《Advances in Materials Science and Engineering》：3D-Printed Running Shoes for Enhanced Biomechanics and Pressure Distribution: A Review
3D打印的出现为鞋类行业带来了变革性机遇，特别是在高性能跑鞋的设计与制造方面。本综述批判性地探讨了3D打印跑鞋的最新进展，重点关注增强向前推进力和足底压力分布。基于广泛的同行评审文献，研究人员审视了增材制造如何实现复杂中底晶格几何结构（如菱形、网格和四面体结构）的创建，这些结构可改善能量回传、减震和步态效率。综述还考虑了生物力学因素，包括足部解剖和着地模式，以说明3D打印鞋如何根据个体动力学特征进行定制。此外，还讨论了抗菌材料、嵌入步态传感器的智能鞋垫以及使用可生物降解或回收材料以促进可持续性的整合。与传统跑鞋的比较分析凸显了3D打印在个性化、性能和环境影响方面的优势。从本研究中推断，不同的晶格结构几何形状和中底厚度将对3D打印跑鞋的向前运动增强和足底压力分布产生影响，从而提供更好的功能性。本综述为研究人员、鞋类工程师和制造商在增材制造应用于下一代运动鞋领域的新兴趋势、技术挑战和未来方向提供了宝贵的见解。
**1. 引言**
跑步是人类最基本且历史最悠久的运动形式之一，设计者在打造理想跑鞋时必须考虑跑步的生物力学特性。研究表明，不同类型的鞋具可改变跑步过程中承受的垂直地面反作用力强度。运动员的跑步表现取决于多种特征，如跑步速度、步幅与步频以及整体跑步经济性。文献指出，跑步因其易行性、所需装备少和健康益处而成为受青睐的运动形式。每年，多达90%的马拉松训练参与者和56%的休闲跑者会遭受与跑步相关的伤病。跑步损伤可能与跑步支撑阶段冲击力加载的速率和幅度有关。更高的跑步速度会导致更大的垂直地面反作用力。
当一只脚接触地面时，跑步步态周期开始，并在同一只脚再次接触地面时结束。跑者中观察到三种主要的足着地模式：后足着地（足跟首先接触地面）、中足着地和前足着地（足掌首先着地）。一项研究表明，大多数长跑者采用后足着地模式，且其比例随距离增加而上升。后足着地通常被长跑者选择以提高跑步效率，因为这有助于通过增加跑步距离而非速度来节省能量。
鞋厂正在开发长距离跑鞋以提高跑步表现。不同概念已证明会改变踝关节和足部的生物力学。跑步时，下肢关节做功中超过一半（包括正功和负功）由踝关节和足部共同完成。尽管先前研究已涉及跑鞋，但在短距离跑者用跑鞋方面仍存在持续空白。短跑者通常选择前足着地以提高起跑速度并维持最大速度。然而，为实现这些，跑者必须将身体重心保持在一个理想的前方位置，这需要更多能量。因此，有必要设计既能提供向前运动又能保存能量的鞋，以帮助推动身体向前，从而改善跑步体验。了解跑步生物力学的概念和方法有助于跑者提升表现并降低受伤倾向。
凭借材料科学、生物力学和计算建模的最新创新，鞋类可以被设计为提供最大能量回传、舒适性和疲劳减少。跑鞋的缓冲和减震性能很大程度上受中底设计和材料选择的影响。乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）因其良好的弹性、低重量、优异的伸长率和良好的韧性而被广泛用作中底发泡材料。此外，EVA还易于制造和加工。其他发泡材料，如热塑性聚氨酯（TPU）和聚醚嵌段酰胺（PEBA）泡沫，已被纳入先进跑鞋技术中。比较研究表明，EVA的机械能量回传率较低，为66%，而TPU和PEBA分别为76%和87%。一项使用不同EVA成分的跑步过程模拟研究报告称，鞋子在跑步约160至240公里后保留了67%的初始减震能力，但超过400公里后该值低于60%。同样，基于足底压力（PP）测量的评估发现，EVA中底在使用350公里后性能退化。
