逢友分享-即兴出发：鞋材领域的生物力学革新

运动鞋作为陆地运动不可或缺的装备之一,备受运动爱好者和专业运动员的重视。它们不仅是简单的鞋类产品,更是为了满足运动者在各种运动场景下的需求而设计的多功能装备。

在激烈的运动中,脚部往往承受着巨大的压力和冲击,良好的护脚设计可以减轻这些压力,降低受伤的风险,同时提供舒适的穿着体验。通过合适的缓震设计,运动鞋可以有效地吸收和减少地面冲击力,保护运动者的关节和骨骼,减少运动过程中的不适感和疲劳感。此外,在运动过程中,身体各部位的支撑和平衡至关重要,而合适的运动鞋可以帮助维持良好的姿势和稳定性,减少因姿势不当而引发的运动损伤。

在鞋材领域,生物力学设备如运动捕捉系统、压力分布传感器和表面肌电设备等的应用,为鞋类产品的设计和优化提供了全新的视角和方法。通过深入研究运动者的姿势、压力分布和肌肉活动等生物力学特征,设计者能够更好地理解人体运动过程中的细微变化,从而开发出更舒适、更适应性更强的鞋类产品。

在鞋类产品的设计过程中,姿势和动作分析起着至关重要的作用。通过运动捕捉系统,设计者能够准确地捕捉到运动者在运动过程中的关节角度和轨迹变化。这些数据不仅可以用于姿势的优化,还可以帮助设计者了解运动过程中不同部位的受力情况,从而为鞋类产品的设计提供重要参考。

举例来说,在篮球运动中,运动员在进行跳跃动作时脚部的姿势和关节角度对其运动表现和受伤风险具有直接影响。通过分析运动捕捉系统获取的数据,设计者可以更加深入地了解到运动员跳跃时脚部、膝盖、腰部等关键部位的受力情况,以及这些部位的姿势和角度变化。有了这些数据作为依据,设计者可以精确地调整鞋类产品的结构和材料,提供更好的支撑和稳定性,从而有效地降低运动员在跳跃过程中的受伤风险,并提升其运动表现。

运动捕捉是现代运动鞋设计的重要工具,可以为设计师提供丰富的数据支持。通过精准地采集运动者的姿势、动作和力量输出数据,设计师可以更好地了解运动者的运动模式和习惯,从而优化鞋子的设计。

TeaCaptiv可穿戴人体运动捕捉与人机工效分析系统,是基于无线惯性传感技术的全身三维动作捕捉及人因工效学评价系统,采用最适合真实现场的可穿戴技术以及无线数据传输技术,实现无线通讯,受试者可以在完全自然不受任何干扰、行动自由的状态下进行活动以及操作。其中包含的表面肌电、惯性单元、心率检测、呼吸检测等多种传感器,可全方位地对人体进行检测。

与惯性动捕不同的是,光学动作捕捉一般需要在目标物体的关键位置贴上反光点(Marker点),利用高速红外摄像机捕捉目标物体上反光点的运动轨迹,从而反映目标物体在空间中的运动情况。

Qualisys三维运动捕捉系统基于亚毫米精确度的工业级镜头,配合带有跑姿分析插件的QTM软件,一键输出步行动作技术分析报告。这份报告包括视频和全身生物力学分析数据:身体倾斜/旋转角度、肘关节和腕关节运动轨迹、骨盆高度、髋关节角度、膝关节角度、足部触地方式等。

运动捕捉不仅可以帮助设计师优化鞋子的结构和材料,还可以用于验证设计效果。通过与实际运动数据的对比,设计师可以评估鞋子的设计是否达到预期效果,并进行必要的调整和改进。

姿势和动作分析在鞋类产品设计中的应用不仅可以提高产品的功能性和性能,还可以为运动者提供更舒适、更安全的运动体验。通过运用先进的技术手段,设计者能够更加精准地理解运动过程中的细微变化,从而打造出更符合人体工程学和生物力学原理的鞋类产品。

压力分布分析

压力分布传感器是另一个关键的生物力学设备,用于监测脚底受力点的压力分布情况。通过高速动态记录和灵活便携的高分辨率传感器,为生物力学专业人士、临床医生和研究人员提供了一种准确分析和评估步态、步行和跑步步态以及足底压力数据的方法。

SPI平板式足底压力分布采集分析系统

这些先进的传感器技术能够实时捕捉并记录运动过程中的足底压力分布情况,以及与之相关的步态特征。这些传感器不仅具有高分辨率和高灵敏度,还具有便携式和实时监测的特点,使得研究人员能够在实验室内外进行动态步态分析,从而更加贴近真实的运动环境。这种技术的进步为生物力学研究和临床实践带来了巨大的便利,有助于深入理解步态的生物力学特征。

