运动鞋缓冲避震研究进展

魏 勇 刘 宇

(上海体育学院运动科学学院,上海 200438)

运动鞋缓冲避震研究进展

魏 勇 刘 宇

(上海体育学院运动科学学院,上海 200438)

运用文献资料法和归纳与演绎等方法,阐述了运动鞋避震的重要意义、评价运动鞋避震性能的指标(足底压力和地面反作用力相关指标、负加速度峰值和冲量)和评价运动鞋避震性能的测试方法。

运动鞋;缓冲避震;综述

鞋是现代生活不可或缺的用品,不仅可以提升一个人的穿着品味,更与我们的健康息息相关。制鞋业不断变化着鞋的款式及科学性,但如果提到鞋的科学,首当其冲应该是运动鞋。现代社会,运动鞋是竞技装备,其科学设计体现在多个方面上,不同的运动甚至不同的场地对鞋都会有不同的要求。现代运动鞋具备多种功能,而且与运动项目特点密切相关,但运动鞋的防震性能一直是众多要素中的焦点问题。本文从运动鞋缓冲避震性能角度作一综述,为进一步针对运动项目特征研发新款功能鞋提供新思路。

1 运动鞋避震的重要意义

避震(Cushioning)是运动鞋三大功能之一,对于运动鞋设计而言至关重要。美国测试与材料协会(American Society for Testing and Materials,ASTM)将避震定义为:借外力作用时间的增长,使降低撞击力峰值的能力(the reduction of peak force by increasing the time overwhich the force is applied)(1994)。实际上在运动中,由足跟皮脂、鞋底及运动表面所组成的系统扮演了下肢与地面撞击时避震的重要角色,这一系统即足-鞋-地表面(Foot-shoe-ground Surface)。正因为避震的重要性,与运动鞋相关的体育学、运动医学、材料学以及制造学等多个领域都存在大量的相关研究。

由力学的静力平衡可知当一个人静止站在地面上时,其所受的地面反作用力等于其体重值。但是当以不同的运动方式接触地面时,如步行、慢跑、快跑及跳跃着地等,所受地面反作用力的形式(Pattern)便不相同,这其中包括鞋和运动表面在内的很多因素都会影响到地面反作用力的大小与形式(Cavanagh PR&LafortuneMA,1980;Nigg BM,1985)。Fick DS et al(1992)发现每跑一步,跑者脚部就必须承受自己体重的2至3倍的地面反作用力。而且在运动中,动作速度越快,强度越高,相对人体的负荷量越大,人体于着地时所承受的地面冲击力就越大。Bobbert MF等人(1987)曾研究过从三个不同高度落下后立即再做起跳动作(Drop Jump)的地面垂直反作用力的变化情形,三个不同的高度分别是20cm、40cm、60cm,结果发现最大垂直地面反作用力是发生在脚跟着地时,其值分别为体重的3.5、4.6、5.9倍。陈雯惠(2003)发现男性大学生以不同高度与姿势着地动作时其地面反作用力峰值在3.036-4.995BW之间。所以人的足部在运动中所受的撞击总负荷实在不小。这样的撞击负荷经由足部、下肢骨及脊椎往上传导,传导过程中此撞击波被人体各关节软骨及其他组织所吸收,长期下来会造成骨骼系统的慢性伤害;一旦受到的撞击力超过人体各关节的负荷时,其所受伤害将更为严重。Macera CA(1992)收集的资料发现休闲跑者有高达35%,而竞技跑者更有高达65%的人曾经发生过运动伤害。也有许多学者从动物实验或流行病学的观点,发现足部所受的撞击力会造成人体软骨及硬骨组织伤害的同时甚至出现血液组成的变化(Nigg BM et.al,1985)。所以,现在一般认为当人体运动时,足部反复与地面接触所承受的撞击力,被认为是造成下肢运动伤害的主要原因,尤其是对骨骼系统的伤害(Nigg BM,1986)。