由于穿着周期短，“快时尚”等趋势增加了对新服装和鞋类的需求。增材制造（AM）和3D打印机的使用现已非常普及。它们在航空航天、汽车和建筑等多个行业有广泛用途。道路宽度、道路间距、层高、光栅角度以及物体在打印机区域内的方向和位置是3D打印的主要工艺参数。这些参数影响所得物体的精度和机械性能。通过降低成本和加速上市时间，在样品设计阶段使用3D技术提高了过程效率和盈利能力。3D打印结合数字生产与新材料，使创新鞋类产品成为可能。这使得鞋类制造商能够通过试验新设计并提供更好的个性化选项来迅速进入市场。
目前市场上大多数跑鞋采用基于泊松比的结构。然而，研究已探索用于中底的替代晶格结构以评估其对性能的影响。一项研究检查了三种晶格构型（六边形、圆形和椭圆形），发现足底压力（PP）随着多边形边数‘n’的减少而增加。此外，更致密的晶格结构表现出更大的能量吸收。晶格结构以其能量吸收特性而闻名，通常通过空心桁架设计实现。对压缩试验下开孔和闭孔单元的研究表明，闭孔结构表现出更高的刚度。此外，比较四种晶格拓扑（菱形、网格、X形和Vintages）的研究表明，网格晶格具有最高的刚度，适合足跟支撑，而菱形晶格提供优越的应力分布，可能改善足底压力管理。
本研究的创新之处在于其将传统跑鞋与3D打印鞋及鞋类部件联系起来的方法。它解决了3D打印鞋在热降解和疲劳失效方面的关键缺陷。它还讨论了人工智能（AI）和生成式设计在3D打印跑鞋中的应用。本文献综述审视了鞋类行业的演变，特别关注其当前在跑鞋方面的状况。它还考虑了3D打印技术的革命性影响，进行了足部生物力学分析，并探讨了鞋类设计如何受此影响。详细介绍了3D技术的历史及其在鞋类未来中的用途，特别是在3D打印鞋和部件的发展中。晶格结构在增强能量吸收和足底压力分布方面的进步已显示出比传统材料更适合，这归因于其多孔性质。因此，本研究展示了如何调整晶格结构的几何形状可以产生高性能鞋，从而改善功能性和舒适性。
**2. 当前跑鞋：材料与挑战**
**2.1. 材料**
跑鞋的解剖结构在鞋类设计中至关重要，因为它影响性能、损伤预防和舒适性。鞋的三大主要组成部分是鞋面、中底和外底。鞋面包括鞋面帮、鞋舌和鞋帮等部件，提供保护和透气性，通常由编织针织或网眼类材料制成。足跟计数器等特征增强了稳定性，特别是在运动控制鞋中，而鞋舌翼可防止小径鞋中碎屑进入。外底设计用于牵引，公路跑鞋和越野跑鞋之间有所不同，崎岖地形使用更深的花纹。中底对于缓冲和稳定性至关重要，堆叠高度和落差是关键因素。碳纤维板和前足摇杆适应特定步态模式，以及其他创新，尽管其适用性因人而异。跑鞋的主要部件及其生产中常用的材料如图1所示。
运动鞋鞋面被设计用来利用纺织材料的天然多功能性和性能增强特性。合成纤维（如聚酯和尼龙）以及混纺材料也常用于鞋面，以提供几乎任何类型的运动赛事所需的合身性和触感。这些材料的选择基于其透气性、吸湿性、轻质、强度和柔韧性。例如，通常由合成纤维制成的网眼织物提供出色的通风性，使脚部享受凉爽气流，并避免鞋内因过度出汗而变得潮湿，同时还有助于减少脚臭的风险。纺织技术领域的进步使得无缝鞋面能够提升舒适性和耐用性。使用回收和可持续材料不仅提供性能优势，还保持了高度的环境责任，符合消费者对环保鞋类的期望。
尽管纺织鞋面具有优势，但它们也有几个缺点。跑步和跳跃等高冲击活动会对纺织材料鞋面产生持久且持续的应力，这可能随时间降低鞋面的寿命和结构完整性。这个问题当然不仅限于纺织材料制成的鞋面，但无论设计为仅使用几年还是像鞋类通常应持续数十年的情况，它都与鞋面的可持续性相关。另一个挑战是清洁和维护，因为纺织鞋面容易积聚污垢、汗水和异味，通常需要特定护理以确保其功能性和美观性。此外，尽管尼龙和聚酯等合成织物耐用且能排湿，但它们可能不如天然纤维可生物降解，这引发了可持续性问题。高性能织物会增加生产成本，从而限制了预算有限买家的可负担性。为了满足运动员和环保意识消费者的不断变化需求，这些问题要求材料科学持续创新，例如开发更有弹性、更可持续且更易清洁的纺织解决方案。
**2.2. 挑战**
传统跑鞋以中等缓冲为特征，但近期趋势引入了极简或极厚缓冲的选项，每种都有不同的优缺点。极简鞋的特点是轻量化设计、高柔韧性、低跟趾落差和减少的堆叠高度，允许更自然的足部运动。研究表明，这些鞋会导致小腿肌肉和跟腱负荷增加。这种效应在后足着地模式的跑者中尤为明显。此外，它们可能提高平均垂直加载率，增加过度使用损伤的风险。另一方面，极厚缓冲鞋也具有低跟趾落差，但增强了中底缓冲。尽管对这种类型鞋的研究有限，一些发现表明，穿着者可能经历长时间外翻，这也可能导致潜在损伤风险。
