現(xiàn)代運動鞋科技創(chuàng)新研究綜述

　　中國鞋網(wǎng)1月8日訊，隨著社會經(jīng)濟和科技的發(fā)展，運動鞋的內(nèi)涵已不斷擴大。運動不僅在競技場上如火如荼的演繹，更是滲入大眾的業(yè)余休閑生活中�，F(xiàn)代科技作用于體育裝備，可以促使運動效果更為顯著，運動水平更為優(yōu)秀。因此，作為最基礎(chǔ)的運動裝備——運動鞋已實實在在地滲透到每一項體育運動中。廣義上的運動鞋（包括專業(yè)運動鞋和普通運動鞋）在一些體育和經(jīng)濟發(fā)達國家的鞋類消費總量中已占1/3。現(xiàn)代運動鞋已不只是滿足耐用舒適的功用，而是從不同運動中尋找運動特點、最佳防震性能和最佳穩(wěn)定性。其中運動鞋的防震體系又成為眾多要素中的焦點問題。

　　一、運動防震鞋的種類及生物力學分析 

    1.材料的力學特性

　　制鞋材料的力學特性包括彈性、質(zhì)量和強度等。特別是鞋底的前腳掌部分材料和防震體系材料的彈性對跑、跳等活動將產(chǎn)生很大的影響。在蹬地時相，材料受到?jīng)_擊載荷的作用，將被壓縮。落地緩沖時相，材料又受到?jīng)_擊而再次壓縮。其力學意義有兩個方面：（1）由于鞋底為地面與人體之間的中間體，因而對人體而言，由于鞋底的彈性，地面對人體的沖擊力將得到有效的緩沖�？墒瓜轮�肌群退讓性工作適當減少，以利于后蹬階段肌群的克制性工作。（2）從能量轉(zhuǎn)換的角度分析，由于彈性，可儲存部分彈性勢能，實現(xiàn)能量的二次利用，增加后蹬時的后蹬力。 

    鞋的質(zhì)量大小亦對運動能力產(chǎn)生影響，鞋是人體的附加物，鞋的質(zhì)量越大，在運動過程中消耗的能量累積也越大，在保證足部運動安全保護的前提下，適當減小鞋重是非常有效的。耐克公司為百米女飛人瓊斯特別設(shè)計的無后跟跑鞋就應證了這一點。 

    2.鞋足系統(tǒng)的整和性 

    鞋足系統(tǒng)的整和性主要指鞋的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、形狀與人體足部結(jié)構(gòu)與形狀的匹配問題。特別是運動時足部的變形特點以及蹬離和落地方式不同，從而對鞋內(nèi)不同部分的作用力有顯著的運動項目特征和人體個性特征。另外，為了使運動時蹬伸更有力，落地緩沖時足部受壓更小，鞋子防震體系設(shè)計往往越來越復雜，但這就容易增加增加鞋底的高度，使得鞋足之間的穩(wěn)定性下降從而使足部受到運動創(chuàng)傷。最后，在運動時鞋內(nèi)部的溫度也影響運動員的舒適感，因為運動時足部釋放大量的熱和汗，一般性運動時，足每小時產(chǎn)生15毫升左右的汗水，劇烈運動時，足每小時產(chǎn)生30毫升左右的汗水。如果制鞋材料的透氣性不佳，熱和汗將無法及時散開而造成水泡、腳蘚等疾病。鞋足系統(tǒng)如果在以上提及的任何一處不協(xié)調(diào)，都將影響運動鞋的舒適感，進而對運動動作結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響從而影響成績。此外就是能量回歸，運動中當腳落地沖擊地面時，鞋通過受壓變形而吸收能量，當人舉步離地時鞋又能將能量回輸給穿鞋人，此稱為“能量回輸”，這種能量回輸能強化動作，使跑步更快，跳躍更高，人更省力。根據(jù)這一理論，要求鞋底具有雙重特性——減震和回彈。 

