楊春燕

（際華集團(tuán)股份有限公司，北京 100020）

所有踝足解剖結(jié)構(gòu)或者運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的病理學(xué)改變，即使再微小，都會(huì)影響其吸收沖擊力，以及推動(dòng)身體前進(jìn)等功能。當(dāng)前人們穿著的鞋靴多種多樣，而鞋靴設(shè)計(jì)的樣式也有所不同，多樣的鞋靴會(huì)改變踝足的生物力學(xué)，從而影響人的正常生理機(jī)能。設(shè)計(jì)不合理的鞋靴還會(huì)導(dǎo)致人體出現(xiàn)病理變化，長(zhǎng)期穿著不合腳的鞋子，會(huì)引發(fā)扁平足及拇指外翻等病理現(xiàn)象，年齡較小的兒童還會(huì)影響足部的發(fā)育，甚至出現(xiàn)畸形等問題。通過研究足底壓力測(cè)量技術(shù)在鞋靴設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及進(jìn)展，可以充分明確足底壓力測(cè)量技術(shù)在鞋靴設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值，并對(duì)足底壓力測(cè)量技術(shù)發(fā)展與常見測(cè)量?jī)x器進(jìn)行分析研究，從而為鞋靴設(shè)計(jì)提供參考。

1 足底壓力測(cè)量技術(shù)在鞋靴設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值

舒適度所指的是人體對(duì)外界環(huán)境的主觀印象，融合了生理和人的心理感受，是通過視覺和嗅覺等對(duì)鞋評(píng)價(jià)后的主觀反應(yīng)，所以，對(duì)鞋的舒適度的評(píng)價(jià)有著很強(qiáng)的主觀性。隨著體育運(yùn)動(dòng)的普及與生活水平的提升，人們注重精神方面的享受，健身的意識(shí)逐漸增大，提高了對(duì)鞋的舒適度的重視。隨著鞋靴市場(chǎng)的擴(kuò)大，鞋的設(shè)計(jì)按照一定型號(hào)統(tǒng)一制作，也加大了對(duì)舒適度的影響，為人們挑選合適的鞋帶來了一定難度。鞋靴設(shè)計(jì)有著幫助人體緩沖，避免受傷、保護(hù)機(jī)體的重要作用，許多企業(yè)將國(guó)際的流行款式記性再設(shè)計(jì)并投入到生產(chǎn)中，雖然提升了鞋靴的美觀度，但是在舒適度方面卻大大降低[1]。

鞋靴的很多方面會(huì)對(duì)舒適度有著一定的影響，包含了楦型、幫樣、尺寸、重量、彎曲度以及減震、緩沖、透氣等等性能，足底的壓力分布是決定鞋靴舒適度的關(guān)鍵因素之一。結(jié)合當(dāng)前研究來看，很多設(shè)計(jì)學(xué)者通過問卷等方式對(duì)鞋靴舒適度的影響因素做出了調(diào)查，例如鞋的顏色款式對(duì)鞋外觀的影響，以及對(duì)鞋舒適度的影響，研究結(jié)果表明，鞋的外觀與舒適度的影響并無較大的關(guān)聯(lián)。決定鞋靴是否合腳的因素，在于人體的鞋足趾區(qū)、跖趾關(guān)節(jié)區(qū)、足弓區(qū)以及鞋口等等，且有著明顯的影響。所以，評(píng)價(jià)鞋靴的舒適度設(shè)計(jì)需要考慮眾多因素[2]。

