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为解决鞋类研究中难以确定影响因素的问题，伊朗设拉子科技大学的研究人员开展鞋子对人体生物力学影响的研究。他们发现多种因素影响鞋性能及人体运动，该研究为鞋设计与选择提供依据，值得科研读者一读。
在人类的生活中，鞋子可是个不可或缺的角色，从史前时代起，它就一直陪伴着我们。早期的鞋子是用皮革、帆布和木头这些天然材料制成的，随着时间的推移，鞋子在样式、复杂程度和材料方面都发生了巨大的变化。人们这么折腾鞋子，主要是想让它更好地保护我们的脚，提供更多的支撑和舒适感，同时还能改善我们的运动方式。
如今，随着对专业定制鞋类需求的不断增加，评估鞋子的机械性能变得越来越重要。机械实验不仅能用于产品开发、质量控制和性能优化，还能研究老化、磨损和环境因素对鞋子性能的影响。更重要的是，这些实验对于判断鞋子在保护脚部、减轻疲劳和提高运动表现方面的有效性起着关键作用。通过压缩、冲击、扭转和弯曲等测试，我们能了解到鞋子的强度、柔韧性和减震性能。
不过，你知道吗？鞋子可不只是保护脚那么简单，它还能影响我们的运动，甚至预防受伤。很多研究都表明，不合适的鞋子可能是导致脚和背部受伤的原因之一，而合适的鞋子设计则可以通过优化运动学和动力学来保护我们。但是呢，过去 20 年里，虽然关于鞋类科学的研究越来越多，可这些研究常常很难确定到底是材料特性、设计还是结构等哪些具体因素对观察到的效果起主要作用。
为了解决这些问题，来自伊朗设拉子科技大学机械工程系的 Mohammad Mahdi Mohammadi 和 Amir Nourani 在《Heliyon》期刊上发表了一篇名为 “Testing the effects of footwear on biomechanics of human body: A review” 的论文。这篇论文深入研究了鞋子的机械和生物力学测试，以及它们对人体的影响，得出了许多重要结论，对鞋类设计和选择具有重要意义。
研究人员在开展这项研究时，采用了多种技术方法。他们先是详细研究了传统机械测试的方法，像压缩、弯曲、冲击和扭转测试等，通过这些测试来评估鞋类的性能。在研究过程中，他们参考了很多之前的研究，从这些研究中获取灵感和数据。同时，他们还探索了不同鞋类在日常使用活动中对人体运动学和动力学的影响，比如研究举重鞋在杠铃深蹲运动中的生物力学作用。
下面咱们来详细看看他们的研究结果。
机械测试
- 压缩测试：压缩测试主要用于比较不同的鞋垫和中底结构及材料。在跳跃时，运动员脚底所受压力能达到体重的好几倍，这可能会导致膝盖、脚踝和脊柱等部位受伤。所以优化鞋底特性就很有必要。在这部分研究中，研究人员回顾了压力测试标准化的工作，探讨了鞋垫和中底结构及材料变化对压缩测试性能的影响。比如 Dickson 等人对两种市售跑鞋的不同鞋跟部分进行测试，发现 Adidas 鞋（Ambition PB）在全鞋跟测试中的刚度比 Mizuno 鞋（Alchemy）小，而且 Mizuno 鞋由于其泡沫鞋底，能量吸收更好。另外，中底结构对鞋底刚度和运动表现有重要影响，像网格（Grid）拓扑结构的鞋底刚度最高，而钻石（Diamond）晶格结构的鞋底则最不坚固。还有研究表明，特定的聚氨酯泡沫和复合丝瓜海绵等材料适合作为中底材料，因为它们具有良好的减震性能123。
- 弯曲测试：弯曲测试分为简单测试和三点弯曲测试。简单测试是固定鞋的前脚部分，用强 wire 拉动后部分。Benkahla 等人对 NBR 外底进行简单弯曲测试，发现实验结果和数值模拟结果吻合度较高，但该方法和本构模型可能不适用于其他鞋底材料或设计。Nunns 等人通过简单弯曲测试表明，在外底创建不同结构能有效改善鞋子的弯曲性能。三点弯曲测试中，研究发现增加鞋子的弯曲刚度可能会影响跑步经济性，不过现有研究表明，这种影响在 - 3% 到 3% 之间变化456。
