3D 打印在鞋类产品设计中的应用可能性

张莹

（天津美术学院，天津 300100）

鞋具，由最初的足部保护功能发展到承载社会和身份的符号载体，它的设计随着功能的变化与材料、制造技术的升级，不断推陈出新。在消费市场的推动下，对时尚潮流的追逐逐渐成为大众消费鞋类产品的主要推动力。然而，现代人类生活方式的转变和健康产业的发展，让越来越多的人意识到，足部以及身体健康和鞋类产品之间的密切关系。“鞋形脚（theshoe-shapedfoot）”，以及各种因不良生活习惯引起的足部相关健康问题，能否在设计层面，结合现今3D 打印技术，及其相关数字化生产技术得以解决是本文提出和探讨的主要问题。

1 鞋具的由来

文明社会之前的旧石器时代，以狩猎为生的人类在奔跑追逐野兽的生活中，逐渐学会利用不同的材料包裹足部，并逐渐形成了“鞋”的雏形。作为人类足部“外覆层”的鞋具，据推断可能早在三至四万年前就已经存在并被使用。但是由于最初的鞋具是以不容易保存的材料制作的，科学家只能从古人类骨骼的变化（如古人类小脚趾骨的弱化等）以及洞穴壁画来推测它的雏形。直到人类学家LutherCressman于1938 年在美国俄勒冈福尔岩洞（For Rock Cave）发现最早的凉鞋实物证据。这些由山艾树皮制成的凉鞋，经研究发现有超过9000 年的历史，被研究认定为最古老的皮制鞋。阿雷尼-1（Areni-1 shoe）（图1），2008 年在亚美尼亚被发现，有5500 年的历史。这双内部塞满干草的最古老的皮鞋，在前后接缝处系有皮绳。而在发现地的亚美尼亚洞穴周围，加拿大考古学家研究人员Gregory Areshian 指出“地形非常崎岖，有许多锋利的石头和带刺的灌木。”这时鞋子的目的显然是保护足部，但是研究者也认为“鞋子的某种外观意味着属于特定的部落。”

图1 阿雷尼-1

进入文明时代，不论是在古埃及、古希腊还是古罗马，世界不同区域都出现了适应自己地域文化的鞋类制品。比如古埃及的人字拖，由于埃及炎热干燥，人字凉鞋可以避免沙土烫脚。但在当时只有法老、贵族等上层阶级才会穿凉鞋，普通民众或是奴隶都仍是赤脚。当时的鞋具在承载功能性的同时，也是权力和财富的象征。鞋具这种从功能实现到阶级身份载体的转化，随着人类社会物质和经济的发展，以及世界各地手工制鞋业的兴起而不断深化。比较极端的例子是文艺复兴时期，从威尼斯开始流行的chopines（图2），这种鞋具本是套在使用者的鞋外，以保证脚不被潮湿的小路弄脏，但是同时由于它夸张的高度，大多时候穿戴者需要仆人在旁搀扶，所以它又表明使用者具有一定的社会地位。随着它的社会属性和时尚意义超越了它的功能性，chopines 的高度变得越来越夸张，当时最高的chopines 达到50 厘米。以致于威尼斯政府不得不对其高度进行干预，出现了限制其高度在3 英寸之内的法律。Chopines 也被认为是当今高跟鞋的原型之一。

图2 始于威尼斯的chopines

19 世纪随着工业化生产的发展，制鞋业也逐渐从手工艺定制逐渐向大批量工业生产转型。在工业化生产方式的冲击下，欧洲除了像意大利还保留相当高比例的传统手工制鞋技术，大多数国家的鞋业制造已经机械化和批量化了。虽然工业化生产极大地提高了生产效率，并且丰富了鞋具的产品品类，但是随着我们对足部健康的深入研究发现，人类的足部形态千差万别，批量化生产的时尚鞋具让消费者在潮流的裹挟下，忽视了鞋具最初的保护功能，同时长期穿戴不适合自己足部生理结构的鞋具，还会产生各种身体健康问题。

2 鞋具和足部健康

人体足部由26 块骨骼、33 个关节以及大量肌肉、肌腱、韧带和软骨等组织构成，它们一起构成了足部复杂的力学结构。足部是人类活动与地面的接触始端，足部和踝关节紧密相连，构成整个下肢运动系统，所以足部健康与人体健康关系紧密。