鞋靴的舒適度和足底壓力的分布有著直接的關(guān)聯(lián)性，足底局部壓力過高就會(huì)導(dǎo)致足部部位疼痛，且這種癥狀長(zhǎng)期累積就會(huì)導(dǎo)致足部的生理病變。例如，鞋跟的高度會(huì)與足底壓力分布直接關(guān)聯(lián)，對(duì)舒適度也有著極大的影響。隨著人們對(duì)鞋靴美觀性要求的提升，很多年輕人及中年人都習(xí)慣常年穿著跟部過高的鞋靴，隨著跟部的增高，就會(huì)加大對(duì)足前部，尤其是內(nèi)側(cè)足前部的拇趾區(qū)壓力，還會(huì)加大其對(duì)地面的沖擊力，但是會(huì)減少足跟部與弓部的壓力，大大降低了鞋靴的舒適度。最大的壓強(qiáng)值與強(qiáng)峰值反應(yīng)的是足底單位面積的壓力大小，甚至越小，則壓力分布越均勻，也就相應(yīng)提升了鞋靴的舒適度。如果足底壓力中心軌跡曲線的平直程度也會(huì)直接反映出鞋的舒適度，軌跡后半段所反映的是運(yùn)動(dòng)時(shí)足部的穩(wěn)定性，降低人們運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)扭傷、挫傷等風(fēng)險(xiǎn)。在當(dāng)前，鞋靴設(shè)計(jì)應(yīng)用了較為可靠的足底壓力測(cè)量技術(shù)，不僅能夠提升鞋靴的舒適性，還能降低足部壓力以及挫傷等風(fēng)險(xiǎn)。由此可見，鞋靴設(shè)計(jì)與足底壓力測(cè)量技術(shù)有著直接的關(guān)聯(lián)性，想要保證鞋靴設(shè)計(jì)的合理科學(xué)，為人們提供更加舒適的鞋靴，還需要積極研究足底壓力測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用和研究進(jìn)展，從而使技術(shù)應(yīng)用更加完善。

2 足底壓力測(cè)量技術(shù)發(fā)展與常見測(cè)量?jī)x器

足底壓力測(cè)量技術(shù)始自于1882年，由英國(guó)的學(xué)者開始研究。當(dāng)時(shí)在研究中條件較為匱乏，所以只能對(duì)足部的外形輪廓而并非足底進(jìn)行壓力測(cè)量。這一技術(shù)為鞋靴設(shè)計(jì)帶來了新的契機(jī)，并在20世紀(jì)的50年代得以快速發(fā)展與普及。迄今為止，該技術(shù)已經(jīng)有了幾十年的歷史，并經(jīng)歷了足印、足底掃描、力板、測(cè)力臺(tái)等多種技術(shù)。

其中，足印技術(shù)也可稱之為復(fù)印技術(shù)，主要是通過足部在石膏、橡膠模板中留下印記，壓力會(huì)隨著形態(tài)等變化，從而得到足底壓力參數(shù)。最早的復(fù)印技術(shù)研究者為Morton，并設(shè)計(jì)了活動(dòng)攝影機(jī)技術(shù)，借助橡膠特有的彈性將壓力通過一定比例轉(zhuǎn)換而來，隨后在鞋靴設(shè)計(jì)中也被廣泛應(yīng)用[3]。這一技術(shù)還被應(yīng)用在了足部的臨床治療中，如生產(chǎn)假肢、矯形治療等等。足底的壓力掃描技術(shù)則是通過一塊玻璃完成測(cè)量，在玻璃兩端設(shè)計(jì)光源，并在玻璃上安置橡膠彈性墊，因?yàn)楣庠诓Ａ?nèi)部會(huì)出現(xiàn)反射，所以在足部踩到彈性墊后，會(huì)產(chǎn)生清晰的印記，從而通過比例計(jì)算得出足部壓力。腳印法和壓力掃描的性質(zhì)類似，根據(jù)足部受到的壓力，結(jié)合印記圖像的變化來判定壓力內(nèi)容。腳印所記錄的足底壓力峰值，但是無法測(cè)出瞬時(shí)的壓力，雖然具有清晰可辨的壓力點(diǎn)，而在測(cè)試中因?yàn)榛叶容^為均勻，所以無法詳細(xì)做出壓力分布的情況，在足部受到壓力后只能結(jié)合圖像變化來判斷。

在測(cè)試技術(shù)實(shí)施中，主要包含了測(cè)力板以及壓力鞋、鞋墊等，利用換能傳感器實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展。側(cè)力板和臺(tái)所用的是轉(zhuǎn)換技術(shù)，借助電轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的測(cè)量，能夠有效提升測(cè)量參數(shù)的精準(zhǔn)性，并保證從前后左右以及垂直方向等三維立體測(cè)量，獲得較為全面的測(cè)量結(jié)果。因?yàn)闇y(cè)力板與測(cè)力臺(tái)的面積是極其有限的，所以獲得結(jié)果需要一定的時(shí)間，并且只可以測(cè)出被測(cè)人員走出一步的壓力數(shù)據(jù)，所以對(duì)動(dòng)態(tài)的研究尚有不足。當(dāng)前壓力板只能對(duì)足底壓力測(cè)量，無法全面地掌握鞋面的具體受力情形，如果在測(cè)量中所測(cè)范圍比較大，就要適當(dāng)增加傳感器 的數(shù)目，也就導(dǎo)致成本出現(xiàn)了加大。

