基于运动生物力学的运动鞋功能研究进展

doi:10.19677/j.issn.1004-7964.2023.05.012
基于运动生物力学的运动鞋功能研究进展
白啸天1,2,3，霍洪峰2,3*
（1.清华大学体育部，北京100084；2.河北师范大学体育学院，河北石家庄050024；3.河北省人体运动生物信息
测评重点实验室，河北石家庄050024）
摘要：运动鞋是最常见的运动装备，良好的运动鞋设计需要遵循运动生物力学原理。

随着大众健身意识的提高和运动生物力学学科的发展，人们对运动鞋的功能设计和个性化有了更高的要求。

通过梳理近年来运动生物力学在运动鞋功能设计方面的研究成果，为未来运动鞋功能设计提供有效的理论支持。

综合近年来的研究成果发现，随着运动生物力学原理在运动鞋设计中的应用增加，大数据支撑使得运动鞋功能设计更加科学化，鞋的舒适性、保护性等设计更加注重人体的主观感受和神经肌肉控制能力，鞋底和鞋垫等部位设计的优化丰富了运动鞋功能，满足了不同运动者的个性化需求。

运动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。

关键词:运动鞋设计；足型；鞋垫；运动生物力学
中图分类号:TS943.2文献标志码:A
Research Progress on the Function of Sports Shoes based on
Sports Biomechanics
(1.Department of Physical Education,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China;2.College of Physical Education,Hebei
Normal University,Shijiazhuang050024,China;3.Key Laboratory of Bioinformatics Evaluation of
Human Movement,Shijiazhuang050024,China)
Abstract:Sports shoes are the most common sports equipment,and good sports shoes design should follow the principle of sports biomechanics.With the improvement of public fitness awareness and the development of sports biomechanics,people have higher requirements for the functional design and personalization of sports shoes.By combing the research results of sports biomechanics in the functional design of sports shoes in recent years,this review can provide effective theoretical support for the functional design of sports shoes in the future.Based on the research results in recent years,it was found that with the increase of the application of sports biomechanics in the design of sports shoes,the support of big data makes the functional design of sports shoes more scientific.The design of comfort and protection of shoes pays more attention to the subjective feeling and neuromuscular control ability of human body, and the optimization of shoe soles and insoles,among other parts,has enriched the functionality of athletic shoes,and thus met the personalized needs of different athletes.The functional design of sports shoes is developing in a scientific, diversified and personalized direction.
Key words:sports shoes design;foot type;insole;sports biomechanics
收稿日期：2022-12-12
基金项目：河北省科技计划项目（16275709）
第一作者简介：白啸天（1997-），男，博士研究生，研究方向：运动生物力学。

E-mail：********************。

*通信作者：霍洪峰（1981-）男，高级实验师。

研究方向：运动生物力学。

E-mail：**************。

皮革科学与工程第33卷
引言
运动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。

随着运动科学的发展，大众对运动体验感要求不断提高，这需要运动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。

运动生物力学是研究人体运动时力学特征的学科，随着测试手段的进步，运动生物力学的研究重点由人体解剖层面逐渐转变为人体运动规律和力学机制。

作为运动生物力学研究的重要分支，运动装备的生物力学设计原理和生物力学表现成为学者关注的重点，基于运动生物力学原理的应用已成为运动鞋设计中不可或缺的一部分，而这一原则在设计运动鞋时为设计者提供了关键的指导和帮助，以使其更好地满足不同运动场景下的不同需求。

在运动过程中，运动鞋与足部结合，遵循运动生物力学规律的运动鞋设计可以更加精确地把握运动鞋与足部的耦合特征，进而满足人们在运动时对运动鞋的功能需求。

舒适性作为运动鞋设计的基本要求，其设计不仅要满足合脚性，还要契合运动时下肢生物力学的变化，由于舒适性评测需要结合人体的主观感受，寻找合适的评价方法是运动鞋舒适性研究的难点；运动鞋保护性设计目的在于降低运动损伤风险，其设计通过结合材料和结构优化以提高鞋的缓冲和抗翻转功能，然而运动鞋保护性设计往往忽视了人体的主动控制能力，这使得其实际功能与预期效果存在差异。