导致跑者非接触性下肢损伤的一个主要因素是鞋类牵引力。地面接触期间更高的旋转牵引力会增加肌肉和关节的压力。影响这种相互作用的因素包括鞋底材料的分布，特别是在前足和足跟区域，鞋重，接触时间以及跑者的体重。研究表明，约90%的韧带损伤是由于过度旋转牵引力造成的，因为更大的牵引力导致更高的机械负荷。因此，需要开发有助于调整跑步生物力学以最小化损伤风险的鞋类。
已开发了一个耦合数学模型来研究体力活动期间弹性针织运动鞋中的温度和湿度分布。模拟发现环境温度和鞋材料组成都是足部热舒适的重要因素，模拟显示最不舒适的区域是足跟区域。研究建议，为缓解这一问题，宜采用具有更高导热性和热容量的材料以促进足部散热。此外，未来的鞋类设计可以发展为包含具有形状记忆特性的自适应结构，这将能够根据活动期间足部温度和体积的变化进行动态调整，从而确保最佳的鞋类舒适性和合脚性。
材料导热性、晶格孔隙率、空气循环、中底厚度和足-鞋接触条件影响晶格中底的稳态温度分布。一项对由EVA08和EVA12制成的两个模拟鞋底的比较研究表明，后者尽管更软，但导致足底温度比前者高3°C。这表明机械和热性能不能集中在单一材料中，因此需要额外材料来满足热需求。复合材料，如石墨烯增强复合材料，也提供比TPU更高的导热性，这可能导致足部表面更好的散热，并在跑步时减少与地面接触点的热量积聚。然而，晶格中底上的温度梯度不能仅从导热性确定，因为晶格结构、气隙、对流、湿度和足部运动也是影响梯度的因素。因此，未来研究需要使用热成像、受控穿着试验和传热建模来评估3D打印晶格跑鞋的热舒适性。
尽管传统跑鞋材料如EVA、TPU、橡胶和聚氨酯已因其缓冲性、柔韧性、耐用性和能量回传性能而被广泛使用，但传统制造工艺仍在努力解决材料浪费、低定制能力、复杂制造工艺和不一致的性能优化等问题。这些限制激发了对3D打印技术的兴趣，该技术可以通过使用基于晶格的设计生产具有可控机械性能的材料，从而创造轻质且高度定制的鞋类结构，具有精确的材料分布。此外，新材料和3D打印技术可用于制造功能性鞋，提供更好的合脚性、改善的生物力学性能、最小的生产浪费以及抗菌和优化能量吸收等多功能特性。
**3. 生物力学及其对鞋类设计的影响**
**3.1. 人足骨骼**
人足主要用于承重，其骨骼分为三组：跗骨、跖骨和趾骨。在七块跗骨中，跟骨是最大的，且是唯一直接接触地面的骨骼。距骨承受来自胫骨和腓骨的全身重量，并将其分配到跟骨和足舟骨。骰骨因其立方体形状而得名，在后部与跟骨在跟骰关节处连接。三块楔骨（内侧、中间和外侧）均在后方与足舟骨形成关节。足有五块跖骨，第一跖骨最内侧，第五跖骨最外侧。每块跖骨由底、体和头组成，第一跖骨具有最厚的体和下方的加强脊。所有跖骨的圆形头与各自的近节趾骨相连。大脚趾有两块趾骨（近节和远节），形成跖趾关节和趾间关节，而其他脚趾有三块（近节、中节和远节），形成近侧和远侧趾间关节。图2显示了足骨的解剖结构。
**3.2. 跑步的生物力学**
在每个步态周期中，足部都会发生旋前和旋后；这是运动的活动。旋前是足部围绕距下关节向内滑动，当一个人过度旋前时，可能患有扁平足或塌陷足。旋后是足部围绕距下关节向外滑动。这发生在足跟触地后足部变平时。此后足部旋后，围绕距下关节向外滚动，为蹬离做准备。旋前、旋后以及中立足位置如图3所示。适当的旋前和旋后程度对于正确的足部运动是必需的；然而，过度旋前或旋后可能导致足部问题。
重复运动中的肌肉激活源于足-地面相互作用，这发生在落地阶段以减轻外部应力对足部的影响。当足部接触不平整表面（如草地、砾石或沥青）时，胫骨前肌在跑步时收缩，以减少关节僵硬并确保安全着陆。腓肠肌和比目鱼肌在前足着地时比后足着地时更早收缩。这些肌肉对跖屈至关重要，协助将足部推离地面。腓肠肌位于小腿，连接到跟腱，在推进中起关键作用。在前足着地期间，该肌肉和比目鱼肌等长收缩，有助于更大的肌肉激活和潜在的肥大。这种机制帮助跑者在支撑阶段优化力的分布，保持平衡并适应不同的地面条件。
