足底壓力測量技術在鞋靴設計中的應用及進展

楊春燕

（際華集團股份有限公司，北京 100020）

所有踝足解剖結構或者運動系統的病理學改變，即使再微小，都會影響其吸收沖擊力，以及推動身體前進等功能。當前人們穿著的鞋靴多種多樣，而鞋靴設計的樣式也有所不同，多樣的鞋靴會改變踝足的生物力學，從而影響人的正常生理機能。設計不合理的鞋靴還會導致人體出現病理變化，長期穿著不合腳的鞋子，會引發扁平足及拇指外翻等病理現象，年齡較小的兒童還會影響足部的發育，甚至出現畸形等問題。通過研究足底壓力測量技術在鞋靴設計中的應用及進展，可以充分明確足底壓力測量技術在鞋靴設計中的應用價值，并對足底壓力測量技術發展與常見測量儀器進行分析研究，從而為鞋靴設計提供參考。

1 足底壓力測量技術在鞋靴設計中的應用價值

舒適度所指的是人體對外界環境的主觀印象，融合了生理和人的心理感受，是通過視覺和嗅覺等對鞋評價后的主觀反應，所以，對鞋的舒適度的評價有著很強的主觀性。隨著體育運動的普及與生活水平的提升，人們注重精神方面的享受，健身的意識逐漸增大，提高了對鞋的舒適度的重視。隨著鞋靴市場的擴大，鞋的設計按照一定型號統一制作，也加大了對舒適度的影響，為人們挑選合適的鞋帶來了一定難度。鞋靴設計有著幫助人體緩沖，避免受傷、保護機體的重要作用，許多企業將國際的流行款式記性再設計并投入到生產中，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]。

鞋靴的很多方面會對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鍵因素之一。結合當前研究來看，很多設計學者通過問卷等方式對鞋靴舒適度的影響因素做出了調查，例如鞋的顏色款式對鞋外觀的影響，以及對鞋舒適度的影響，研究結果表明，鞋的外觀與舒適度的影響并無較大的關聯。決定鞋靴是否合腳的因素，在于人體的鞋足趾區、跖趾關節區、足弓區以及鞋口等等，且有著明顯的影響。所以，評價鞋靴的舒適度設計需要考慮眾多因素[2]。

鞋靴的舒適度和足底壓力的分布有著直接的關聯性，足底局部壓力過高就會導致足部部位疼痛，且這種癥狀長期累積就會導致足部的生理病變。例如，鞋跟的高度會與足底壓力分布直接關聯，對舒適度也有著極大的影響。隨著人們對鞋靴美觀性要求的提升，很多年輕人及中年人都習慣常年穿著跟部過高的鞋靴，隨著跟部的增高，就會加大對足前部，尤其是內側足前部的拇趾區壓力，還會加大其對地面的沖擊力，但是會減少足跟部與弓部的壓力，大大降低了鞋靴的舒適度。最大的壓強值與強峰值反應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直接反映出鞋的舒適度，軌跡后半段所反映的是運動時足部的穩定性，降低人們運動時出現扭傷、挫傷等風險。在當前，鞋靴設計應用了較為可靠的足底壓力測量技術，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險。由此可見，鞋靴設計與足底壓力測量技術有著直接的關聯性，想要保證鞋靴設計的合理科學，為人們提供更加舒適的鞋靴，還需要積極研究足底壓力測量技術的應用和研究進展，從而使技術應用更加完善。

2 足底壓力測量技術發展與常見測量儀器

足底壓力測量技術始自于1882年，由英國的學者開始研究。當時在研究中條件較為匱乏，所以只能對足部的外形輪廓而并非足底進行壓力測量。這一技術為鞋靴設計帶來了新的契機，并在20世紀的50年代得以快速發展與普及。迄今為止，該技術已經有了幾十年的歷史，并經歷了足印、足底掃描、力板、測力臺等多種技術。

其中，足印技術也可稱之為復印技術，主要是通過足部在石膏、橡膠模板中留下印記，壓力會隨著形態等變化，從而得到足底壓力參數。最早的復印技術研究者為Morton，并設計了活動攝影機技術，借助橡膠特有的彈性將壓力通過一定比例轉換而來，隨后在鞋靴設計中也被廣泛應用[3]。這一技術還被應用在了足部的臨床治療中，如生產假肢、矯形治療等等。足底的壓力掃描技術則是通過一塊玻璃完成測量，在玻璃兩端設計光源，并在玻璃上安置橡膠彈性墊，因為光在玻璃內部會出現反射，所以在足部踩到彈性墊后，會產生清晰的印記，從而通過比例計算得出足部壓力。腳印法和壓力掃描的性質類似，根據足部受到的壓力，結合印記圖像的變化來判定壓力內容。腳印所記錄的足底壓力峰值，但是無法測出瞬時的壓力，雖然具有清晰可辨的壓力點，而在測試中因為灰度較為均勻，所以無法詳細做出壓力分布的情況，在足部受到壓力后只能結合圖像變化來判斷。