随着运动需求的差异化和运动场景的多样化，运动鞋的迭代加快，运动者对鞋的个性化需求逐渐增加。

运动需求的提高对运动鞋功能性设计提出了新的要求，运动生物力学作为运动鞋设计的重要理论基础，其近年的研究成果亟需梳理和总结。

本文通过梳理近年来国内外有关运动鞋生物力学研究的相关成果，总结运动生物力学在运动鞋功能设计领域的研究进展，为运动鞋的功能设计提供理论基础和方法参考。

1运动生物力学在运动鞋舒适性设计中的应用
1.1足型数据模型的优化
舒适性是鞋最基本的性质，良好的舒适感是鞋品设计的重要参考因素，大量学者的研究发现，鞋的舒适性还与运动疲劳、下肢损伤和运动表现等生物力学指标相关[1-3]，而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。

足为进行大多数运动时唯一与外界直接作用的末端环节，人体的足由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运动者在运动时对鞋的舒适性感知。

美国学者Booth结合足部大数据，通过主成分分析、因子分析等方法，对复杂的足部结构进行降维，将足部特征参数化，进而优化了鞋楦的设计[4]。

我国幅员辽阔，不同地域、民族等足型差异较大，对于不同人群的足型研究具有重要研究价值。

根据足部形态学特征的研究发现，我国青年男子的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[5]。

对足部发育学的研究发现，儿童足部发育较快，不同性别足型存在差异[6]；对于老年人，异常足型随着年龄增长而增加[7]，这均表明足部模型需结合大数据和更为全面、科学的方法进行分析。

目前，李宁、安踏等国产运动鞋品牌着力于构建符合我国人群的足部模型，基于大数据和科学方法构建符合我国人群的足部模型已成为运动鞋鞋楦设计的趋势。

1.2舒适性的主客观综合评价
足型数据是运动鞋鞋楦设计的基础（如图1），而在运动过程中，人体的运动生物力学参数变化也会影响穿用者的体验感。

对于运动鞋的舒适性，如何将客观的运动生物力学指标与主观的舒适感进行联系是目前研究的难点。

部分学者通过多元线性
图1基于三维足型扫描的足部特征点识别Fig.1Identification of foot feature points based on three-
dimensional foot scan
左右
左右
右左
74
第5期
回归的方法对主观舒适感与运动生物力学指标进行分析，结果表明，以后足着地方式跑步时，到达第一个地面反作用力峰值的时间、踝关节垂直方向受力峰值以及膝关节最大屈曲角度可有效反映鞋底硬度的舒适性[8]。

除此之外，不同的运动形式和运动时间等因素也会影响着鞋的体验，研究发现，在持续20km跑步过程中，足底后跟区、足弓区和第一跖趾区足底压力增加，人体对鞋的舒适性感知会下降[9]，同时，走、跑等不同的运动形式下，影响鞋总体
舒适性的因素也不同[10]。

以上表明运动鞋舒适性设计不仅需考虑静态人体足型特征，还要兼顾运动时下肢和足部生物力学规律，对鞋舒适性的研究要根据运动方式、鞋的不同设计进行具体分析。

2运动生物力学在运动鞋保护性设计中的应用
2.1鞋内生物力学参数测试方法的优化
现阶段对运动鞋的功能研究主要集中在鞋的保护性上，鞋类的保护性设计一般通过增强鞋底的缓冲性和减震性实现。

20世纪70年代，学者首次提出鞋的缓冲概念，目前运动鞋的减震方式可大致分为结构减震和材料减震，然而以往对运动鞋缓冲性的评价方式多集中于足底力学和踝、膝的运动学参数，无法有效测量着鞋后的足部运动特征。

随着近年来运动生物力学研究方法的进步，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。

部分学者通过有限元技术建立了地面-鞋底-足部的模型，在较低误差率的情况下有效预测了鞋的减震性能[11]。

其他采用限元分析的研究也发现，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应力[12-14]。

除模拟仿真技术外，部分研究结合医学手段探究鞋的性能，高速荧光透视法具有高精度、非侵入性，并可对足骨6个自由度进行分析（如图2），用该方法探究鞋帮高度对侧切动作的生物力学影响发现，在侧切动作中，相比于裸足，运动鞋可以给足踝提供更多的保护，但不同鞋帮高度之间无明显差异[15-16]。

