军靴与跑鞋对跳跃着陆时足底压力分布及下肢肌肉活动的生物力学影响研究

《Journal of Biomedical Informatics》：Effect of military boots compared to running shoes on plantar pressure distribution and lower limb muscle activity during jump landing

本研究针对军事训练中跳跃着陆时的高冲击负荷问题，对比分析了军靴(MB)与跑鞋(RS)对足底压力分布及下肢肌肉电活动(EMG)的影响。研究发现，MB导致足跟区域峰值压力(451.25 vs 311.60 kPa, p<0.001)和压力时间积分(PTI)显著升高，且股二头肌长头激活程度更高(61.6% vs 37.0% MVC, p<0.014)，而RS压力分布更均匀。结果表明RS在缓冲冲击、降低损伤风险方面更具优势，为军事训练中 footwear 选择提供了重要生物力学依据。

　　

在充满挑战的军事训练中，士兵们经常需要执行跳跃、奔袭等高强度任务，这些动作会对双脚造成巨大的冲击负荷。脚踝扭伤、胫骨应力性骨折、足底筋膜炎等足部损伤，已成为影响士兵作战能力和生活质量的重要健康问题。而作为士兵的“第二层皮肤”，军靴的设计是否合理，直接关系到他们在跳跃着陆等动作中受到的冲击力大小以及潜在的损伤风险。以往的研究多关注于军靴在行走或跑步中的表现，但对于军事训练中更为常见的跳跃着陆动作，军靴与日常穿着的跑鞋在生物力学特性上究竟有何差异？它们对足底压力的分布以及下肢肌肉的协调运作又会产生怎样的影响？这些问题的答案，对于优化军靴设计、提升士兵表现、预防训练损伤具有至关重要的意义。

为了回答这些问题，来自英国邓迪大学的研究团队在《Journal of Biomedical Informatics》上发表了一项研究，他们精心设计了一项生物力学实验，招募了13名健康成年志愿者，让他们分别穿着标准军靴（LOWA R-6 GTX? multi-functional tactical boots）和跑鞋（Brooks Launch 5 Men's RS），从60厘米高的平台进行跳跃着陆。研究人员利用先进的Pedar-X足底压力测量系统和DELSYS无线表面肌电（EMG）系统，同步采集了着陆过程中的足底压力数据和下肢主要肌肉的电活动信号。他们将足底划分为9个区域（包括足跟内侧/外侧、足弓内侧/外侧、前足内侧/中央/外侧、拇趾、其余趾区），详细分析了最大力、峰值压力、压力时间积分（PTI）等压力参数，并同步记录了股直肌、股内侧肌、胫骨前肌、股二头肌长头/短头、腓肠肌外侧头/内侧头等多块肌肉的肌电活动，通过严谨的统计学方法比较了两种鞋型的差异。

研究结果揭示了军靴与跑鞋在生物力学表现上的显著区别：

3.1. 受试者基本信息

研究最终纳入了13名志愿者（6男7女），平均年龄26.6±4.2岁，平均体重67.3±16.3 kg，平均身高167.1±8.5 cm，身体质量指数（BMI）涵盖正常和超重范围，确保了研究结果的代表性。

3.2. 整体足底压力参数

总体来看，军靴（MB）组在整体峰值压力、最大平均压力、最大力、PTI和力时间积分（FTI）等多个参数上均显著高于跑鞋（RS）组。例如，左足总峰值压力在MB下为451.3 kPa，显著高于RS下的311.6 kPa (p<0.001)。这表明MB在着陆时产生了更大的整体冲击负荷。

3.3. 接触面积

在右足的多个区域（如M02外侧足跟、M03内侧足弓、M07外侧前足等），RS的接触面积显著大于MB (p<0.05)，说明RS的鞋底能更好地与地面接触，有助于分散压力。

3.4. 最大力

MB在足跟区域（M01, M02）产生的最大力显著高于RS。例如，左足M01区域的最大力在MB下为555.1 N，比RS下的393.7 N高出约29% (p<0.001)。相反，在足弓区域（M03），RS的最大力则显著高于MB。这表明MB将冲击力更多地集中在足跟，而RS则能将部分力分散到足弓。

3.5. 峰值压力

这是最核心的发现之一。MB在足底几乎所有区域（尤其是足跟M01、M02和足弓M03、M04）的峰值压力都极显著地高于RS (p<0.001)。例如，左足M01区域的峰值压力，MB为378.0 kPa，RS为241.7 kPa。直观的热力图也清晰显示，MB着陆时足跟部呈现高压集中的“热点”，而RS的压力分布则相对均匀。这表明MB的刚性设计导致冲击力无法有效缓冲，集中作用于局部区域。

3.5.1. 最大平均压力 & 3.5.2. 压力时间积分（PTI）& 3.5.3. 力时间积分（FTI）& 3.5.4. 平均力

这些后续分析进一步印证了上述趋势。MB在足跟区域的最大平均压力、PTI（代表累积负荷）和FTI均显著高于RS。而RS在足弓等区域的这些参数则相对较高。这共同说明，MB不仅瞬时冲击力大，而且累积负荷也更高，增加了足部疲劳和损伤的风险。

3.5.5. 肌电活动（EMG）

肌肉活动的模式也截然不同。穿着MB跳跃着陆时，股二头肌长头的激活程度（61.6% MVC）显著高于穿着RS时（37.0% MVC, p<0.014）。相反，股内侧肌和腓肠肌内侧头的激活程度则在RS下更高。这表明，不同的鞋型改变了维持着陆稳定性的肌肉发力策略：MB可能更需要大腿后侧肌群用力“拉住”沉重的靴子并稳定身体，而RS则更需要大腿前侧和小腿后侧肌群来有效进行缓冲和稳定。

综合以上研究结果，可以得出明确的结论：与跑鞋相比，军靴在跳跃着陆时会导致足底压力（特别是足跟区域）显著集中，峰值压力和累积负荷（PTI）更高，同时改变了下肢肌肉的激活模式，表现为股二头肌活动增强而股四头肌和腓肠肌活动相对减弱。这种生物力学特征提示，军靴的刚性设计限制了踝关节的自然活动，削弱了其固有的缓冲能力，可能导致冲击力更直接地向上传递，从而增加了足部及下肢损伤的风险。相比之下，跑鞋的柔性鞋底和缓冲技术能更有效地分散冲击力，提供更好的保护。

这项研究的发现具有重要的理论与实践意义。它不仅从生物力学角度揭示了特定军靴在缓冲性能上的潜在不足，为军靴的优化设计（如改进鞋底材料、增加关键区域缓冲）提供了科学依据，也为军事训练中 footwear 的选择和损伤预防策略提供了量化参考。例如，在高强度跳跃训练中，或许可以考虑使用缓冲性能更好的鞋款，或针对性地加强股二头肌等肌群的力量训练，以补偿军靴带来的生物力学改变。当然，本研究也存在样本量有限、只测试单一品牌鞋款等局限性，未来需要更大规模、更多样本以及模拟真实战场环境的研究来进一步验证和拓展这些发现。但毋庸置疑，这项研究为理解 footwear 如何影响人体运动生物力学、进而优化装备以提升表现和保障健康，迈出了坚实的一步。