解剖特性与鞋足防震系统的结构分析3.1 踝关节（距小腿关节）在冠状轴上除可作背屈、跖屈运动外，当跖屈时，距骨滑车较窄的后部进入宽大的关节囊，故可在垂直方向上可作轻微的侧向（收、展）运动，收展活动角度均离中位20度。跗骨间关节多为微动关节，有距跟关节、距跟舟关节和跟股关节等，其中前二关节在运动时能使足内翻和外翻踝关节，内翻、外翻角度均离中位35度。运动时，内翻通常伴有跖屈，外翻通常伴有背屈，因此，运动中踝关节内翻时，脚底平面与地面的夹角是35度，踝关节外翻时脚底平面与地面的夹角是15度。所以在运动鞋防震体系的设计上必须遵循这一生理解剖特点。足内翻时防震体在受到压力压缩缓冲过程中，鞋内底内侧和外侧受到的冲击不同，因而防震体的变形度大相径庭，鞋内底受到不同压力而变形（内侧高，外侧低）后的倾斜面与地面夹角不得大于35度，否则踝关节必将在运动中因防震体系自身的缺点而损伤韧带。从机能解剖上看，踝关节外侧副韧带较内侧薄弱，足内翻肌群较外翻肌群肥厚，所以在足踝剧烈运动时，容易产生踝关节内翻过度，导致外侧副韧带损伤。同样，在足外翻时，鞋内底受压变形（内侧低，外侧高）后形成的倾斜面的平面与地面夹角不得大于15度，以防止内侧副韧带损伤。3.2 跖趾关节的活动范围在水平脚面的上下45度内，因此，运动鞋前端位于跖趾关节处应注意弯曲度不得大于45度，否则运动时的一些意外伤害中，跖趾关节将很有可能被扭伤。3.3 足弓部位的鞋型设计要符合生物力学原理【6】。足弓部位鞋垫较为高突的设计有利于维持足跟部运动的稳定性，防止跗中部、足跟因形成局部承重点所导致的运动时或运动后的疼痛和跖腱膜炎的发生。表1是10名被试在有足弓垫突起鞋和无足弓垫突起鞋两种状态下的足部平均压力值及占体重百分比的比较。表1：两种状态下足部平均压力值及占体重的百分比部 位无足弓垫突起鞋（ g , % ）有足弓垫突起鞋 ( g , % )前足6712 g ， 27.7%3767 g , 14.6%足弓6494 g , 26.8%14732 g , 57.1%后足11025 g, 45.5%7301 g , 28.3%表1显示：在鞋型设计上有足弓垫突起的状态下，人体前足的平均压力是无足弓 垫突起状态下的56.12%，减少了43.88%，体重百分比减少了13.1%；人体足弓部分受的平均压力是无足弓垫突起的226.86%，增加了126.86%，体重百分比增加了30.3%；人体后足部分受的平均压力是无足弓垫突起的66.22%，减少了33.78%，体重百分比减少了17.2%。所以足弓垫突起的设计，有利于分散人体对前足和后足压力，转移一部分压力至足弓部分。它能减轻前、后足负重，增强足纵弓的支撑力，缓解跖腱膜的牵张力，对于防治足跟部运动创伤而引起后遗症是一种符合生物力学规律的设计方式。3.4 鞋尖适度外翘，以减少鞋尖的着地面积，起到保护足尖的作用。跟部加厚，在鞋楦设计上加大后翘（12mm15mm）而形成一定的坡度，使运动时身体前倾，有助于减少踵腱受伤，鞋跟部每升高1mm足踵腱松弛率是8%。3.5 人体正常站立时，在足与地面接触的部分，足跟约承受负荷的50%，其余50%由1-5跖骨承受。但由站立转向步行、跑、跳等运动时，足跟提起，身体重心前移，负荷集中于第2跖骨头和第2近节趾骨底上。因此，运动鞋设计必须遵循这一机能解剖学的特点，在防震体系设计上要依照上述特点，在受力点上应设计缓冲效果更佳的弹性或气垫材料，以便缓冲运动中地面对足部这些受力点的压力，保护运动员的足部。4.实验研究分析4.1陆毅琛等，采用中国国家体育科学研究所设备-德国novel pedar足底压力分布测试系统对人体足部三种不同状态下（即裸足、穿着普通防震运动鞋、穿着全掌气垫防震运动鞋）被试连续纵跳过程进行脚底压力、压强的分布解析。4.2实验研究结果分析 （图1.1） （图1.2） （图1.3） 以上三个3D-MVP图（平均足底压力分布三维图）分别显示了人体裸足（图1.1）、穿着运动防震鞋a(图1.2)、穿着运动防震鞋b(图1.3)三种状态下人体进行连续纵跳过程的足底压力分布情况。由以上实验图象1.1可以明显地定性看出人体在纵跳时，裸足状态下在足部各个主要落地点即前脚掌各个跖骨点以及拇趾和第2、3远节趾骨点的平均压力值明显高于足部其他部位，特别拇趾是足部平均压力最高的部位，各点平均压力分布差异性大，这与人体纵跳过程中，落地缓冲力和起跳时地面对足部的反作用力大部分作用于如上所言的作用点，符合自然条件下运动生物力学规律。通过图象1.2的定性分析，可以发现前脚掌各个跖骨点以及拇趾和第2、3远节趾骨点的平均压力值较高于足部其他部位，拇趾还是足部平均压力最高的部位，但是各点平均压力有所减小，分布差异性明显变小。再定性分析图1.3，可以知道足底平均压力分布情况与图1.2有所相似，但是从平均压力分布区域来看，脚弓以及足跟部位压力分布范围更加大，平均压力值更加趋于平衡。4.3实验研究总结 通过对裸足和不同类型防震运动鞋的状态下人体连续纵跳过程中足底平均压力分布特点的定性分析与比较研究，可以发现防震运动鞋可以有效减低纵跳时外界对人体足部的冲击，对减少对足部各个部分的伤害，降低肌肉、肌腱以及神经、血管的受压力，提高运动竞技能力有着不小的功效。此外，不同类型的防震运动鞋对人体足部的防震功效又有着特殊的差异性。5. 结论5.1运动鞋的功能要求。对运动鞋性能要求应着重于两方面：一是满足运动的功能；二是在降低运动员体能消耗的同时对足部骨骼肌腱起保护功能。其中包括运动鞋的：（1）轻质化：确保鞋牢靠的前提下减轻质量，减少能耗。（2）透气：鞋要有良好的透气、透水性。为此一方面从材料着手，另一方面是采用自动进行吸气冲洗的循环底等结构。（3）弹性：鞋需具有良好的弹性，不仅有助于获得良好的弹跳，还可起到节能、蓄能的作用。（4）减震：利用减震系统的减震功能可减少运动对人体的冲击强度。鞋腔和足部形状达到吻合，更可提高减震效果。 5.2 运动鞋的制鞋材料要求。（1）大底：运动鞋大底的功能是保护脚底，同时起到助弹跳、制动、防滑和减震等作用。常用的材料是全胶、全塑、橡胶及PU等。（2）内底：大多内底材料一直延用以EVA为主体的微孔体。（3）防震体系：一般材料包括气体（空气、氦气等）、液体、塑胶、全塑、全胶等。（4）帮衬：主要使用的材料有天然革、棉帆布、尼龙织物、合成革、复合面料等。5.3 运动鞋的弊端运动鞋和旅游鞋鞋底较平坦，可塑性大，富有弹性，对青少年跑、跳起到一定的缓冲作用，因为相当青少年学生喜欢。但长期穿着的弊端是：由于鞋内温度和湿度的提高