根據(jù)在業(yè)內(nèi)知悉度較大的KISTLE壓力板研究來看，所用的就是這種技術(shù)[4]。壓力鞋與鞋墊，是通過傳感器安裝在鞋墊或鞋內(nèi)，打破了床柜測(cè)力臺(tái)/板在應(yīng)用中的局限性，有效開展動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量。這種傳感器一般存在兩種模式，也就是壓阻/壓電晶體。在實(shí)驗(yàn)研究中，為了能夠獲得研究人員的足底載荷參數(shù)，相關(guān)人員在鞋底內(nèi)部嵌入了測(cè)試裝置，并對(duì)足部和鞋底的基礎(chǔ)作出真實(shí)的評(píng)價(jià)，所以在設(shè)計(jì)鞋靴期間，發(fā)揮著重要的指導(dǎo)價(jià)值。其中，最重要的是，將裝置安裝在鞋內(nèi)墊中，可以獲得動(dòng)態(tài)測(cè)量參數(shù)，充分的彌補(bǔ)了傳統(tǒng)壓力板無法記錄實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的參數(shù)變化局限。

同時(shí)，另一種類型還可以獲得足部對(duì)墊片的連續(xù)壓力分布參數(shù)。結(jié)合研究來看，Schwarhs等學(xué)者通過研究，在足底壓力測(cè)量技術(shù)法研究方面，針對(duì)足底進(jìn)行了全面的動(dòng)態(tài)研究，并設(shè)計(jì)出具備12個(gè)傳感壓力碟片的相關(guān)系統(tǒng)，通過在大趾、跟骨、跖骨的相應(yīng)部位安裝電流計(jì)進(jìn)行測(cè)試。通過測(cè)試，能夠?yàn)檠芯刻峁?2和通道動(dòng)態(tài)的壓力曲線參數(shù)[5]。根據(jù)國(guó)外相關(guān)內(nèi)容來看，以美國(guó)為代表的Tekscan等企業(yè)中，所用即為F-Scan鞋墊測(cè)力系統(tǒng)，技術(shù)更為先進(jìn)的德國(guó)Novel則采用的是Emed測(cè)力板與Pedar鞋墊作為測(cè)力系統(tǒng)[6]。不同的測(cè)力系統(tǒng)在研究中所得的測(cè)量結(jié)果是不同的，并且在測(cè)量中還需要結(jié)合實(shí)際情況選擇最佳技術(shù)，才能為鞋靴設(shè)計(jì)提供科學(xué)的參考。

3 足底壓力測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用

在足底壓力測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展中，國(guó)外技術(shù)相對(duì)較為先進(jìn)，我國(guó)在引進(jìn)先進(jìn)的測(cè)試系統(tǒng)后，通過研究及創(chuàng)新突破，在此領(lǐng)域中獲得了良好的研究成果，結(jié)合研究?jī)?nèi)容來看，重點(diǎn)在于運(yùn)動(dòng)生物力學(xué)的步態(tài)研究以及臨床研究中。足底壓力測(cè)量可以對(duì)足部存在的疾病進(jìn)行診斷，從而精準(zhǔn)判斷出足部疾病，為診療方案的設(shè)計(jì)提供參考。足部壓力測(cè)試用作疾病的診斷，在臨床中擁有不可替代的效果。一般常用應(yīng)于畸形類疾病，如扁平足以及高弓足等疾病，通過分析足部壓力的分布特征，來測(cè)量應(yīng)用足底壓力技術(shù)，所以為生物學(xué)研究也帶來了極大的幫助，在生物研究中，作為分析足底壓力的評(píng)定手段。還可以有效地對(duì)殘疾人士進(jìn)行評(píng)定，掌握對(duì)假肢的設(shè)計(jì)的合理性。