运动中伤害的程度除了Fick DS et al(1992)指出的下肢过量的累积负荷外,还受足底压力(Rodgers MM,1988)、足弓(Sneyers JL et al,1995;Simkin A et al,1989)和足跟过度外翻(蒋至杰,2000)以及运动形态、运动速度、足部接触地面瞬间的速度、膝关节角度、人体测量参数、足跟皮脂、鞋具及运动表面等因素的影响(Cavanagh&Lafortune,1980;Nigg,1987)。概括起来讲,形成跑者下肢运动伤害的因素包括不当的训练方法、个人的生理特质和外在环境的因素(如鞋子、跑道表面、气候等)等(Messier SP et al,1988;Hirosih KK et al,1988)。虽然姿势的调整(陈雯惠,2003)、足跟皮脂、肌肉系统和运动表面(许太彦,2003)的作用可减低撞击的负荷,但运动鞋(邱宏达,1999)也同样扮演了重要的辅助角色。如果运动鞋鞋底能有效吸收因足部与地面接触所产生的撞击负荷,则可减轻人体骨骼系统的负荷,避免运动伤害的发生。

2 评价运动鞋避震性能的指标

由上述分析可知,运动鞋的缓冲避震性能成为评价运动鞋质量的重要因素。近年来,随着运动鞋产业的兴盛,相应的运动鞋设计和研发也逐渐受到科研工作者的重视。然而,由于运动鞋种类繁多和设计复杂,以什么指标来科学评价运动鞋的缓冲避震性能成为一个亟待解决但又十分困惑的问题。相比较运动鞋制造业的繁荣来说,国内外在该领域的研究尚十分落后。反过来,没有科学合理的评价指标及相应方法又何以指导运动鞋的设计和生产呢?因此,加强对运动鞋缓冲避震指标体系的研究具有重要的理论和现实意义。

2.1 足底压力相关指标

足底压力测量作为一种当今步态研究中最先进的技术,已在诸多领域得到广泛应用并取得卓越效果。其发展历经足印技术(Pedography)、足底压力扫描技术(Sole Barograph)、力板(Force Plate)与测力台技术(Force Platform)、压力鞋与鞋垫技术(In-shoe plantar)等(Lord M,1981)。随着新型传感技术和计算机技术的进步,足底压力测量技术的应用领域越来越广泛。压力分布测量技术自1882年英国人Beely率先研究以来,于20世纪50年代开始被广泛应用于系统的动力学研究和临床研究,其中最有代表性的当属生物力学步态研究,现已成为生物力学代表性的研究方向,并取得了大量成果(李建设,2005)。随着足底压力测量技术在“临床足病”研究中的广泛应用,现对足部疾病的诊断和治疗已比较成熟,促进了临床生物力学的发展(李建设,2005)。随着人类功效学的发展,足底压力测量技术在“运动与鞋”研究中的应用已经成为该技术最活跃的领域之一,国内外大量学者(Grundy M et al,1975;deLateur BJ et al,1991;Sato H et al,1991;Joanne R et al,1996;吴剑,2004;王立平,2004)取得了很多重要成果。但这些研究主要还是通过“足-鞋界面”的足底压力及分布和“鞋-地界面”的鞋底压力及分布特征的研究,揭示鞋底硬度、鞋跟高度、鞋体结构等因素对足健康的影响,指导人们健康穿鞋,并为足疾和假肢患者的“个性化”康复鞋(垫)或“健体鞋”的设计和制造提供符合人类功效学原理的依据和标准。除此以外,陆毅琛(2003)进一步拓宽了足底压力测量技术的应用领域,通过对穿着两种不同防震功效的运动鞋与裸足状态下对原地纵跳时足底压强分布区域特征、平均最大压强值特征(MMP,Mean Maximum Pressure)、平均压强值特征(MVP,Mean Value Pressure)、纵跳落地缓冲压力值变化的时间差异性、X轴与Y轴向压力的合力特征的比较研究,探究运动鞋的不同防震系统设计在人体进行原地纵跳时对足底的缓震功效的形成机制,客观上探索了以足底压力测量技术相应指标来进行运动鞋缓冲性能评价的新方法。但这一方法的具体效果如何,值得进一步深入研究。