- 扭转灵活性测试：扭转灵活性是指结构或材料抵抗或适应扭转力或扭矩的能力。Buckland 等人对新学步儿童进行研究，评估了不同扭转刚度鞋子对他们压力分布和身体稳定性的影响。研究发现，随着施加扭矩的增加，所有鞋子的扭转灵活性都会降低，而且硬底鞋能使参与者的峰值压力最低，超软底鞋的峰值足底压力则较高。不过，该研究在鞋类设计、材料、环境和样本量等方面存在局限性，未来还需要进一步研究78。
- 冲击测试：鞋子的冲击测试能测量鞋子吸收冲击的能力，保护穿着者的脚免受突然冲击。Delattre 和 Cariou 评估了 31 种市售跑鞋，发现用户对鞋子缓冲强度的感知与鞋子的绝对最大压缩量有关。Keshvari 等人通过动态冲击吸收测试发现，鞋垫的冲击峰值加速度越低，穿着越舒适。还有研究表明，Poron 鞋垫的冲击衰减性能比 Poron/gel 鞋垫更好9。
鞋子对人体运动学和动力学的影响
- 步态和站立姿势：不同类型的鞋子对步态和站立姿势有不同影响。比如不稳定的鞋子，穿着它会让脚踝在站立初期的背屈增加，力的中心偏移也会增加。长期穿不稳定的鞋子还可能改变肌肉激活模式，提高稳定性。还有像高跟鞋，虽然它能增加腰椎前凸，让女性看起来更有吸引力，但长期穿会改变脊柱自然曲线，增加背部问题的风险。而专门为孕妇设计的鞋子则能帮助矫正跟骨位置，促进产后脊柱和髋关节的健康。另外，模仿赤脚行走的鞋子和反内旋鞋也各有特点，前者能促进更自然的步态，但在康复或特定医疗情况下可能不太适用；后者能减少脚踝和膝盖关节的压力，对运动员和活跃的人有益。还有性别特定的鞋子，考虑到了男女跑步模式的差异，能更好地满足不同性别的需求。跑步鞋方面，缓冲鞋和竞速平底鞋在脚踝运动模式上有差异，而且中底厚度和鞋带设计也会影响跑步性能和舒适度101112。
- 深蹲：在深蹲运动中，举重鞋有着独特的作用。研究发现，举重鞋可能不会改变大腿的峰值屈曲角度，但能减少躯干倾斜，增大脚的角度，对举重者优化表现、降低受伤风险很有帮助。不过，不同研究对举重鞋的效果存在差异，这可能和鞋底硬度、结构设计等参数有关。而且，经验水平也会影响人们对举重鞋的需求，新手需要逐渐适应举重鞋，而有经验的举重者能从中获得更多好处131415。
- 垂直跳：垂直跳时，合适的鞋子能减少对地面的冲击，保护运动员免受伤害。Auxetic 鞋就是一种很特别的鞋子，它使用了 Auxetic 材料，这种材料在拉伸时会横向扩张，受压时会收缩。研究发现，穿 Auxetic 鞋能改善最大髋关节、膝关节和踝关节的屈曲角度，减少腰骶椎间盘的最大剪切力和外部力矩。篮球鞋的中底硬度也很重要，较软的中底会导致前脚峰值力增加，后脚峰值力减少，同时还会影响关节的负荷和肌肉的激活策略161718。
最后，咱们来总结一下这项研究的结论和意义。研究人员通过一系列研究，得出了很多关于鞋子的重要结论。比如鞋底的晶格结构会影响鞋子的刚度和压力分布，复合丝瓜海绵有很好的减震效果，Poron 鞋垫能提供更好的冲击衰减。不同类型的鞋子对人体运动学和动力学有着不同的影响，选择合适的鞋子对于预防受伤、提高运动表现和舒适度非常重要。
这项研究的意义重大。它为鞋类设计和选择提供了科学依据，帮助制造商设计出更符合人体需求的鞋子。同时，也为消费者提供了指导，让大家能根据自己的活动和身体状况选择合适的鞋子。未来，研究人员还需要对先进的结构设计进行更多的机械和生物力学测试，进一步探索鞋子的奥秘，让我们能穿上更舒适、更安全的鞋子。