足弓支撑是另一个基本要素，通过内侧支撑或刚性鞋钩实现，这些结构稳定足部并控制旋前。鞋楦或鞋型影响合脚性和功能，弯曲、直和半弯曲设计满足不同需求。此外，鞋头宽度（独立于鞋宽）对于容纳拇囊炎等情况至关重要。重要的是要注意，选鞋不是一个通用概念，而应根据多个标准，如足型、步态和损伤史。
因此，在设计鞋类以适应不同类型的足部时，必须考虑所有肌肉动作和关节运动。Wager和Challis（2017）提供了近期证据，表明跑步期间踝关节运动学和动力学是足模型拓扑的函数。理解小腿三头肌、肌肉功能、跟腱应力和跑步损伤风险都依赖于踝关节运动学的精确估计。这些发现对鞋类设计有直接影响，通过指导开发尽可能生物力学高效、减少跟腱应变并最小化损伤风险的鞋类。例如，运动学信息可以影响踝关节支撑的程度、跟趾落差和中底刚度，以促进自然运动并最小化不必要的负荷。利用踝关节运动学确定的生物力学要求，设计者可以通过将鞋类设计与这些要求相匹配来提高跑者的舒适性、表现和长期关节健康。
跑鞋的跟趾落差可以影响跑步模式和下肢关节的负荷。穿着大落差鞋跑步会显著增加站立期膝关节伸展力矩并减少踝关节外翻力矩。穿着大落差鞋可能最小化跑步期间的净踝关节力矩，并减少易患跟腱疾病的跑者跟腱和小腿三头肌的负荷。跟腱力随着跑鞋跟趾落差的降低而增加，这与最近一项研究一致，该研究表明赤足和仿赤足跑鞋与常规鞋相比，跟腱力增加。将跟趾落差从10毫米减少到4毫米，减少了踝关节背屈程度和腓肠肌-比目鱼肌-跟腱复合体的加载率，有利于更平坦或前足着地模式。使用3D打印跑鞋，跟趾落差可以与晶格刚度梯度配对，以调整足跟缓冲、前足推进和过渡力学。然而，在没有足够晶格支撑的情况下过度减少落差可能增加跟腱应力和损伤风险。因此，打印中底的设计必须努力优化跟趾落差、晶格刚度、摇杆几何形状和跑者特定的步态特征。
利用足部人体测量数据和步态分析，3D打印鞋可以设计为适合个人足部的形状和足底压力，这有助于缓解疼痛、预防损伤并优化跑步速度。
**4. 运动鞋制造技术**
跑鞋主要有两种类型：跑道鞋和越野跑鞋，每种都针对特定环境和性能需求设计。跑道鞋旨在跑道上快速敏捷，通常结构轻便，缓冲最小（主要在足跟），经常有可更换的鞋钉以在短跑中快速起跑和离地，或为长距离采用更薄的鞋底。它们通常包括内侧边缘的额外支撑以减少弯道期间的过度旋前。相比之下，越野跑鞋优先考虑在崎岖不平地形上的保护和稳定性，具有加固的鞋面、强化鞋头保护和双缝线以抵御碎屑和水分。这些鞋的缓冲比公路跑鞋少，且轮廓更低以提供更好的稳定性，尽管其耐用设计通常使它们更重。
生产运动鞋的常用技术之一是注塑成型，特别是用于硫化橡胶鞋底。该过程始于将分级设计的衬里和鞋面材料送至缝合工段。在此，各种元素缝合在一起，修剪边缘，并插入鞋眼，所有这些都根据鞋面指令进行。在固定鞋舌之前，首先将内底固定在鞋楦上。为确保成品鞋的合脚性，鞋面将移至的持久区域涂有胶水，并打磨持久余量。鞋面在鞋楦上后，使用另一内底来适配鞋面，用于缝合鞋舌。
单组分或双组分聚氨酯粘合剂涂覆在鞋底的整个表面，并让其彻底干燥。鞋子从制作鞋楦转移到铝制模具鞋楦。倒置在合金模具鞋楦中，鞋子被放置在注塑机中，夹紧到左右侧鞋底模具中。模具被注入熔融的聚氯乙烯（PVC）。一旦模具完全填充，就将其放入冷藏室使PVC固化。PVC凝固后，左右模具打开，取出鞋子。修剪任何多余材料，在检查期间进行最后修饰。然后包装给客户。
由于该技术允许高速、经济的批量生产且质量可靠，注塑成型在鞋类行业具有多种优势，特别是在效率和可扩展性方面。当使用EVA泡沫等提供缓冲和轻质特性的材料时，该方法适用于制造耐用的中底和外底。然而，该方法存在显著的功能限制，特别是在灵活性和适应性方面。小批量生产和快速设计修改因共享模具的不灵活限制、长周转时间和固定机器配置而变得困难，这些限制了对不断变化的市场需求的响应。