    3.運動防震鞋的種類及力學分析 

    (1)美國最大運動品牌——耐克（NIKE） 

    AIRMAX氣墊防震系統(tǒng)是以高壓方式將一種特殊氣體灌入一個堅韌合成的橡膠層內(nèi)，氣墊中的氣體不會因外來沖擊力而流失，氣墊內(nèi)不同壓力的氣室，提供不同MAXAIR，針對不同運動的需要。ZOOMAIR氣墊防震系統(tǒng)是氣室內(nèi)放置彈性功能佳的尼龍立體織物，沒有任何接縫，表面光滑。能使腳更貼近地面，以降低重心增加穩(wěn)定性。超薄外型減少使用中底材料，且使用PHYLON為中底，比使用PU中底輕。氣墊表面無接縫，比其他多50%容量，減少空間以換取更大避震效果。TUBULARAIR氣墊防震系統(tǒng)是以八腳章魚般的管狀氣室設(shè)計使氣室互相流通，使腳下作用力更為順暢，增加落地時的穩(wěn)定度。SHOX防震是在鞋跟部位裝了數(shù)個COLUMNS（回力柱），這些回力柱采用的特殊高彈性發(fā)泡材料與一級方程式賽車的懸掛系統(tǒng)的概念如出一轍，而且質(zhì)地輕盈、吸收地面?zhèn)鱽淼臎_擊力，受壓初期迅速壓縮以緩和足部動作，然后迅速恢復到原來高度的過程中再釋放出動力，保護腿部各關(guān)節(jié)并同時降低腦部受到震蕩的危害。 

    (2)美國最早的運動鞋生產(chǎn)商——銳步（REEEBOK） 

    蜂窩式氣墊防震系統(tǒng)是由若干個猶如小蜂室的小氣囊組成，各自是獨立的氣室，整塊氣墊猶如蜂窩，各個氣室能承受運動時足部不同的分壓，從而分散對足部的壓力而得到緩沖。DMX活氣墊防震系統(tǒng)是運動鞋前腳掌擁有一個大氣室，后腳掌除配有一個大氣室外，更附加了后腳跟及側(cè)邊氣墊，可以防止足部側(cè)翻。其中緩沖式的空氣調(diào)節(jié)閥使空氣流通更穩(wěn)定，保護足弓肌肉。此外，為避免扭傷足踝，舒緩腳后跟的反作用力，避免脊椎、膝蓋受到的壓迫，鞋后跟采用弧型斜腳設(shè)計，使后跟足部先著地，再借由TUP支撐片將穩(wěn)定性提高，通過活氣墊氣室中空氣的流通，發(fā)揮吸震、抗壓與舒適的功能。 

    (3)德國體育用品元老——阿迪達斯（ADIDAS） 

    扭力系統(tǒng)是基于該公司于20世紀80年代提出的“糾正跑步扭偏”的理論。根據(jù)該理論，鞋底的前掌和后跟被扭力槽分隔成兩個部分，斷開的部分稱為扭力槽（或扭力條）連接。由于扭力槽的存在，腳可以根據(jù)跑步姿勢的需要，順其自然的產(chǎn)生扭動而產(chǎn)生扭力，并在扭力的作用下，有效的控制扭轉(zhuǎn)角度，把扭幅控制在一定的范圍內(nèi)。當跑步離地時，扭力條因腳的擺動而彎曲，產(chǎn)生杠桿力，控制扭轉(zhuǎn)角度，可以在一定程度上加大跑步的能量，又可以補償因腿的扭擺所帶來的危害。當扭力產(chǎn)生時，若鞋底不足以阻止扭力造成的腳踝“外傾”或“內(nèi)傾”，必然使腳步彎曲，這樣就失去了對腳的保護，且能量不能有效的回歸腿部，致使能量消耗增大，影響運動水平的發(fā)揮。 

   (4)德國體育用品商——彪馬（PUMA）。它在足球鞋的制作上獨樹一幟，1954年防滑球鞋和保護腳踝的鞋誕生；1960年首創(chuàng)硫化粘合鞋面和鞋底；70年代，PUMA推出PU多功能釘鞋底及可拆除的防滑片，令足球鞋更富彈性、耐用、輕便；80年代首推可換釘?shù)亩喙δ茏闱蛐�，它的吸震EVA廣泛成為業(yè)內(nèi)標準；90年代，PUMA在鞋面加入KELVAR物料，采用金屬防滑片，在鞋頭及易損耗的鞋釘上加上摩擦系數(shù)更大的氧化鋁,以便提高足球鞋的耐用性。 