2.2结合神经肌肉控制的保护性设计
目前，学者对于运动鞋缓冲和保护性设计能否降低下肢损伤仍存在争议，长期以来，学者普遍认为缓冲性较好的运动鞋能有效避免运动者的下肢损伤，但调查表明，由于跑步导致的下肢损伤并没有因为缓冲跑鞋的普及而降低[17]。

研究发现，鞋底和地面硬度会影响运动者跑步时的下肢姿势，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[18-20]，且相比于裸足，着鞋后足部位置觉降低[21]。

有研究表明，长时间穿着过度保护的运动鞋会导致足部肌肉能力下降，过多的装备辅助会影响人体足踝自身功能[20,22]。

部分学者将运动鞋保护性设计与人体的神经控制相结合，傅维杰团队通过对比不同缓冲能力篮球鞋在主动跳跃缓冲和被动着陆缓冲的差异发现：在被动缓冲时，穿着缓冲性能较好的篮球鞋地面反力的负载率较低，且着陆后下肢肌肉激活程度较低[23]；但在主动着陆时，不同缓冲性能的篮球鞋对人体落地时地面反力和下肢肌肉激活程度无明显影响[23]。

在对疲劳前后运动鞋对下肢冲击特征的研究发现，在神经肌肉疲劳后，高缓冲运动鞋的缓冲功能更为明显[24]。

上述结果表明，鞋的保护功能需考虑人体的主动控制能力，人体神经肌肉控制能力下降时，运动鞋的保护功能更为明显。

3运动生物力学在运动鞋运动表现提高中的应用
3.1运动鞋鞋底的运动经济性设计
合理的运动鞋设计可以有效提高人体运动经济性，鞋底作为运动鞋重要的缓冲部位，在人体运动时决定着足底力学特性，影
响着运动表现（如图3）。

在跑步支撑末期，跖趾关
节做负功以吸收能量[26]，
研究发现，运动鞋的合理
屈曲刚度可以降低跖趾
关节的能量损耗，鞋屈曲
刚度的改变可以影响跑
图2高速荧光透视法[25]
Fig.2High-speed fluoroscopy
technique
图3运动鞋鞋底设计[27]
Fig.3Shoe sole
design
白啸天，等：基于运动生物力学的运动鞋功能研究进展75
皮革科学与工程第33
卷
步时足底压力中
心作用点的位置
和下肢的关节力
矩，当鞋的屈曲刚
度增加时，跖趾关
节的能量反馈效
率得到提高，跑步经济性增强[27-28]。

运动鞋鞋底的屈曲刚度设计可通过在中底和鞋垫之间增加碳板以提高其能量回收率，Nigg团队的研究发现，在跑鞋的鞋底加入碳板后，鞋底屈曲刚度增加，腓肠肌内侧肌肉收缩速度缩短，肌腱能量返回效率增加[29]。

在鞋底加入可变形缓冲结构后（如图4），研究发现，相比于传统跑鞋，受试者在穿着具有可变形缓冲结构的跑鞋进行60%~70%最快速度跑步时的心率和血乳酸浓度较低[30]。

同时，学者普遍认为鞋重量的增加会降低运动经济性[31-32]。

Reenalda等人的研究发现，运动鞋的质量会改变下肢质量分布，改变跑步时的最佳步长，可能会影响跑步经济性[33]。

综合以上研究发现，轻量化是提高运动鞋运动经济性的重要因素，鞋中底的碳板和外底缓冲单元可以在一定程度上提高下肢运动效率。

3.2极简鞋运动增能效果的应用
随着裸足跑的流行，各大厂商开始推出模仿裸足状态的极简鞋，以满足部分裸足跑爱好者的需求。

相比于传统跑鞋，极简鞋取消了中底的缓冲设计，前足和后足高度差更小，帮面刚性较低[34]，其设计既保护了足部皮肤免受外界环境的伤害，又可充分还原裸足跑的生物力学特征。