2.2 地面反作用力相关指标

过去的许多研究,常以垂直方向的地面反作用力来量化人体足部所承受的撞击力,以撞击力峰值(Impact Force Peak)作为评估运动鞋避震功能的指标。若撞击力峰值太大,则表示人体足部所承受的撞击力或者运动鞋的避震功能不好。然而,有些研究却发现步行或跑步撞击力峰值并不明显,有的研究发现赤脚与穿鞋测得的撞击力峰值差异的情况较少。这是因为在垂直方向的地面反作用力中,撞击力峰值并非最大的力量值,所以撞击力峰值并不适合作为评估运动鞋避震功能的指标。而撞击力之所以会造成下肢伤害主要是撞击期间有最大的力量变化率,即最大负荷率(Maximum Loading Rate)。由Nigg BM(1986)的定义可知,撞击力峰值发生前会产生最大的负荷率,此负荷率的值与峰值大小及其发生的时间都有关联,因此以最大负荷率来评估运动鞋的避震能力可能较为恰当。最大负荷率越大,表示鞋底避震功能越差。综上所述,现在的研究倾向于以最大负荷率来反映运动中的冲击负荷(邱宏达,1999;许太彦,2003)。

一般而言,跑步时垂直地面反作用力与时间的关系图中有两个明显的峰值,第一个峰值即为上述的撞击力峰值(Impact Force Peak),发生在脚跟与地面接触后的前50ms内,此时下肢神经肌肉系统并未产生效应,因此,此峰值为脚跟与地面直接撞击所造成;第二峰值为主动力峰值(Active Force Peak),发生在脚跟与地面接触的50ms以后,此时下肢神经肌肉系统产生作用,推动身体重心向上、前方移动,因而造成此峰值的产生(Nigg BM,1986),而图形的最大斜率值即为最大负荷率。Nigg BM(1985)曾指出人体骨骼肌肉系统产生反应的时间为50ms到75ms;人体骨骼系统能将发生在50ms到75ms之后的力量缓冲,而不能主动产生反应去吸收发生在50ms到75ms之前的撞击力量。因此,50ms到75ms之前产生的力量越大对人体下肢产生的伤害就越大。所以,现在很多研究都把地面反作用力第一波峰时间和最大负荷率时间作为评价地面冲击负荷和运动鞋缓冲性能的重要指标(邱宏达,1999;许太彦,2003)。

综上所述,地面反作用力最大负荷率及其发生时间和撞击力峰值时间是评价运动鞋缓冲避震性能的较好指标。

2.3 负加速度峰值(Peak Deceleration)

另有学者以加速度值来表示人体肢段在足部与地面撞击时所承受的撞击程度,小腿和撞击器则是最常被测量的部位。但由于测量小腿加速度讯号耗费时间,而且要将加速度规固定在小腿上,也会影响到受试者的移动,因此可以测力板的讯号来预测小腿加速度的讯号。Henning and Lafortune (1991)的研究中,6位受试者穿同一双跑鞋,以4.5m/s的速度跑过一测力板,由测量得的地面反作用力及胫骨轴向加速度(bone-mounted axial acceleration)发现,垂直地面反作用力的平均负荷率和胫骨轴向加速度有很大的相关(r=0.87),而由平均负荷率及水平方向峰值所得的回归方程中,预测的加速度峰值与真正测量的加速度峰值有很大的相关(r=0.94)。Henning et.al.(1993)的研究中,27位受试者每一位在穿19双不同市售慢跑鞋的情况下,以3.3m/s的速度跑过一测力板,测量地面反作用力及胫骨皮肤表面的轴向加速度(skin-mounted axial acceleration)结果显示,垂直地面反作用力的最大负荷率、中位功率频率(median power frequency)和皮肤表面的负加速度峰值有极高的相关(r=0.98,0.94),由回归方程预测的加速度峰值与真正测量的加速度峰值也有很高的相关(r=0.99)。由以上的结果可知,垂直方向地面反作用力的平均负荷率或最大负荷率,能正确预测小腿所受的负加速度峰值(邱宏达,1999)。

2.4 冲量

根据Nigg BM(1985)的理论,由于人体反应时间的限制, 50ms内的被动冲量越高时,代表受伤的危险性越高,因为人体无法产生自主的反应,只能够靠人体的结构去吸收冲击力。许太彦(2003)通过对10名儿童进行不同软硬表面着地研究;陈雯惠(2003)以三种不同姿势(自由式、上肢受限式、上肢躯干受限式)于两种不同高度(32cm、63cm)落下着地研究进一步证实了被动冲量(Passive Impulse)作为评价运动鞋缓冲性能的可行性。