在測試技術實施中，主要包含了測力板以及壓力鞋、鞋墊等，利用換能傳感器實現測試系統的發展。側力板和臺所用的是轉換技術，借助電轉換來實現信號的測量，能夠有效提升測量參數的精準性，并保證從前后左右以及垂直方向等三維立體測量，獲得較為全面的測量結果。因為測力板與測力臺的面積是極其有限的，所以獲得結果需要一定的時間，并且只可以測出被測人員走出一步的壓力數據，所以對動態的研究尚有不足。當前壓力板只能對足底壓力測量，無法全面地掌握鞋面的具體受力情形，如果在測量中所測范圍比較大，就要適當增加傳感器 的數目，也就導致成本出現了加大。

根據在業內知悉度較大的KISTLE壓力板研究來看，所用的就是這種技術[4]。壓力鞋與鞋墊，是通過傳感器安裝在鞋墊或鞋內，打破了床柜測力臺/板在應用中的局限性，有效開展動態參數測量。這種傳感器一般存在兩種模式，也就是壓阻/壓電晶體。在實驗研究中，為了能夠獲得研究人員的足底載荷參數，相關人員在鞋底內部嵌入了測試裝置，并對足部和鞋底的基礎作出真實的評價，所以在設計鞋靴期間，發揮著重要的指導價值。其中，最重要的是，將裝置安裝在鞋內墊中，可以獲得動態測量參數，充分的彌補了傳統壓力板無法記錄實時、動態的參數變化局限。

同時，另一種類型還可以獲得足部對墊片的連續壓力分布參數。結合研究來看，Schwarhs等學者通過研究，在足底壓力測量技術法研究方面，針對足底進行了全面的動態研究，并設計出具備12個傳感壓力碟片的相關系統，通過在大趾、跟骨、跖骨的相應部位安裝電流計進行測試。通過測試，能夠為研究提供12和通道動態的壓力曲線參數[5]。根據國外相關內容來看，以美國為代表的Tekscan等企業中，所用即為F-Scan鞋墊測力系統，技術更為先進的德國Novel則采用的是Emed測力板與Pedar鞋墊作為測力系統[6]。不同的測力系統在研究中所得的測量結果是不同的，并且在測量中還需要結合實際情況選擇最佳技術，才能為鞋靴設計提供科學的參考。

3 足底壓力測量技術的應用

在足底壓力測量技術的不斷發展中，國外技術相對較為先進，我國在引進先進的測試系統后，通過研究及創新突破，在此領域中獲得了良好的研究成果，結合研究內容來看，重點在于運動生物力學的步態研究以及臨床研究中。足底壓力測量可以對足部存在的疾病進行診斷，從而精準判斷出足部疾病，為診療方案的設計提供參考。足部壓力測試用作疾病的診斷，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，來測量應用足底壓力技術，所以為生物學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定手段。還可以有效地對殘疾人士進行評定，掌握對假肢的設計的合理性。

鞋靴設計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計提供技術方面的需求。目前，國內外的許多運動鞋品牌，還有為了滿足不同需求而制造的功能鞋等，都是以足底壓力測量技術為準，對相關研究結構進行了探討交流。結合國際中銷售業績較高的品牌來看，如Nike等眾多企業，在研制開發期間開展動力學的測試，可以有效實現在揭示人體鞋靴狀態下的足底壓力分布模式的同時，也為鞋靴設計制造帶來了技術方面支撐。當前，大部分運動鞋，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量技術的研究結果得來的。結合國際中的大部分運動鞋品牌來看，例如Nike等企業都有著獨立的研究機構，在開發產品及設計期間，針對運動學和動力學開展專業測試，從而推動企業的順利發展。

4 足底壓力測量技術在鞋靴領域中的應用

鞋是人們在生活勞作中不可缺少的一部分，和人類的健康有著密切的關聯，在近百年前，歐洲的鞋靴制造者曾經被稱為“膝蓋以下的外科醫生”。可見，不僅在鞋靴設計中用壓力測量技術，還和鞋墊設計、足部支撐、矯形鞋設計方面有著極大的關聯。