鞋靴設(shè)計(jì)的壓力分布和特征研究，在揭示了足底壓力分布情況后，還可以滿足鞋靴的設(shè)計(jì)提供技術(shù)方面的需求。目前，國(guó)內(nèi)外的許多運(yùn)動(dòng)鞋品牌，還有為了滿足不同需求而制造的功能鞋等，都是以足底壓力測(cè)量技術(shù)為準(zhǔn)，對(duì)相關(guān)研究結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探討交流。結(jié)合國(guó)際中銷售業(yè)績(jī)較高的品牌來看，如Nike等眾多企業(yè)，在研制開發(fā)期間開展動(dòng)力學(xué)的測(cè)試，可以有效實(shí)現(xiàn)在揭示人體鞋靴狀態(tài)下的足底壓力分布模式的同時(shí)，也為鞋靴設(shè)計(jì)制造帶來了技術(shù)方面支撐。當(dāng)前，大部分運(yùn)動(dòng)鞋，以及減肥鞋等功能性鞋都是由研究成果而來的，許多保健鞋墊都是足部壓力測(cè)量技術(shù)的研究結(jié)果得來的。結(jié)合國(guó)際中的大部分運(yùn)動(dòng)鞋品牌來看，例如Nike等企業(yè)都有著獨(dú)立的研究機(jī)構(gòu)，在開發(fā)產(chǎn)品及設(shè)計(jì)期間，針對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)開展專業(yè)測(cè)試，從而推動(dòng)企業(yè)的順利發(fā)展。

4 足底壓力測(cè)量技術(shù)在鞋靴領(lǐng)域中的應(yīng)用

鞋是人們?cè)谏顒谧髦胁豢扇鄙俚囊徊糠?，和人類的健康有著密切的關(guān)聯(lián)，在近百年前，歐洲的鞋靴制造者曾經(jīng)被稱為“膝蓋以下的外科醫(yī)生”。可見，不僅在鞋靴設(shè)計(jì)中用壓力測(cè)量技術(shù)，還和鞋墊設(shè)計(jì)、足部支撐、矯形鞋設(shè)計(jì)方面有著極大的關(guān)聯(lián)。

4.1 在運(yùn)動(dòng)鞋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

結(jié)合我國(guó)當(dāng)前運(yùn)動(dòng)鞋品牌來看，在鞋靴設(shè)計(jì)開發(fā)中應(yīng)用了動(dòng)力學(xué)、形態(tài)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)等多種技術(shù)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)鞋的設(shè)計(jì)研究。結(jié)合Nike企業(yè)運(yùn)動(dòng)研究的創(chuàng)始人Frederica博士的研究成果來看，在研究生物力學(xué)中有著很大的成就，并獲得了奧林匹克研究獎(jiǎng)項(xiàng)[6]。同時(shí)，結(jié)合國(guó)際醫(yī)學(xué)會(huì)主席研究來看，曾經(jīng)在香港研究會(huì)議中作出了相關(guān)的報(bào)告，并指出了市場(chǎng)中足底部壓力測(cè)量的重要性。部分研究人員通過研究生物力學(xué)設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)，在鞋底不有13個(gè)凸起的話，能夠有效提升鞋靴的防護(hù)能力，并且效果要高于超出或少于13個(gè)凸起的鞋靴。部分研究人員曾經(jīng)將足底的壓力分布參數(shù)應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)鞋的設(shè)計(jì)里，并獲得了運(yùn)動(dòng)鞋緩沖振動(dòng)的力學(xué)特征，從而為鞋靴設(shè)計(jì)提供了重要的參考。

4.2 在功能鞋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

功能鞋主要是應(yīng)用在具有特殊功能需求的鞋靴中，所指的是根據(jù)不同功能需求所設(shè)計(jì)的鞋靴，在面對(duì)鞋靴市場(chǎng)時(shí)具有一定的針對(duì)性。部分研究學(xué)者針對(duì)糖尿病及截肢患者所穿著的不同鞋靴作出了壓力分布的影響研究，并對(duì)可以降低峰值的鞋靴作出的研究總結(jié)。在行動(dòng)過程中，導(dǎo)致外翻的最終原因可能是作用在拇趾上的力，導(dǎo)致拇趾力量的軸線偏移，出現(xiàn)位移變化。

4.3 在鞋大底設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

結(jié)合部分研究人員的研究結(jié)果來看，鞋靴隨著跟部參數(shù)的調(diào)整，也會(huì)影響步伐的速度。結(jié)合18～30歲人員研究來看，在女性穿著高跟鞋時(shí)，走路的時(shí)間越長(zhǎng)，前腳掌承受的壓力越大。在鞋跟＞3 cm后，就會(huì)出現(xiàn)短期的荷載時(shí)間縮短，與裸足的狀態(tài)對(duì)比后，就會(huì)發(fā)現(xiàn)壓力壓強(qiáng)已經(jīng)達(dá)到了一定的峰值，而這種荷載會(huì)隨著鞋跟的增加而出現(xiàn)加大。由此可見，鞋跟的粗細(xì)和高度是影響設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一，但是卻也是最容易被忽視的設(shè)計(jì)問題之一。