3 评价运动鞋避震性能的测试方法

截至目前为止,探讨运动鞋避震能力的测试方法主要可分为两种:材料测试(Material Test)和人体测试(Subject Test)。材料测试是指将运动鞋置于不同表面上,而以撞击测试器撞击鞋底,以垂直方向地面反作用力的撞击力峰值或负加速度峰值等避震功能评估指标来判断运动鞋缓冲性能的方法。人体测试是指由受试者穿着运动鞋,以各种不同的运动方式(步行、跑步、跳跃着地等)在不同运动表面上进行测试,以垂直方向地面反作用力的撞击力峰值或小腿胫骨的负加速度峰值等避震功能评估指标来判断运动鞋缓冲性能的方法(邱宏达,1999)。

不管是材料测试还是人体测试,根据运动学的功能原理,当物体由一定高度落下,而以垂直方向与地面撞击时,当物体的质量越大、撞击前的速度越快、撞击表面的变形量越小,则所受的撞击力就越大;但当物体的质量及撞击前的速度保持一定,即撞击能量固定时,则增加撞击的距离(撞击表面的变形量)可降低撞击力的大小,而撞击距离的增加和物体及地面的材质结构有关,也就是说具有避震功能的材料,可有效增加撞击的距离,以减少撞击力的大小。由以上撞击理论可知,人体与材料测试的最大不同点,在于人体与撞击时有效质量(effectivemass)的改变,此与材料测试中固定质量的撞击器是不相同的,而有效质量被认为与下肢如膝、踝关节角度及角速度等有关系,也就是说着地策略的不同,将造成有效质量的改变。另外,足跟皮脂(heel pad)在吸震能力上也扮演着重要的角色(JØrgensen U&Bojsen-MØller F., 1989),虽然,材料中撞击器的撞击头,其外形是根据人体足跟骨的形状而设计的,但并未考虑到足跟皮脂的构造(邱宏达,1999)。

过去有关评估运动鞋避震能力的相关研究中显示,材料与人体测试结果并不一致,也就是说材料测试中具有吸震能力的鞋底,穿着在人体足部时,并无法表现出避震的效果,因此许多研究人员认为以材料测试来评估运动鞋并不适合(Nigg BM et al,1987)。但是有的研究中却发现两种测试的结果是一致的,而造成差异的原因可能是人体测试的变异性较大,这其中包含人体测量参数、足跟皮脂组织及着地策略的差异所造成的受试者间的变异(inter-subject variability)及受试者内的变异(intra-subject variability)。因此不当的实验设计,如受试者或每种情况的测试次数(trail)太少,将无法检测出鞋之间的差异性,或者可能是因为使用不具代表性的参数,如撞击力峰值,而无法评估鞋子的避震能力。

材料测试虽然模拟足跟的结构及跑步时足部与地面碰撞时的速度,但是和实际人体跑步时的情况依旧有些差异。因此,大部分关于运动鞋的研究都倾向于以人体测试为主,或是以人体测试作为材料测试效度的检验。虽然如此,材料测试却比人体测试节省时间,且与人体测试结果仍有相同的趋势存在,所以针对大量生产的市售运动鞋,其测试方法应以材料测试较适合(邱宏达,1999)。

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Research on the Advances in Cushioning of Sports Footwear

Wei Yong,Liu Yu
(School of Kinesiology,Shanghai University of Sport,Shanghai,200438,China)

Through using the method of literature review as well as inductive and deductive ways,this paper discussed the importance of cushioning of footwear,the evaluationmethodswhich included material test and subject test,the potential indicatorswhich were used to evaluated the cushioning such as foot-pressure and ground reaction force-related indicators,peak deceleration,impulse.

sports footwear;cushioning;review

G804.6

A

1672-1365(2011)01-0005-03

2010-05-13;

2010-07-26

上海市科学技术委员会青年科技启明星计划项目(06QA14046);上海市重点学科建设项目(S30802)。

魏勇(1973-),男,江苏南通人,博士,副教授,硕士生导师,研究方向:运动医学和运动生物力学。