足底压力测量技术在鞋靴设计中的应用及进展

杨春燕

（际华集团股份有限公司，北京 100020）

所有踝足解剖结构或者运动系统的病理学改变，即使再微小，都会影响其吸收冲击力，以及推动身体前进等功能。当前人们穿着的鞋靴多种多样，而鞋靴设计的样式也有所不同，多样的鞋靴会改变踝足的生物力学，从而影响人的正常生理机能。设计不合理的鞋靴还会导致人体出现病理变化，长期穿着不合脚的鞋子，会引发扁平足及拇指外翻等病理现象，年龄较小的儿童还会影响足部的发育，甚至出现畸形等问题。通过研究足底压力测量技术在鞋靴设计中的应用及进展，可以充分明确足底压力测量技术在鞋靴设计中的应用价值，并对足底压力测量技术发展与常见测量仪器进行分析研究，从而为鞋靴设计提供参考。

1 足底压力测量技术在鞋靴设计中的应用价值

舒适度所指的是人体对外界环境的主观印象，融合了生理和人的心理感受，是通过视觉和嗅觉等对鞋评价后的主观反应，所以，对鞋的舒适度的评价有着很强的主观性。随着体育运动的普及与生活水平的提升，人们注重精神方面的享受，健身的意识逐渐增大，提高了对鞋的舒适度的重视。随着鞋靴市场的扩大，鞋的设计按照一定型号统一制作，也加大了对舒适度的影响，为人们挑选合适的鞋带来了一定难度。鞋靴设计有着帮助人体缓冲，避免受伤、保护机体的重要作用，许多企业将国际的流行款式记性再设计并投入到生产中，虽然提升了鞋靴的美观度，但是在舒适度方面却大大降低[1]。

鞋靴的很多方面会对舒适度有着一定的影响，包含了楦型、帮样、尺寸、重量、弯曲度以及减震、缓冲、透气等等性能，足底的压力分布是决定鞋靴舒适度的关键因素之一。结合当前研究来看，很多设计学者通过问卷等方式对鞋靴舒适度的影响因素做出了调查，例如鞋的颜色款式对鞋外观的影响，以及对鞋舒适度的影响，研究结果表明，鞋的外观与舒适度的影响并无较大的关联。决定鞋靴是否合脚的因素，在于人体的鞋足趾区、跖趾关节区、足弓区以及鞋口等等，且有着明显的影响。所以，评价鞋靴的舒适度设计需要考虑众多因素[2]。

鞋靴的舒适度和足底压力的分布有着直接的关联性，足底局部压力过高就会导致足部部位疼痛，且这种症状长期累积就会导致足部的生理病变。例如，鞋跟的高度会与足底压力分布直接关联，对舒适度也有着极大的影响。随着人们对鞋靴美观性要求的提升，很多年轻人及中年人都习惯常年穿着跟部过高的鞋靴，随着跟部的增高，就会加大对足前部，尤其是内侧足前部的拇趾区压力，还会加大其对地面的冲击力，但是会减少足跟部与弓部的压力，大大降低了鞋靴的舒适度。最大的压强值与强峰值反应的是足底单位面积的压力大小，甚至越小，则压力分布越均匀，也就相应提升了鞋靴的舒适度。如果足底压力中心轨迹曲线的平直程度也会直接反映出鞋的舒适度，轨迹后半段所反映的是运动时足部的稳定性，降低人们运动时出现扭伤、挫伤等风险。在当前，鞋靴设计应用了较为可靠的足底压力测量技术，不仅能够提升鞋靴的舒适性，还能降低足部压力以及挫伤等风险。由此可见，鞋靴设计与足底压力测量技术有着直接的关联性，想要保证鞋靴设计的合理科学，为人们提供更加舒适的鞋靴，还需要积极研究足底压力测量技术的应用和研究进展，从而使技术应用更加完善。

2 足底压力测量技术发展与常见测量仪器

足底压力测量技术始自于1882年，由英国的学者开始研究。当时在研究中条件较为匮乏，所以只能对足部的外形轮廓而并非足底进行压力测量。这一技术为鞋靴设计带来了新的契机，并在20世纪的50年代得以快速发展与普及。迄今为止，该技术已经有了几十年的历史，并经历了足印、足底扫描、力板、测力台等多种技术。

其中，足印技术也可称之为复印技术，主要是通过足部在石膏、橡胶模板中留下印记，压力会随着形态等变化，从而得到足底压力参数。最早的复印技术研究者为Morton，并设计了活动摄影机技术，借助橡胶特有的弹性将压力通过一定比例转换而来，随后在鞋靴设计中也被广泛应用[3]。这一技术还被应用在了足部的临床治疗中，如生产假肢、矫形治疗等等。足底的压力扫描技术则是通过一块玻璃完成测量，在玻璃两端设计光源，并在玻璃上安置橡胶弹性垫，因为光在玻璃内部会出现反射，所以在足部踩到弹性垫后，会产生清晰的印记，从而通过比例计算得出足部压力。脚印法和压力扫描的性质类似，根据足部受到的压力，结合印记图像的变化来判定压力内容。脚印所记录的足底压力峰值，但是无法测出瞬时的压力，虽然具有清晰可辨的压力点，而在测试中因为灰度较为均匀，所以无法详细做出压力分布的情况，在足部受到压力后只能结合图像变化来判断。