此外，由于该方法倾向于实心、不可渗透的材料，注塑成型部件通常缺乏透气性，这会影响鞋类舒适性。尽管该方法具有卓越的结构完整性和可重复性，但诸如泡沫膨胀不均匀、脱模困难和材料特性（如密度和硬度）不规则等问题凸显了精度与速度之间的权衡。最终，尽管注塑成型是用于大批量标准化生产的强大工具，但其缺乏灵活性和材料限制使其不适合创新、适应性或透气性鞋类设计。
减材制造（SM）是生产运动鞋部件（如中底和内底）的广泛使用的技术，通过使用CNC铣床从实心EVA、聚氨酯或软木块中精确去除材料。它始于3D CAD模型，这些模型被转换为刀具路径，引导CNC工具精确地创建独特设计。这样，生物力学支撑和缓冲以最佳配置结合。然而，片状模塑料也有缺点，如高原材料浪费、单部件中材料变化困难以及对内部结构的访问受限。这些缺点促使人们寻找替代方法，并直接导致了AM的出现，AM允许更大的设计自由度、更少的材料浪费以及将多种材料直接集成到单个构建中。尽管有这些优点，SM对于中低批量生产和原型制作仍然重要且合理。
运动鞋构造涉及各种持久技术，这些技术决定鞋的性能、柔韧性和耐用性。其中一种技术是滑动持久，主要用于非常轻量、速度导向的鞋类，如竞速或轻量跑鞋。在这种方法中，鞋面放置在鞋楦上，使其在鞋楦的底部和中间相遇。然后蒸汽处理鞋面，拉伸覆盖鞋楦，并在冷却前系紧鞋带，这导致材料贴合鞋楦形状。这是一种非常灵活的制鞋方法，仅用于速度导向的鞋类。
对于更结构化的鞋款，如经典跑鞋，板式持久是选定的生产方法。使用板式持久，鞋面不仅拉过鞋楦，而是实际包裹起来，塞入并围绕扁平中底的边缘。这构成了持久的第一步，当然，当机器抓住鞋面并添加一些胶水使其紧贴鞋楦时，必须精确对齐鞋面。还有专门为足跟设计的持久机器，以确保在外底连接之前获得良好坚固的贴合。3D打印允许在打印机内构造整个鞋。这减少了对额外工作的需求，允许设计和生产中的灵活性，特别是在透气性和材料混合方面。该技术允许使用环保材料并提高生产速度，因此该技术对于革新鞋类设计和制造至关重要。
**5. 3D打印：革新鞋类设计**
**5.1. 3D打印的起源与历史**
3D打印的起源可以追溯到20世纪80年代初，Charles W. Hull被认为是该技术的先驱。1984年，Hull开发了从数字数据打印物理物体的第一种方法，他称之为立体光刻（SLA）。到1986年，他为此创新获得了专利，后来通过他的公司3D Systems将其商业化。SLA迅速流行起来，成为AM的基础技术。
在20世纪80年代末至90年代初，由于新技术的引入，3D打印发展迅速。其中一项技术是由Stratasys的Scott Crump于1988年发明的熔融沉积建模（FDM），该技术已成为最常用的3D打印方法之一。同时，出现了不同的技术，特别是Cubital的实体地面固化（SGC）和Helisys的层压物体制造（LOM）。1993年，选择性激光烧结（SLS）的引入进一步拓宽了AM的视野。
20世纪90年代中期，多款商用3D打印机推出，如Stratasys的Genesis和3D Systems的Actua 2100。Z Corporation也推出了其Z402。但一个重要的转折点出现在2005年，Z Corporation推出了Spectrum Z510，这是世界上第一台高清彩色3D打印机。第二年，英国一群爱好者启动了名为RepRap的开源项目，旨在制造一台只需少量附加部件就能自我复制的3D打印机。
目前，3D打印拥有广泛的技术，分为七大主要类别，并根据材料和方法有许多子类别。从SLA发展到多材料和生物打印等现代创新，3D打印持续演进，革新了从制造到医学的行业。
**5.2. 3D打印的发展**
3D打印已成为一个广为人知的术语，涵盖一系列不同的技术。表1总结了这些关键类别，以及一些适用的方法和材料。
[表1内容省略]
3D打印的关键优势之一是节省时间和成本。该技术简化了创建完整模型的过程，单步即可完成，帮助企业削减劳动力、材料和生产成本。提供3D打印解决方案的公司已创造出高效且功能强大的产品，使制造过程更容易。