4.1 在運動鞋設計中的應用

結合我國當前運動鞋品牌來看，在鞋靴設計開發中應用了動力學、形態學、運動學等多種技術，實現運動鞋的設計研究。結合Nike企業運動研究的創始人Frederica博士的研究成果來看，在研究生物力學中有著很大的成就，并獲得了奧林匹克研究獎項[6]。同時，結合國際醫學會主席研究來看，曾經在香港研究會議中作出了相關的報告，并指出了市場中足底部壓力測量的重要性。部分研究人員通過研究生物力學設計發現，在鞋底不有13個凸起的話，能夠有效提升鞋靴的防護能力，并且效果要高于超出或少于13個凸起的鞋靴。部分研究人員曾經將足底的壓力分布參數應用在運動鞋的設計里，并獲得了運動鞋緩沖振動的力學特征，從而為鞋靴設計提供了重要的參考。

4.2 在功能鞋設計中的應用

功能鞋主要是應用在具有特殊功能需求的鞋靴中，所指的是根據不同功能需求所設計的鞋靴，在面對鞋靴市場時具有一定的針對性。部分研究學者針對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，并對可以降低峰值的鞋靴作出的研究總結。在行動過程中，導致外翻的最終原因可能是作用在拇趾上的力，導致拇趾力量的軸線偏移，出現位移變化。

4.3 在鞋大底設計中的應用

結合部分研究人員的研究結果來看，鞋靴隨著跟部參數的調整，也會影響步伐的速度。結合18～30歲人員研究來看，在女性穿著高跟鞋時，走路的時間越長，前腳掌承受的壓力越大。在鞋跟＞3 cm后，就會出現短期的荷載時間縮短，與裸足的狀態對比后，就會發現壓力壓強已經達到了一定的峰值，而這種荷載會隨著鞋跟的增加而出現加大。由此可見，鞋跟的粗細和高度是影響設計的關鍵因素之一，但是卻也是最容易被忽視的設計問題之一。

我國在研究足底壓力測量方面的技術正處于發展階段，國內很多學者對鞋靴的跟部高度作出了研究，部分學者認為女性在行走期間，穿著平底鞋、中高跟鞋以及裸足所產生的壓力分布情況是不同的。并認為，女性穿著鞋跟越高，足部壓力分布越大，且不均勻。研究結果為，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。并發現了其中的規律，也就是跟部越高，前足所受壓力越大，而后跟的壓力越小。主要是因為鞋跟的高度對足前區與中區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，步態的負重會隨著周期的增大而加大。

同時，在研究中所提到鞋底的周邊向內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，因為傳統的波浪紋是大底花紋，所以具有良好的防滑性和耐磨性，過于細密的網球鞋底花紋容易出現磨損，所以可以將大底花紋設計為傳統的波浪紋。

4.4 在鞋底花紋設計中的應用

結合當前研究來看，在部分研究結果中提出鞋底周邊，如前掌、后跟以及中腰部位的內向10～15 mm為磨損情況最嚴重的部位，但是這一處的磨損情況小于鞋頭與后跟，因為傳統的波浪紋作為大底花紋具備優質的防滑性與耐磨性，如果采用過于細密的網球鞋底花紋容易產生磨損，所以可以將大底的花紋設計作為傳統的波浪紋。由此可知，鞋底花紋的設計與足部壓力測量技術的研究也有著直接的關聯性。在鞋靴設計期間，不僅要考慮鞋靴的其他部位設計以及舒適度的設計，還要著重研究鞋底花紋的設計。

4.5 其他方面中的應用

結合當前研究進展來看，部分研究人員對鞋與鞋墊的多種材料降低糖尿病的足部壓力有效性進行了研究，并結合實際研究得到了影響效果的證實，把足底壓力的分布測量，鞋底材料壓縮測試和鞋內曲線等多種因素重合，能夠充分多運動鞋減震、緩沖等性能分析，找出影響運動鞋功能的最終因素，從而為運動鞋的完善提供最終研究方向。很多研究者對于鞋楦設計方面，借助壓力數據構建了壓力分布中鞋楦與地面接觸的影像，結合兩者之間的關系來看，參數模型的轉換，可以隨著快速的修改實現設計的完善，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 結語

足底壓力分布測試受到時間和空間的影響，能夠全面地反映出人員在測試中腳底的實際受力情況，尤其是在扁平足、高弓足等出現疾病的方面，對老年人的具體特點，可以開展針對性的矯正，從而為鞋靴設計研究提供更加具體、全面的方案參考，結合當前研究進展來看，隨著研究的不斷深入，研究指標也在持續深入中。本文通過分析靜態及動態壓力特征、特殊人群、足底壓力分布等內容，為鞋靴設計研究提供一定的參考。