在测试技术实施中，主要包含了测力板以及压力鞋、鞋垫等，利用换能传感器实现测试系统的发展。侧力板和台所用的是转换技术，借助电转换来实现信号的测量，能够有效提升测量参数的精准性，并保证从前后左右以及垂直方向等三维立体测量，获得较为全面的测量结果。因为测力板与测力台的面积是极其有限的，所以获得结果需要一定的时间，并且只可以测出被测人员走出一步的压力数据，所以对动态的研究尚有不足。当前压力板只能对足底压力测量，无法全面地掌握鞋面的具体受力情形，如果在测量中所测范围比较大，就要适当增加传感器 的数目，也就导致成本出现了加大。

根据在业内知悉度较大的KISTLE压力板研究来看，所用的就是这种技术[4]。压力鞋与鞋垫，是通过传感器安装在鞋垫或鞋内，打破了床柜测力台/板在应用中的局限性，有效开展动态参数测量。这种传感器一般存在两种模式，也就是压阻/压电晶体。在实验研究中，为了能够获得研究人员的足底载荷参数，相关人员在鞋底内部嵌入了测试装置，并对足部和鞋底的基础作出真实的评价，所以在设计鞋靴期间，发挥着重要的指导价值。其中，最重要的是，将装置安装在鞋内垫中，可以获得动态测量参数，充分的弥补了传统压力板无法记录实时、动态的参数变化局限。

同时，另一种类型还可以获得足部对垫片的连续压力分布参数。结合研究来看，Schwarhs等学者通过研究，在足底压力测量技术法研究方面，针对足底进行了全面的动态研究，并设计出具备12个传感压力碟片的相关系统，通过在大趾、跟骨、跖骨的相应部位安装电流计进行测试。通过测试，能够为研究提供12和通道动态的压力曲线参数[5]。根据国外相关内容来看，以美国为代表的Tekscan等企业中，所用即为F-Scan鞋垫测力系统，技术更为先进的德国Novel则采用的是Emed测力板与Pedar鞋垫作为测力系统[6]。不同的测力系统在研究中所得的测量结果是不同的，并且在测量中还需要结合实际情况选择最佳技术，才能为鞋靴设计提供科学的参考。

3 足底压力测量技术的应用

在足底压力测量技术的不断发展中，国外技术相对较为先进，我国在引进先进的测试系统后，通过研究及创新突破，在此领域中获得了良好的研究成果，结合研究内容来看，重点在于运动生物力学的步态研究以及临床研究中。足底压力测量可以对足部存在的疾病进行诊断，从而精准判断出足部疾病，为诊疗方案的设计提供参考。足部压力测试用作疾病的诊断，在临床中拥有不可替代的效果。一般常用应于畸形类疾病，如扁平足以及高弓足等疾病，通过分析足部压力的分布特征，来测量应用足底压力技术，所以为生物学研究也带来了极大的帮助，在生物研究中，作为分析足底压力的评定手段。还可以有效地对残疾人士进行评定，掌握对假肢的设计的合理性。

鞋靴设计的压力分布和特征研究，在揭示了足底压力分布情况后，还可以满足鞋靴的设计提供技术方面的需求。目前，国内外的许多运动鞋品牌，还有为了满足不同需求而制造的功能鞋等，都是以足底压力测量技术为准，对相关研究结构进行了探讨交流。结合国际中销售业绩较高的品牌来看，如Nike等众多企业，在研制开发期间开展动力学的测试，可以有效实现在揭示人体鞋靴状态下的足底压力分布模式的同时，也为鞋靴设计制造带来了技术方面支撑。当前，大部分运动鞋，以及减肥鞋等功能性鞋都是由研究成果而来的，许多保健鞋垫都是足部压力测量技术的研究结果得来的。结合国际中的大部分运动鞋品牌来看，例如Nike等企业都有着独立的研究机构，在开发产品及设计期间，针对运动学和动力学开展专业测试，从而推动企业的顺利发展。

4 足底压力测量技术在鞋靴领域中的应用

鞋是人们在生活劳作中不可缺少的一部分，和人类的健康有着密切的关联，在近百年前，欧洲的鞋靴制造者曾经被称为“膝盖以下的外科医生”。可见，不仅在鞋靴设计中用压力测量技术，还和鞋垫设计、足部支撑、矫形鞋设计方面有着极大的关联。