另一个主要优势是能够生产高度复杂的设计。传统制造方法通常难以处理复杂几何形状，但3D打印允许创建以前不可能制造的结构。这种能力在航空航天等行业尤为有价值，这些行业需要轻质但耐用的组件。此外，设计师和工匠可以利用该技术将创新且视觉冲击力强的作品变为现实。FDM已被认为在鞋类生产中效果良好，因为它能够通过简单的机制在更短时间内生产单个组件，使其价格实惠，并且与多种材料兼容。图4显示了FDM 3D打印机的示意图。
此外，3D打印创造了就业机会，因为它需要越来越多的熟练设计师和技术人员来操作打印机和开发产品蓝图。它还加速了原型制作，允许工程师在全规模生产前快速制作和完善小规模模型。由于产品可以按需打印，公司可以省去存储成本，这使得3D打印成为传统大规模制造的经济高效替代品。
即使有其创新，3D打印也有几个弱点。知识产权侵权是一个主要问题。3D打印允许轻松复制设计。非法公司可以获取可下载的设计图（通常在网上免费提供）并用它们生产有利可图的商品。此外，不受控制地生产危险物品，如3D打印枪支，构成重大风险，需要政府干预以规范滥用。该技术还面临尺寸限制，使其不适合制造非常大的物体。此外，与传统制造相比，兼容材料的范围有限，限制了耐用性和多功能性。高成本是另一个障碍，因为3D打印机对普通消费者来说通常很昂贵，特殊或多色打印机价格更高。这些挑战凸显了进一步研究和监管的需求，以最大化该技术的潜力。
**5.3. 3D打印在鞋类设计和制造中的应用**
鞋类设计和制造已受到该技术的显著且积极的影响。首先，生产效率从上市时间到实际生产都得到了极大提升。现在可以实现批量生产，且仅在必要时进行，从而大幅降低与预生产需求相关的成本。由于所有组件都可以内部打印，运输成本也得以降低。此外，打印的鞋子可以根据新数据按需修改，以增强操作。
该技术还拓宽了可用于生产的材料种类。3D打印主要采用TPU，因其耐用性和弹性。然而，通过这项创新，现在可以利用现有的各种复合材料。生物基聚合物与来自可再生资源的环保材料结合，现在可以轻松用于模制或3D打印物体的生产。其他可用的材料提供其独特的优势。石墨烯增强化合物可用作基础材料，并提供优异的强度、良好的柔韧性和顶级导电性等附加优势。鞋类中的3D打印可根据设计能力、制造工艺、最终用途应用等进行分类，这些共同促进了先进智能和功能性鞋类的发展。鞋类中的主要应用如下讨论。
**5.3.1. 复杂几何形状**
AM能够通过使用晶格结构，制造出传统方法无法生产的复杂结构。其逐层策略允许在单个部件内制造复杂、高性能的一体化设计，具有不同的性能区域。功能体积和表面是构建晶格结构中具有特定功能用途的几何形状。研究已证明使用晶格结构设计鞋底。使用四种拓扑（菱形、网格、X形和Vintages）生成中底的共形晶格结构，如图5所示。
近期研究通过五种立方体拓扑（蜂窝、三角形、菱形、方形和重入）探讨了3D打印复杂细胞几何形状在鞋中的应用，所有这些拓扑的相对密度为0.3。这些结构根据其机械行为、超弹性和通过熔融丝制造3D打印的足够易制造性进行了研究。Maksudul和Kwok的研究探讨了3D打印四面体晶格结构在鞋中底中的适用性，强调其多功能性和提供的机械优势。他们的研究侧重于如何调整单个四面体的特性（如质量和纵横比），以提供各向同性或各向异性行为。这项工作因此突出了基于四面体的结构在实现各种应用（包括运动表现）中通常期望的强度-柔韧性比方面的可调性。作者指出，这种复杂形状提供了更大的设计自由度，并且定制的中底结构使鞋子能够满足各种功能需求。
壳晶格结构由正弦元件组成，也已被开发用于糖尿病足鞋，并发现具有额外优势，如承载能力和增加的能量耗散。使用高斯过程回归和贝叶斯优化计算调整的晶格系统，采用自适应重入辅助几何结构，已证明峰值足底压力降低51.36%。使用辅助晶格结构用于鞋底设计已被证明是减少足底压力和提高足部适应性的一种成功方法，从而在行走和跑步中增加舒适度。与传统PU和非辅助晶格鞋底相比，辅助晶格鞋底表现出更低的峰值足底压力和更大的接触面积，表明更好的载荷分布和缓冲性能。