我國(guó)在研究足底壓力測(cè)量方面的技術(shù)正處于發(fā)展階段，國(guó)內(nèi)很多學(xué)者對(duì)鞋靴的跟部高度作出了研究，部分學(xué)者認(rèn)為女性在行走期間，穿著平底鞋、中高跟鞋以及裸足所產(chǎn)生的壓力分布情況是不同的。并認(rèn)為，女性穿著鞋跟越高，足部壓力分布越大，且不均勻。研究結(jié)果為，穿著高跟鞋行走期間，前足的壓力增大明顯，而足跟的壓力隨之減少。并發(fā)現(xiàn)了其中的規(guī)律，也就是跟部越高，前足所受壓力越大，而后跟的壓力越小。主要是因?yàn)樾母叨葘?duì)足前區(qū)與中區(qū)的受力面積影響極大，但在外跖骨方面有著顯著的降低，并遷移了壓力中心，出現(xiàn)位移距離的縮短，增加了步伐頻率，從而增加了支撐的效果。同時(shí)，步態(tài)的負(fù)重會(huì)隨著周期的增大而加大。

同時(shí)，在研究中所提到鞋底的周邊向內(nèi)10～15 mm是摩擦最多的部分，而受到磨損較小的屬于鞋頭與后跟，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的波浪紋是大底花紋，所以具有良好的防滑性和耐磨性，過于細(xì)密的網(wǎng)球鞋底花紋容易出現(xiàn)磨損，所以可以將大底花紋設(shè)計(jì)為傳統(tǒng)的波浪紋。

4.4 在鞋底花紋設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

結(jié)合當(dāng)前研究來看，在部分研究結(jié)果中提出鞋底周邊，如前掌、后跟以及中腰部位的內(nèi)向10～15 mm為磨損情況最嚴(yán)重的部位，但是這一處的磨損情況小于鞋頭與后跟，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的波浪紋作為大底花紋具備優(yōu)質(zhì)的防滑性與耐磨性，如果采用過于細(xì)密的網(wǎng)球鞋底花紋容易產(chǎn)生磨損，所以可以將大底的花紋設(shè)計(jì)作為傳統(tǒng)的波浪紋。由此可知，鞋底花紋的設(shè)計(jì)與足部壓力測(cè)量技術(shù)的研究也有著直接的關(guān)聯(lián)性。在鞋靴設(shè)計(jì)期間，不僅要考慮鞋靴的其他部位設(shè)計(jì)以及舒適度的設(shè)計(jì)，還要著重研究鞋底花紋的設(shè)計(jì)。

4.5 其他方面中的應(yīng)用

結(jié)合當(dāng)前研究進(jìn)展來看，部分研究人員對(duì)鞋與鞋墊的多種材料降低糖尿病的足部壓力有效性進(jìn)行了研究，并結(jié)合實(shí)際研究得到了影響效果的證實(shí)，把足底壓力的分布測(cè)量，鞋底材料壓縮測(cè)試和鞋內(nèi)曲線等多種因素重合，能夠充分多運(yùn)動(dòng)鞋減震、緩沖等性能分析，找出影響運(yùn)動(dòng)鞋功能的最終因素，從而為運(yùn)動(dòng)鞋的完善提供最終研究方向。很多研究者對(duì)于鞋楦設(shè)計(jì)方面，借助壓力數(shù)據(jù)構(gòu)建了壓力分布中鞋楦與地面接觸的影像，結(jié)合兩者之間的關(guān)系來看，參數(shù)模型的轉(zhuǎn)換，可以隨著快速的修改實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的完善，但是在具體的情況中，還存在較多的問題，需要全面的研究。

5 結(jié)語

足底壓力分布測(cè)試受到時(shí)間和空間的影響，能夠全面地反映出人員在測(cè)試中腳底的實(shí)際受力情況，尤其是在扁平足、高弓足等出現(xiàn)疾病的方面，對(duì)老年人的具體特點(diǎn)，可以開展針對(duì)性的矯正，從而為鞋靴設(shè)計(jì)研究提供更加具體、全面的方案參考，結(jié)合當(dāng)前研究進(jìn)展來看，隨著研究的不斷深入，研究指標(biāo)也在持續(xù)深入中。本文通過分析靜態(tài)及動(dòng)態(tài)壓力特征、特殊人群、足底壓力分布等內(nèi)容，為鞋靴設(shè)計(jì)研究提供一定的參考。