3D 打印仿生中底结构对跑步步态的影响及优化设计研究

研究人员分析不同 3D 打印仿生中底结构对步态的影响，发现 1TS 结构优势明显，为跑鞋设计提供新方向。

　　在当今的运动装备领域，跑鞋的设计至关重要。随着人们对运动健康的关注度不断提高，一双能优化步态、减少受伤风险的跑鞋成为众多跑步爱好者的追求。然而，传统跑鞋中底设计存在诸多不足，比如 3D 打印中底虽有优势，但表面形状与常规中底不符，影响舒适度，且其对步态的影响存在争议 。同时，考虑到运动中足部受力的复杂性，如何设计出更贴合人体运动需求的跑鞋中底成为亟待解决的问题。在这样的背景下，来自韩国东国大学（Dong-A University）等机构的研究人员开展了相关研究，其成果发表在《Scientific Reports》上，为跑鞋设计带来了新的思路和方向。

为了探究不同 3D 打印仿生中底结构对步态的影响，研究人员采用了多种关键技术方法。在样本制备方面，利用 FDM 3D 打印机，以 TPU 为材料制作了不同结构的立方体样本和中底样本。在测试过程中，通过足底压力分析仪和脚扫描仪收集数据，让 15 名健康女性跑步者在不同条件下（赤脚、穿着 1TS、2TS、3TS 中底的鞋子）进行行走、跑步和跳跃运动。最后，运用 SPSS 26.0 和 PRISM 10 软件对收集到的足底压力数据进行统计分析，计算步态比率（Gait Ratio）等指标。

下面来看具体的研究结果：

1. 仿生结构立方体的压缩性能：研究人员测试了五种仿生结构立方体的压缩性能，包括蜂窝（HN）、马蹄形（HS）、Tyson 多边形 1（1TS）、Tyson 多边形 2（2TS）和 Tyson 多边形 3（3TS）。结果显示，HN 和 HS 刚性最高，1TS、2TS 和 3TS 则更柔软且富有弹性。例如，HN 和 HS 在位移约 35% 时应力超 5kN ，而 1TS 在应变约 10% 时出现屈服点。由于 HN 和 HS 过于刚性，不利于缓冲，所以 1TS、2TS 和 3TS 被用于后续的中底研究。
2. 不同中底结构的步态比率分析：通过分析足底压力计算步态比率，研究人员比较了 1TS、2TS 和 3TS 中底在不同运动（行走、跑步、跳跃）中的表现。在控制脚跟旋转（Heel Rotation，HR）、维持足部平衡（Foot Balance，FB）和最小化前足负荷（Forefoot Balance，FFB）方面，1TS 表现最佳。如在跑步时，1TS 的 HR 比 2TS 降低 2.21%，FB 比 2TS 降低 7.53%。在拇趾刚度（Hallux Stiffness，HS）、内侧前足平衡（Medial Forefoot Balance，MFB）和跖骨负荷（Meta Loading，ML）方面，不同中底在不同运动中的表现各有差异。行走时，2TS 的 HS 最高；跑步时，1TS 的 HS 最高；跳跃时，1TS 表现更优。
3. 不同结构中底在跑步时的步态比率和步态相位差异：在跑步姿态下，研究人员分析了步态周期前 20% 的步态比率。结果表明，1TS 在脚跟平衡和前足平衡方面优于 2TS ，能增强跑步时的稳定性。2TS 在前足着地时明显内旋，降低了稳定性。同时，研究还发现不同中底结构对步态相位有显著影响。1TS 和 2TS 中底的初始接触阶段（Initial Contact Phase，ICP）和前足接触阶段（Forefoot Contact Phase，FFCP）持续时间比 3TS 短，而在足平阶段（Foot Flat Phase，FFP），1TS 和 2TS 中底持续时间比赤脚时长更长，这表明 1TS 中底在支撑阶段稳定性增强。
4. 赤脚与中底步态比率的对比分析：研究人员对比了赤脚（BF）和不同中底条件下的步态比率。结果显示，1TS 在 HR、FB、FFB、HS、MFB 和 ML 方面表现出卓越的稳定性，相比 BF 有显著降低，意味着更好的步态稳定性和压力分布。2TS 变化较小，部分指标性能较差；3TS 在特定方面优于 BF 和 2TS，但整体稍逊于 1TS。

综合上述研究结果，研究人员得出结论：2TS 中底可能更适合步行，而 1TS 中底在跑步和跳跃等动态活动中表现出色，能显著提高前足、脚跟和整个足部的平衡。这一研究为运动鞋和鞋类行业提供了重要参考，表明 3D 打印中底在增强足部稳定性和运动表现方面具有巨大潜力。不过，该研究也存在一些局限性，如参与者可能存在种族和地区差异、测试鞋穿着时间的可变性、测量技术等因素的影响。未来研究可探索不同 3D 打印技术，或对运动员群体进行测试，进一步评估中底在动态和高压力条件下的性能。这项研究通过对不同 3D 打印仿生中底结构的深入探究，为优化跑鞋设计提供了科学依据，有望推动运动装备领域的发展，减少运动损伤风险，提升运动体验 。