手性负泊松比（NPR）结构已被证明在支撑和步态期间减少前足应力方面非常成功，并可用于设计和增强跑鞋中的3D打印鞋材料。产生NPR行为的不同辅助几何形状还包括旋转刚性或半刚性单元、缺失肋、箭头、剪纸图案和角度层压板。这些几何形状可直接应用于开发具有定制单元结构的鞋中底，以提供有针对性的能量吸收、抗冲击性和缓冲能力，从而在不同步态条件下提高舒适性和性能。
材料、边界条件、加载方向和支柱直径都是影响晶格支柱屈曲阻力的重要参数。晶格结构的细胞类型直接影响其机械性能；细胞大小也影响发生的失效模式。较小的细胞尺寸往往比具有较大细胞尺寸的试样更容易塌陷。这是因为支柱直径对抵抗所发生的力有很大贡献。支柱直径越大，在塌陷前更容易发生屈曲和/或弯曲失效模式。近期研究的结果表明，细胞尺寸为7.5毫米的晶格样品表现出平滑的压缩曲线和高抗压强度，表明使用小细胞尺寸的好处。相反，具有较大细胞的晶格样品由于在相同外部载荷下更严重的应力集中而表现出较差的机械性能。
晶格强度的增加主要由相对密度的增加引起，原因有两个。相对密度的增加会导致弹性模量的增加，使晶格结构在设定应变下对外部力具有更大的抵抗力。另一方面，增加相对密度意味着使用更多材料，从而增加整体结构强度。细胞尺寸和相对密度对晶格结构机械性能的关系可以通过Gibson-Ashby模型确认。晶格中底的设计必须找到重量减轻、弯曲、压缩和疲劳之间的最佳平衡。应通过解析估计、有限元建模和实验验证对准静态和循环压缩载荷工况进行屈曲载荷预测。
**5.3.2. 原型制作**
传统方法涉及构建模具并手工组装部件，而3D打印允许从仅存在于数字文件中的原型构建物理模型。它使用非常简单的过程来完成这一点。这种方式加快了从概念到物理模型的创建过程，因为消除了许多步骤。工作流程的改变使得在批量生产前可以进行多轮测试和完善设计至最佳标准。与传统方法不同，快速原型制作不需要昂贵的工具，因此显著提高了生产率和精度。因此，现代鞋类设计和制造中，快速原型制作已成为极其有用的资产。
传统制鞋方法需要数月，而这些新技术确保在几天甚至几小时内就能准备好功能原型，从而显著缩短开发周期。除了速度提高，新方法还意味着缩短产品上市时间，并且对环境更好，因为耗材量减少。公司现在可以轻松提出新产品创意并修改现有创意，然后选择批量生产。这些原型制作和制造鞋类的新方法突出了3D打印对市场创新和竞争的主要贡献。
**5.3.3. 定制与个性化**
消费者越来越寻求满足其个人风格、舒适性和支撑需求的定制鞋。生产定制产品的成本通常高于传统批量生产方法。然而，通过使用计算机控制的制造技术（如3D打印），可以以与传统批量生产相当的低价格生产一次性设计。
先前工作表明，通过改变鞋子的风格和功能以适应不同的足型，足部疾病患者可以受益。已开发解剖学鞋垫，旨在减少并充分分配支撑点之间的足底压力，以最大限度地减少体力活动或长时间站立时这些点所承受的压力。已研究3D打印在制造响应不同个体需求的鞋垫方面的有效性，基于填充图案设计。
**5.3.4. 功能性鞋**
大多数人使用药物缓解足部疼痛，其中许多有副作用，为避免这类问题，可以使用3D打印鞋底来缓解足部疼痛。估计有1亿印度人患有足部和踝部疾病，约2亿欧洲人被认为患有损伤性足踝疾病。3D设计的鞋垫可以帮助那些有损伤和行走困难的人。
近期一项研究专注于通过FDM 3D打印创建复合铸造鞋，以确保患者在愈合过程中的舒适性、最佳贴合性和支撑性，并促进更顺利的恢复。为了降低携带可导致健康问题的病原微生物的风险，一项研究通过结构改变外底，使其可作为可拆卸元件耦合和解耦，并通过在AM中使用银纳米颗粒改变基础材料赋予其抗菌性能，为食品和卫生工作者设计了功能性鞋类。图6显示了带有磁体的鞋底主体，用于连接打印元件，以及带有打印元件的完整鞋底主体。
**5.3.5. 智能鞋设计**
近年来3D打印的进步使得为步态分析目的向智能鞋类过渡成为可能。一项对这种新技术的详细研究调查了一个系统，该系统使用3D打印设计了一个智能鞋垫，集成了16个电容式压力传感器。该系统随后使用定制的步态模拟装置进行了测试。鞋垫系统在步行过程中实时足底压力监测的准确性得到验证，发现智能鞋垫能够在步态各阶段产生动态压力图。