SPI柔性织物鞋垫式压力分布采集分析系统

其超薄外形和便携式的设计,可在实验室、办公室、健身房等任何平坦表面中进行测试,可以减少跌倒的风险与步态干扰。可以用于静态、动态足底状况和身体平衡能力的分析,被广泛应用于运动生物力学研究、运动鞋设计、步态分析、平衡分析,糖尿病足的测试、下肢骨关节疾病等临床及科研领域。

因此,足底压力测量技术在生物力学领域的应用不仅为科学研究提供了强有力的工具,还为临床实践和运动改进提供了重要支持,推动了相关领域的发展和进步。

在长时间站立或行走时,脚底受到的压力可能会过大,导致不适感或疲劳。通过结合压力分布数据和材料工程知识,设计者可以精确地选择合适的材料和结构,以均衡脚部的压力并提高穿着舒适度,设计者能够了解到不同部位的压力分布情况,包括脚跟、脚掌和脚趾等部位,以及不同运动状态下的变化。

这些数据为设计者提供了宝贵的参考,使其能够精确地调整鞋底的结构和材料,以满足不同运动需求和个体差异,帮助他们优化鞋底设计,提高穿着舒适度,并最大程度地减轻脚部的压力,从而为运动者带来更好的穿着体验和运动表现。

肌肉活动分析

肌肉的收缩是运动的原动力,这意味着在完成任何动作时,不同的肌肉群需要在不同的时间段协调工作。这个复杂的过程涉及到大脑神经系统向肌肉发送信号,促使其收缩。而这种信号的形式就是生物电。生物电是指由生物体内部的电化学过程产生的电信号。在人体中,大脑神经系统通过神经元向肌肉发送电信号,以调控肌肉的收缩和放松。这些电信号携带着指令,告诉肌肉何时收缩、何时放松,从而控制身体的运动。

当一个人决定要走路时,大脑会发送信号到腿部肌肉,促使它们收缩以产生步行所需的动作。这些信号会在神经系统中传递,最终到达肌肉,触发肌肉的收缩反应,从而实现步行动作。通过研究和理解这些生物电信号,设计者能够更深入地了解人体的运动控制机制。在这一领域最具代表性的就是表面肌电设备。

表面肌电设备能够帮助设计者深入了解运动过程中肌肉的活动情况。通过监测肌肉的电活动信号,设计者可以准确评估肌肉的使用程度和疲劳程度,从而为鞋类产品的缓冲和支撑性能提供更精准的优化方案。

在跑步运动中,大腿肌肉的活动程度直接影响到膝盖的稳定性和受力情况。通过分析肌电信号数据,设计者可以了解到不同肌肉群在跑步过程中的活动程度,进而针对性地调整鞋底的结构和材料,以提供更好的支撑和缓冲效果。根据肌电数据,设计者可以调整鞋底的弹性和硬度,优化鞋垫的设计,从而减轻运动员在跑步过程中的疲劳感,并降低受伤风险。

表面肌电采集系统(Motion lab、Myon等)通过贴在身体表面的信号接收器来获得这种“信号”。据此,我们就可以分析在行走时不同肌肉何时收缩,收缩的强度有多大等。

鞋底花纹分析

以运动鞋鞋底接触面积测试为例,PressureFilms压力感测纸精度可达图片像素级别,还原运动鞋鞋底花纹真实接触面积,以及花纹细节压强差异。可应用于篮球鞋、网球鞋、跑鞋等鞋底的花纹设计与研发,提升运动鞋产品止滑抓地性能。

△PF压力感测纸应用于鞋底接触面积测试

后期可以自定义区域并且输出各区域平均压强、最大压强、最小压强、压力值、接触面积等相关统计结果!

△PressureFilms压敏纸

鞋材的选择

MatchID-2D3D全场应变测量系统可以实现对振动物体表面全场3D位移,变形和应变测量。其应用领域遍及材料力学,疲劳及断裂力学,结构力学,冲击力学,振动力学,微纳米力学,生物力学等。

设计师和制造商可以据此了解到鞋材在不同方面的性能表现,从而进行设计优化和改进。例如,在支撑性能方面,可以调整鞋底硬度、鞋面材料和结构,以提供更好的支撑效果;在缓震性能方面,可以选择更适合的鞋底材料和结构,以减少地面冲击对足部的影响;在稳定性能方面,可以优化鞋底的设计和材料,以提供更好的稳定性。

生物力学设备在鞋材领域的应用为鞋类产品的设计和优化提供了强大的支持。通过深入研究运动者的姿势、压力分布和肌肉活动等生物力学特征,设计者能够开发出更符合人体工程学原理的鞋类产品,提高其舒适度、稳定性和性能表现,为运动者提供更优质的穿着体验。