4.1 在运动鞋设计中的应用

结合我国当前运动鞋品牌来看，在鞋靴设计开发中应用了动力学、形态学、运动学等多种技术，实现运动鞋的设计研究。结合Nike企业运动研究的创始人Frederica博士的研究成果来看，在研究生物力学中有着很大的成就，并获得了奥林匹克研究奖项[6]。同时，结合国际医学会主席研究来看，曾经在香港研究会议中作出了相关的报告，并指出了市场中足底部压力测量的重要性。部分研究人员通过研究生物力学设计发现，在鞋底不有13个凸起的话，能够有效提升鞋靴的防护能力，并且效果要高于超出或少于13个凸起的鞋靴。部分研究人员曾经将足底的压力分布参数应用在运动鞋的设计里，并获得了运动鞋缓冲振动的力学特征，从而为鞋靴设计提供了重要的参考。

4.2 在功能鞋设计中的应用

功能鞋主要是应用在具有特殊功能需求的鞋靴中，所指的是根据不同功能需求所设计的鞋靴，在面对鞋靴市场时具有一定的针对性。部分研究学者针对糖尿病及截肢患者所穿着的不同鞋靴作出了压力分布的影响研究，并对可以降低峰值的鞋靴作出的研究总结。在行动过程中，导致外翻的最终原因可能是作用在拇趾上的力，导致拇趾力量的轴线偏移，出现位移变化。

4.3 在鞋大底设计中的应用

结合部分研究人员的研究结果来看，鞋靴随着跟部参数的调整，也会影响步伐的速度。结合18～30岁人员研究来看，在女性穿着高跟鞋时，走路的时间越长，前脚掌承受的压力越大。在鞋跟＞3 cm后，就会出现短期的荷载时间缩短，与裸足的状态对比后，就会发现压力压强已经达到了一定的峰值，而这种荷载会随着鞋跟的增加而出现加大。由此可见，鞋跟的粗细和高度是影响设计的关键因素之一，但是却也是最容易被忽视的设计问题之一。

我国在研究足底压力测量方面的技术正处于发展阶段，国内很多学者对鞋靴的跟部高度作出了研究，部分学者认为女性在行走期间，穿着平底鞋、中高跟鞋以及裸足所产生的压力分布情况是不同的。并认为，女性穿着鞋跟越高，足部压力分布越大，且不均匀。研究结果为，穿着高跟鞋行走期间，前足的压力增大明显，而足跟的压力随之减少。并发现了其中的规律，也就是跟部越高，前足所受压力越大，而后跟的压力越小。主要是因为鞋跟的高度对足前区与中区的受力面积影响极大，但在外跖骨方面有着显著的降低，并迁移了压力中心，出现位移距离的缩短，增加了步伐频率，从而增加了支撑的效果。同时，步态的负重会随着周期的增大而加大。

同时，在研究中所提到鞋底的周边向内10～15 mm是摩擦最多的部分，而受到磨损较小的属于鞋头与后跟，因为传统的波浪纹是大底花纹，所以具有良好的防滑性和耐磨性，过于细密的网球鞋底花纹容易出现磨损，所以可以将大底花纹设计为传统的波浪纹。

4.4 在鞋底花纹设计中的应用

结合当前研究来看，在部分研究结果中提出鞋底周边，如前掌、后跟以及中腰部位的内向10～15 mm为磨损情况最严重的部位，但是这一处的磨损情况小于鞋头与后跟，因为传统的波浪纹作为大底花纹具备优质的防滑性与耐磨性，如果采用过于细密的网球鞋底花纹容易产生磨损，所以可以将大底的花纹设计作为传统的波浪纹。由此可知，鞋底花纹的设计与足部压力测量技术的研究也有着直接的关联性。在鞋靴设计期间，不仅要考虑鞋靴的其他部位设计以及舒适度的设计，还要着重研究鞋底花纹的设计。

4.5 其他方面中的应用

结合当前研究进展来看，部分研究人员对鞋与鞋垫的多种材料降低糖尿病的足部压力有效性进行了研究，并结合实际研究得到了影响效果的证实，把足底压力的分布测量，鞋底材料压缩测试和鞋内曲线等多种因素重合，能够充分多运动鞋减震、缓冲等性能分析，找出影响运动鞋功能的最终因素，从而为运动鞋的完善提供最终研究方向。很多研究者对于鞋楦设计方面，借助压力数据构建了压力分布中鞋楦与地面接触的影像，结合两者之间的关系来看，参数模型的转换，可以随着快速的修改实现设计的完善，但是在具体的情况中，还存在较多的问题，需要全面的研究。

5 结语

足底压力分布测试受到时间和空间的影响，能够全面地反映出人员在测试中脚底的实际受力情况，尤其是在扁平足、高弓足等出现疾病的方面，对老年人的具体特点，可以开展针对性的矫正，从而为鞋靴设计研究提供更加具体、全面的方案参考，结合当前研究进展来看，随着研究的不断深入，研究指标也在持续深入中。本文通过分析静态及动态压力特征、特殊人群、足底压力分布等内容，为鞋靴设计研究提供一定的参考。