由于极简鞋的鞋底较薄，有助于足底感受器感知外界环境[35]，当受试者习惯极简鞋运动后，跑步着地方式会由后足着地向中足或前足触地模式转变[22]。

对老年人不同着鞋条件站立的研究发现，极简鞋相比于传统跑鞋有着更好的站立稳定性[36]。

研究发现，相比于传统跑鞋，穿极简鞋可有效降低髌骨受到冲击的载荷率[37-38]，增加跟腱应力[38]，保护膝关节免受较大冲击。

张燊等人的研究表明，极简鞋结合足部功能训练可以有效提高足底屈肌力量，改善足弓形态[39-41]，相比于传统跑鞋，在长期穿着极简鞋进行运动后，运动者拇展肌和趾短屈肌肌肉围度增加[42-44]。

由上可知，极简鞋会改变运动者的足部运动模式，长期运动后有助于足踝功能提高。

4运动生物力学在鞋垫功能设计中的应用
4.1基于足底力学特征的矫形鞋垫设计
鞋垫通常被视为运动鞋的内底部分，但近年来随着研究者对足型的关注，鞋垫逐渐脱离鞋的限制，成为具有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，按制作方式可分为预制型、半制型和定制型，其制作材料通包括聚酰胺（尼龙/PA）、聚乳酸（PLA）、热塑性聚氨酯弹性体（TPU）、乙烯-醋酸乙烯酯（EVA）和复合材料等，可根据定制者需求进行单密度和多密度设计[45]，以满足舒适性需求或提高运动质量[46]。

对健康人群的研究发现，个性化鞋垫可以有效提高着鞋的舒适感，其中足弓部位的舒适感对整体着鞋感受尤为重要，加入定制鞋垫后，受试者足部控制能力和缓冲能力得到提高[47]；对扁平足患者研究发现，进行矫形鞋垫干预可以有效避免足踝的过度运动，辅助患者足部功能执行[48]。

在不同的运动项目中，项目特征、运动强度和运动场地的差异也会影响运动员足部运动生物力学特征，因此对于运动员鞋垫的设计需要结合运动项目的专项性。

综合以上因素，可知矫形鞋垫设计首先需要考虑目标人群的运动需求，进而结合其足型和运动特征进行定制，对于专业运动员，鞋垫的设计还需考虑运动的专项性。

4.2结合足底触觉的本体感觉增强鞋垫研制
本体感觉是人体的一种位置和运动感觉，在运动时，人体通过足部的肌梭和腱器官拉力与张力变化感知外界力学刺激和足部关节位置变化，实现运动时人体的平衡与稳定[49-50]。

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[51]。

Jonson团队的研究发现，皮肤在感知外界信息时，优先编码触觉信息[52]。

对足底皮肤传入神经的研究表明，足跟区域的激活阈值高于足弓外侧和足趾[53]；同时，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[53]，提示足底不同区域的触觉敏感性存在差异。

有学者认为，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[53]。

基于足底触觉特征，为使肌肉更多地参与运动调节，以增加运动控制能力，研究者设计出了触觉增强鞋垫（如图5），不同于一般的矫形鞋垫，本体感觉增强鞋垫与足接触部分的硬度较高，以此增加对足
图4具有可变形缓冲结构的On跑鞋Fig.4On running shoe with deformable
cushioning structure
76
第5期
白啸天，等：基于运动生物力学的运动鞋功能研究进展
底触觉的刺激[50]。

研究发现，相比于普通鞋垫，本体感
觉增强鞋垫降低了易跌倒老年人群的步长和步速[54]；加入了有纹理设计的鞋垫干预后，受试者膝关节和踝关节运动幅度增加，对应关节力和力矩降低[55]，除此之外，本体感觉刺激鞋垫还对儿童平足、八字步态和感觉功能障碍人群均具有较好的干预效果[50,55-56]。

以上均表明本体感觉增强鞋垫是结合了神经控制和运动矫正的新型运动辅助装备。

5总结与展望
随着运动生物力学原理在运动鞋设计的应用不断增加，运动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运动鞋舒适性和保护性设计提供了科学的理论和方法支持；极简鞋的出现和鞋底的运动经济性设计提高了运动鞋的设计多样性和功能差异化；结合足部力学和足底触觉的鞋垫设计进一步满足了不同人群对运动鞋的个性化需求。

未来应进一步基于大数据支撑，结合人-鞋整体性和基本运动规律完善运动鞋设计和功能评测。

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图5本体感觉增强鞋垫设计[50]
Fig.5Design of insole with enhanced
proprioception
77
皮革科学与工程第33卷
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