足部运动可描述为三个平面运动：矢状面、冠状面和水平面。从矢状面观察我们的足弓，可发现我们常说的扁平足、高足弓等问题。足弓是由跗骨、跖骨，以及足底韧带、肌腱等组织组成的“拱”形结构，是人体运动的“避震器”，对行走和跑跳等动作起到了减震、缓冲的作用。良好的“拱”形结构还可以让我们更好地适应不同地形，以及避免足底血管过度压迫而造成的疼痛等问题。从冠状面来看，足弓形态异常会引起踝力线异常（见图3），比较常见的是扁平足引起足外翻，影响足踝、小腿甚至引发膝盖疼痛，严重的会出现膝关节炎、跟腱炎、足底筋膜炎等并发症；从水平面看，人类自然的脚型是扇形，而长期穿着现代时尚鞋具的足部前端被聚拢到一起（见图4），形成“鞋形脚（theshoe-shapedfoot）”。跖骨排列结构发生变化，造成其余骨骼排列发生变化。这和制鞋业长期使用相同尖头鞋楦进行批量化生产有密不可分的关系。我们的足部在静态情况下需要为身体提供稳定支撑，运动时则提供减震和推进。足部受鞋型影响，不只引起脚趾形态的变形，还会使本应起到稳定作用的跖骨丧失其自然锚定功能，甚至因代偿造成其他部位的损伤。

图3 左为异常踝力线 右为正常踝力线

图4 左为正常足型和足前端受力分析 右为“鞋形脚”及其前端受力分析

足部问题的复杂关联性还不止于此，在人类生长的不同阶段，足部都有不同特点。比如柔韧性平足在婴幼儿时期属于生理状态，但6 岁以后还未形成正常的足弓则被视为病理状态。生长发育期的儿童平足，如未经治疗或治疗不当，会引起下肢力线异常排列，诱发足部畸形，引起步态失调[1]；而老人由于足底脂肪的流失，足部则需要更多的缓冲和避震功能。如果老年人长期穿着不当鞋具，则会出现如拇趾外翻、扁平足、足底板前掌老茧数量增多等足部形态变化[2]。这些问题根据每个个体的足部情况与身体机能的关系等，都需要针对单一问题分析解决。

3 3D 打印数字定制化带来的可能性

3D 打印又被称为快速原型制造，或统称为增材制造。3D 打印技术作为快速验证设计想法的工具，已经有30 多年的历史。3D 打印工艺采用不同的技术和材料，但其基本运行原理一致。设计者需要首先使用计算机软件构建模型，计算机实体模型须为明确定义的闭合曲面，该模型的水平界面须为闭合曲线。数字模型转化为STL 文件格式，可以利用最简单的三角形和多边形逼近还原模型表面。3D 打印软件分析STL 文件，并将数字模型分层为若干截面切片，这些截面通过打印设备层层结合为实体模型。因材料和技术不同，成型方式可能是半固态挤出、液态固化或粉末烧结等。在《3D 打印与工业制造》一书中对比传统制造业，3D 打印的两个突出特点一个是免除模具的使用，另一个则是制造成本对设计的复杂性不敏感。个人认为，这两个特点对于需要小批量定制化的未来鞋具市场，具有重要的意义。

鞋楦作为制鞋的模板，在传统手工制鞋工艺流程中长期依赖于制楦师傅的经验水平。而这种手工制鞋的方式效率低、时间长、成本高，且存在地域性制约，不能满足鞋类市场的大量购买需求。制鞋业工业批量化后，鞋楦的生产也由手工刻楦发展到机械铣削刻楦。即在工业化批量生产中，几乎所有鞋型都是按一定的标准进行大致分类，我们在选择的时候需要让足部适应标准鞋型。这样的生产方式和对时尚社交的盲从，也是造成现今足部问题的重要原因。

目前市场上已经出现了多种以足部健康为设计出发点的相关产品。比如，模拟赤脚行走跑步的“赤脚鞋（Barefootshoes）”，其中以Vibram 公司生产的五指鞋为代表。但是Vibram 五指鞋的主要受众人群，还是以热爱户外运动的人群为主。德国的功能鞋代表品牌Joe Nimble 也与生物力学专家Lee Saxby，一起设计生产了前部较宽，鞋头扁平，可较好支撑和稳定前脚掌的跑鞋，它的设计可以支持大脚趾的天然抓地功能。除此之外还有Telic 公司的3D 打印定制鞋楦的人字拖，通过3D 打印技术和相关数字技术，Telic 公司开发了可以让客户远程通过设定流程，使用智能手机拍照而制造个人定制化鞋楦，然后再通过使用3D 打印制作满足个体需要的鞋具。他们开发的第一款产品就是古埃及时代就出现的人字拖（见图5）。

图5 Telic 开发的3D 打印人字拖

结语

人类使用工具进行造物的历史已久。但随着社会发展，当产品融入更多的社会需求后，它就逐渐丧失了原本的功能，甚至与其背道而驰。当今医疗健康领域的众多研究都表明，长期穿着不适合足部结构的鞋具会对人体健康产生诸多危害，而3D 打印技术产品化和互联网数字化相关技术的发展，给传统鞋具制造带来了新的机遇。在产品设计环节，以足部健康为核心，通过新技术手段进行小批量定制化生产，或许会成为未来鞋类产品的一种可能性。