定制的、3D打印的足部矫形器，对足底表面施加机械刺激，为步态表现有问题的老年人提供了概念验证。结果提供了个性化生物力学干预未来的一个瞥见。直接墨水书写的进步也使得创建含有纤维素纳米晶体和炭黑填料的硅胶鞋垫成为可能。此外，这些新型鞋垫还集成了测量法向力和剪切力的传感器。为了通过计算优化的材料分布重新分配足跟周围的足底压力并最小化应力集中，已提出梯度刚度减压鞋垫。这些预测模型可用于设计灵活、患者特定的卸荷系统，可根据溃疡几何形状定制，并使用3D打印技术打印。
Malki等人创建了一个MATLAB中摇杆中底形状的算法模型，并嵌入了一个自调节鞋垫，以根据个人足形改变足底压力分布。他们的发现在拇趾、其他脚趾以及中央和前足外侧区域实现了100%的成功率，将高足底压力值降至200 kPa以下。Kubach等人开发了一种新型3D打印网状硅胶聚合物，结合AI和机器学习算法，使用静态和动态足底压力数据开发定制的鞋垫。根据他们的结果，这种AI增强矫形器不仅有效重新分配了足底压力，还改善了下肢对齐并提供了高穿着舒适性。这些创新强调了3D打印在制造用于健康监测和性能优化的功能性传感器装备鞋类中日益增长的作用。
**5.3.6. 鞋楦**
鞋楦在鞋类设计和制造中很重要，因为鞋子在鞋楦上成型，其尺寸决定了鞋子的尺码。虽然传统制造方法如手工雕刻、模塑和CNC车床加工被广泛使用，但3D打印已成为高速鞋楦生产的一种有前途的方法。3D打印方法灵活、精确且高效，这与传统制造过程不同，适合现代鞋类生产的要求。
Amza等人研究了3D打印在鞋楦生产中的应用，重点是优化鞋楦的内部结构。这种研究方向在制楦中并不常见，因为大多数制楦者关注外部形状。内部结构的优化对减少材料使用和生产时间同时保持热阻和强度具有重要意义。为了应对AM的挑战，如高价格和长打印时间，他们的实验采取了不同的路线。他们使用消费级3D打印机来原型化他们的设计。这种选择有助于强调轻量化设计的需求，这允许良好的打印结构，同时也需要有效选择工艺参数，在处理消费级打印机时这不是一项简单的任务。结构优化和计算过程修改可以增强3D打印鞋楦的可行性。图7显示了3D打印的鞋楦及其在鞋类制造中的应用。
**6. AI和生成式设计在3D打印跑鞋中的应用**
生成式AI（GAI）通过增强创造力、加速产品开发和消除概念构思中的约束，改变了鞋类设计。虽然存在实施成本高和高级工具可用性等挑战，但AI可以在3D打印鞋类领域提供显著好处，包括快速自动创建设计备选方案，以及优化鞋类的功能和美学性能。Minaoglou等人将两个AI工具集成到足球鞋的产品开发过程中，介于草图、CAD和渲染步骤之间，他们报告时间减少了59.09%。据报道，隐式神经网络能够生成具有多分辨率网格表示的高保真足部模型，可用于不同的计算需求，从而允许直接3D打印定制鞋类。AI优化的晶格系统可以提供自适应缓冲、提供稳定性、降低峰值足底压力，并提供基于个人步态力学的完全可定制跑鞋的机会。
通过深度学习，训练模型提取鞋类特征，并将其与GAI和推荐系统结合，以提高推荐准确性和效率。研究提出了一个生物特征数据驱动的知识图谱（KG）框架，旨在结合多种数据模态以促进个性化鞋类设计和推荐。该系统将实时生物力学数据映射到KG节点，并构建个性化生物特征图和鞋产品本体，将设计参数转化为结构化语义特征和动态约束。此外，混合协同过滤方法在多个维度上微调推荐过程，展示了AI和深度学习根据个体生物力学特征实时调整鞋类设计的潜力。类似地，在鞋类推荐系统中结合GAI和卷积神经网络（CNN）展示了定制化和图像识别方面的显著进展。该系统结合了CNN用于准确分类和GAI用于个性化推荐，与传统方法相比提供了更高效和自动化的解决方案。
**7. 晶格结构在3D打印鞋中的应用**
晶格几何形状在步态期间提供不同的机械性能。缓冲行为、足底压力分布以及跑步期间的能量存储和回传受中底内刚度梯度的影响，该梯度受中底厚度和晶格拓扑的影响。在比较相同相对密度的结构时，四面体结构比菱形晶格结构表现出更大的刚度，因此在压缩下对变形具有更大的抵抗力，这归因于