　　(5)意大利斐樂（FILA） 

    FILA擁有3A專利（3ACTION系統(tǒng)），它滿足了直向及橫向運動的需要。前掌3ACTION小心保護腳趾，同時提供適當柔軟度。后跟位置的3ACTION能保護腳跟在著地時受到的沖擊。腳跟獨立的3ACTION更能包容不同步態(tài)帶來的震蕩，防止腳外傾，降低扭傷。透明封閉式氣囊吸收低頻率沖擊，創(chuàng)新形狀有效吸收高頻率沖擊。氣囊+核心能提供持久減震、超級穩(wěn)定和有效的能量回歸。在其他方面FILA還有類似F1賽車式的流線性外體鞋型，以減少空氣阻力。壓縮橡膠（CMR）中底、腳窩模膠以加強穩(wěn)定性。

　　(6)日本美津濃（MIZUNO） 

    MIZUNO采用創(chuàng)新的波浪防震技術(shù)，即鞋的前腳掌和后腳跟由一塊壓縮橡膠（CMR）制成的波浪型，而且中空的鞋掌和鞋底與整個鞋底膠合，從而充分利用壓縮橡膠的柔韌性有效緩沖運動中落地時對腳的沖擊。 

    (7)美國匡威（CONVERSE） 

　　 CONVERSE采用REACT減壓避震系統(tǒng)，可有效分散沖擊力，僅中底部的油包（內(nèi)容物是膠固體）就能承受1800磅的垂直沖擊力。此外CONVERSE還獨創(chuàng)稀有氣體氦氣填充的氦氣墊。氦氣則比空氣輕7倍（空氣質(zhì)量是氦氣的7倍），因此整個防震系統(tǒng)就減輕了鞋本身的重量負荷，以提高輕便性。

　　(8)其他品牌。 

    茵寶（UMBRO）、樂途（LOTTO）、王子（PRINCE）、威克多（VICTOR）、李寧（LINING）等其他運動廠商在各自擅長的領(lǐng)域，如足球、網(wǎng)球、羽毛球、體操都有各自不同的研究與貢獻，但歸納起來不外乎以上所涉及的類型。 

    (9)除“美津濃”和“匡威”以外，各類防震技術(shù)都不同形式的采用了氣墊技術(shù)防震，就像高級轎車的安全氣囊一樣，達到不同程度、形式和要求的腳步?jīng)_擊力緩解、能量回歸和足部保護的功能。其中不少運動鞋廠商也采用了“鞋中鞋”技術(shù)，即內(nèi)鞋由柔軟舒適、透氣性好的面料制成并配有防震體，外鞋由提供保護和耐磨的TPU框架及尼龍網(wǎng)布構(gòu)成。由于各種氣墊鞋在保護足部的同時不可避免地使腳底離地面的高度相對提高，從而使得運動時輕松自如的控制能力相對降低，且腳的穩(wěn)定性不同程度的降低，“鞋中鞋”技術(shù)使腳底離地面的距離比普通鞋減少了25%，有利于腳在運動時更貼近地面，更自如的改變運動方向而不扭傷腳踝。“美津濃”波浪防震和“匡威”油包防震設(shè)計避免了氣囊式運動鞋容易被尖銳物品刺破而失效的弱點，這兩種設(shè)計滿足了不同運動場地條件下運動的避震保護效用。

