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跑鞋是人体运动时最常见的运动装备，其在设计之初主要用于保护足部皮肤不受地面伤害。如今，不同人群对跑步体验的要求越来越多样化，这需要跑步鞋的设计和功能更加贴合人体运动规律，并根据足型特征、运动场景、运动需求和个性化功能等特点，以满足不同人群对鞋舒适性、保护性和运动表现等功能的需求。
生物力学是研究人体运动时力学特征的学科，随着技术进步，研究重点由解剖层面逐渐转变为运动规律和力学机制。生物力学设计原理和生物力学表现成为大厂研发与销售噱头重点。
在跑步过程中，遵循生物力学规律的跑步鞋设计，可以更加精确地把握跑步鞋与足部的结合，满足对跑步鞋的功能需求。
舒适性作为鞋的基本要求，其设计不仅要满足合脚性，还要契合跑步时的生物力学变化。由于舒适性评测需要结合主观感受，寻找合适的评价方法成为难点。
保护性的目的在于降低跑步损伤风险，通过材料和结构优化以提高缓冲和抗翻转功能。然而，保护性往往忽视了人的主动控制能力，使得其实际功能与预期效果存在差异。
随着跑步需求的差异化和场景的多样化，跑步鞋的迭代加快，穿着者对鞋的个性化需求逐渐增加，对功能性设计提出了新的要求。
1.1 足型数据模型的优化
舒适性是鞋最基本的性质，良好的舒适感是设计鞋的重要参考因素，大量学者的研究发现，鞋的舒适性还与疲劳、下肢损伤和跑步表现等生物力学指标相关。保证舒适的前提是使鞋楦的设计贴合足部复杂的结构和个体差异性。
足为唯一与地面直接作用的末端环节，由26块骨、33个关节和112条韧带组成，足型与鞋楦的契合程度决定了在跑步时对鞋的舒适性感知。对不同人群的足型研究具有重要价值，足型可简化为包括长度、宽度和围度3大类、足长、足弓指数等14项指标的足型评价体系。不同性别与年龄的足型存在差异。目前，构建与应用符合中国人的足部模型，已成为国产品牌鞋楦设计的趋势。
图 1 基于三维足型扫描的足部特征点识别
1.2 舒适性的主客观综合评价
足型数据是鞋楦设计的基础（如图1）。在跑步过程中，生物力学参数变化也会影响穿着感受。如何将客观的生物力学指标与主观的舒适感进行联系是目前的热点与难点。跑步动作和持续时间等也会影响着鞋的体验。
例如，在20公里以上的跑步过程中，足底后跟区、足弓区和第一跖趾区压力增加，对鞋的舒适性感知会下降。同时，在走、跑等不同的运动形式下，影响舒适性的因素也不同，比如山地荒漠越野跑。鞋的舒适性，不仅需考虑静态足型特征，更要考虑跑步时的生物力学规律。
图2 结构减震
2.1 鞋内生物力学参数测试方法的优化
现阶段对跑步鞋的功能研究主要集中在保护性。保护性一般通过增强鞋底的缓冲性和减震性实现。目前的减震方式可大致分为结构减震（图2）和材料减震，然而以往对缓冲的评价多集中于足底力学和踝、膝的运动学参数，无法有效测量穿鞋时的足部运动特征。
靠有限元分析建立地面-鞋底-足部的模型等模拟仿真技术，有效解决了鞋内生物力学数据难以测量的问题，有效预测了鞋的减震性能。相比于鞋底材料，鞋底形状对足底压力的影响更为显著，且鞋底形状还会改变足底筋膜的受力。
2.2 结合神经肌肉控制的保护性设计
目前，对保护性设计能否降低下肢损伤仍存在争议。缓冲跑鞋的普及并没有降低由于跑步导致的下肢损伤。鞋底和地面硬度会影响跑步时的下肢姿势，但足底所受的最大冲击力和力的载荷率并没有因为鞋底硬度而发生改变，相比于裸足，穿鞋时足部位置觉降低。长时间穿着过度保护的跑步鞋会导致足部肌肉能力下降。
鞋的保护功能需考虑人体的主动控制能力，在疲劳后，人体神经肌肉控制能力下降，高缓冲跑步鞋的缓冲保护功能更为明显。
图3 鞋底设计
3.1 鞋底的设计
合理的跑步鞋设计可以有效提高跑步经济性。在跑步时，鞋底作为鞋重要的缓冲部位，决定着足底力学特性，影响着跑步表现（如图3）。跑鞋鞋底的合理屈曲刚度可以降低能量损耗。轻量化是提高经济性的重要因素，鞋中底的碳板和外底缓冲单元可以在一定程度上提高跑步效率。
3.2 极简跑鞋
极简跑鞋取消了中底的缓冲设计，鞋底较薄，前足和后足高度差更小，帮面刚性较低，其设计既保护了足部皮肤免受外界环境的伤害，又可尽量还原裸足跑的生物力学特征，有助于足底感受器感知外界环境，有助于提高足踝功能。
4.1 基于足底力学特征的矫形鞋垫
鞋垫已经成为个性化的运动和康复辅助装备。矫形鞋垫根据人体足部模型和运动时足底特征进行定制，可根据需求进行单密度和多密度设计，提高着鞋的舒适感，甚至提高运动表现。矫形鞋垫设计首先需要考虑足型与运动的专项特点。
4.2 结合足底本体感觉研制鞋垫
本体感觉是人体对位置和运动的感知与感觉。在跑步时，人体通过足部拉力与张力变化来感知外界刺激和足部关节位置变化，实现平衡与稳定。这种足底触觉反馈有助于增强足部本体感觉功能，提供身体相对于地面的相对位置反馈。
皮肤在感知外界信息时，优先编码触觉信息。足底不同区域的触觉敏感性存在差异，足跟区域的激活阈值高于足弓外侧和足趾。足趾区域的触觉感受范围要高于足跟区域和跖骨中部区域，足趾和足外侧边界的触觉反馈可能对站立平衡的控制更有意义。
为使肌肉更多地参与运动调节，增加运动控制能力，本体感觉增强定制鞋垫与足接触部分的硬度较高，增加对足底触觉的刺激；是结合了神经控制和运动矫正的新型辅助装备。
跑鞋的功能性设计正朝着科学化、多样化和个性化的方向发展。足部模型的优化和测评方法的进步为舒适性和保护性设计提供了理论和方法支持，让跑鞋设计更具备多样性。定制鞋垫设计进一步满足了个性化需求。
文/
白啸天 清华大学体育部
霍洪峰 河北师范大学体育学院
图/pinterest
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