　　二、足部機能解剖特性與鞋足防震系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析 

    1.踝關(guān)節(jié)（距小腿關(guān)節(jié)）在冠狀軸上除可作背屈、跖屈運動外，當跖屈時，距骨滑車較窄的后部進入寬大的關(guān)節(jié)囊，故可在垂直方向上可作輕微的側(cè)向（收、展）運動，收展活動角度均離中位20度。跗骨間關(guān)節(jié)多為微動關(guān)節(jié)，有距跟關(guān)節(jié)、距跟舟關(guān)節(jié)和跟股關(guān)節(jié)等，其中前二關(guān)節(jié)在運動時能使足內(nèi)翻和外翻踝關(guān)節(jié)，內(nèi)翻、外翻角度均離中位35度。運動時，內(nèi)翻通常伴有跖屈，外翻通常伴有背屈，因此，運動中踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻時，腳底平面與地面的夾角是35度，踝關(guān)節(jié)外翻時腳底平面與地面的夾角是15度。所以在運動鞋防震體系的設(shè)計上必須遵循這一生理解剖特點。足內(nèi)翻時防震體在受到壓力壓縮緩沖過程中，鞋內(nèi)底內(nèi)側(cè)和外側(cè)受到的沖擊不同，因而防震體的變形度大相徑庭，鞋內(nèi)底受到不同壓力而變形（內(nèi)側(cè)高，外側(cè)低）后的傾斜面與地面夾角不得大于35度，否則踝關(guān)節(jié)必將在運動中因防震體系自身的缺點而損傷韌帶。從機能解剖上看，踝關(guān)節(jié)外側(cè)副韌帶較內(nèi)側(cè)薄弱，足內(nèi)翻肌群較外翻肌群肥厚，所以在足踝劇烈運動時，容易產(chǎn)生踝關(guān)節(jié)內(nèi)翻過度，導致外側(cè)副韌帶損傷。同樣，在足外翻時，鞋內(nèi)底受壓變形（內(nèi)側(cè)低，外側(cè)高）后形成的傾斜面的平面與地面夾角不得大于15度，以防止內(nèi)側(cè)副韌帶損傷。

　　2.跖趾關(guān)節(jié)的活動范圍在水平腳面的上下45度內(nèi)，因此，運動鞋前端位于跖趾關(guān)節(jié)處應注意彎曲度不得大于45度，否則運動時的一些意外傷害中，跖趾關(guān)節(jié)將很有可能被扭傷。 

    3.足弓部位的鞋型設(shè)計要符合生物力學原理【6】。足弓部位鞋墊較為高突的設(shè)計有利于維持足跟部運動的穩(wěn)定性，防止跗中部、足跟因形成局部承重點所導致的運動時或運動后的疼痛和跖腱膜炎的發(fā)生。表1是10名被試在有足弓墊突起鞋和無足弓墊突起鞋兩種狀態(tài)下的足部平均壓力值及占體重百分比的比較。

　　表1：兩種狀態(tài)下足部平均壓力值及占體重的百分比    

　　表1顯示：在鞋型設(shè)計上有足弓墊突起的狀態(tài)下，人體前足的平均壓力是無足弓墊突起狀態(tài)下的56.12%，減少了43.88%，體重百分比減少了13.1%；人體足弓部分受的平均壓力是無足弓墊突起的226.86%，增加了126.86%，體重百分比增加了30.3%；人體后足部分受的平均壓力是無足弓墊突起的66.22%，減少了33.78%，體重百分比減少了17.2%。所以足弓墊突起的設(shè)計，有利于分散人體對前足和后足壓力，轉(zhuǎn)移一部分壓力至足弓部分。它能減輕前、后足負重，增強足縱弓的支撐力，緩解跖腱膜的牽張力，對于防治足跟部運動創(chuàng)傷而引起后遺癥是一種符合生物力學規(guī)律的設(shè)計方式。 

    4.鞋尖適度外翹，以減少鞋尖的著地面積，起到保護足尖的作用。跟部加厚，在鞋楦設(shè)計上加大后翹（12mm—15mm）而形成一定的坡度，使運動時身體前傾，有助于減少踵腱受傷，鞋跟部每升高1mm足踵腱松弛率是8%。 

    5.人體正常站立時，在足與地面接觸的部分，足跟約承受負荷的50%，其余50%由1-5跖骨承受。但由站立轉(zhuǎn)向步行、跑、跳等運動時，足跟提起，身體重心前移，負荷集中于第2跖骨頭和第2近節(jié)趾骨底上。因此，運動鞋設(shè)計必須遵循這一機能解剖學的特點，在防震體系設(shè)計上要依照上述特點，在受力點上應設(shè)計緩沖效果更佳的彈性或氣墊材料，以便緩沖運動中地面對足部這些受力點的壓力，保護運動員的足部。

    三、實驗研究分析 

    1.陸毅琛等，采用中國國家體育科學研究所設(shè)備-德國novelpedar足底壓力分布測試系統(tǒng)對人體足部三種不同狀態(tài)下（即裸足、穿著普通防震運動鞋、穿著全掌氣墊防震運動鞋）被試連續(xù)縱跳過程進行腳底壓力、壓強的分布解析。

　　2.實驗研究結(jié)果分析

（圖1）

（圖2）

（圖3）

　　以上三個3D-MVP圖（平均足底壓力分布三維圖）分別顯示了人體裸足（圖1）、穿著運動防震鞋a(圖2)、穿著運動防震b(圖3)三種狀態(tài)下人體進行連續(xù)縱跳過程的足底壓力分布情況。由以上實驗圖象1.1可以明顯地定性看出人體在縱跳時，裸足狀態(tài)下在足部各個主要落地點即前腳掌各個跖骨點以及拇趾和第2、3遠節(jié)趾骨點的平均壓力值明顯高于足部其他部位，特別拇趾是足部平均壓力最高的部位，各點平均壓力分布差異性大，這與人體縱跳過程中，落地緩沖力和起跳時地面對足部的反作用力大部分作用于如上所言的作用點，符合自然條件下運動生物力學規(guī)律。通過圖象1.2的定性分析，可以發(fā)現(xiàn)前腳掌各個跖骨點以及拇趾和第2、3遠節(jié)趾骨點的平均壓力值較高于足部其他部位，拇趾還是足部平均壓力最高的部位，但是各點平均壓力有所減小，分布差異性明顯變小。再定性分析圖1.3，可以知道足底平均壓力分布情況與圖1.2有所相似，但是從平均壓力分布區(qū)域來看，腳弓以及足跟部位壓力分布范圍更加大，平均壓力值更加趨于平衡。

　　3.實驗研究總結(jié)通過對裸足和不同類型防震運動鞋的狀態(tài)下人體連續(xù)縱跳過程中足底平均壓力分布特點的定性分析與比較研究，可以發(fā)現(xiàn)防震鞋可以有效減低縱跳時外界對人體足部的沖擊，對減少對足部各個部分的傷害，降低肌肉、肌腱以及神經(jīng)、血管的受壓力，提高運動競技能力有著不小的功效。此外，不同類型的防震運動鞋對人體足部的防震功效又有著特殊的差異性。

　　四、結(jié)論 

    1.運動鞋的功能要求。對運動鞋性能要求應著重于兩方面：一是滿足運動的功能；二是在降低運動員體能消耗的同時對足部骨骼肌腱起保護功能。其中包括運動鞋的：（1）輕質(zhì)化：確保鞋牢靠的前提下減輕質(zhì)量，減少能耗。（2）透氣：鞋要有良好的透氣、透水性。為此一方面從材料著手，另一方面是采用自動進行吸氣沖洗的循環(huán)底等結(jié)構(gòu)。（3）彈性：鞋需具有良好的彈性，不僅有助于獲得良好的彈跳，還可起到節(jié)能、蓄能的作用。（4）減震：利用減震系統(tǒng)的減震功能可減少運動對人體的沖擊強度。鞋腔和足部形狀達到吻合，更可提高減震效果。

　　2.運動鞋的制鞋材料要求。（1）大底：運動鞋大底的功能是保護腳底，同時起到助彈跳、制動、防滑和減震等作用。常用的材料是全膠、全塑、橡膠及PU等。（2）內(nèi)底：大多內(nèi)底材料一直延用以EVA為主體的微孔體。（3）防震體系：一般材料包括氣體（空氣、氦氣等）、液體、塑膠、全塑、全膠等。（4）幫襯：主要使用的材料有天然革、棉帆布、尼龍織物、合成革、復合面料等。

　　3.運動鞋的弊端

　　運動鞋和旅游鞋鞋底較平坦，可塑性大，富有彈性，對青少年跑、跳起到一定的緩沖作用，因為相當青少年學生喜歡。但長期穿著的弊端是：由于內(nèi)溫度和濕度的提高，腳部的韌帶容易變松拉長，腳掌逐漸變寬，久而久之變成平足。運動鞋的用料大多是橡膠、塑料、海綿、尼龍、帆布等，透氣性較差，汗腳長時間在這“封閉”環(huán)境下，易引起腳蘚、皮炎、濕疹等皮膚病。

　　運動鞋或是旅游鞋幾乎是無跟平底鞋，它不能保證人體重心平均分布在全腳掌，不能使身體肌韌帶、骨骼和脊柱保持正常的位置和工作狀態(tài)，青少年穿著后由于身體重心的改變，腳部作用力出現(xiàn)分配不均，會影響步法，如長期處于這種不良環(huán)境下，將影響青少年的身體發(fā)育。