体育科学运动鞋屈曲刚度对舒适性及短跑表现的影响万祥林，曲峰对12名男性短跑运动员分别穿三种不同屈曲刚度跑步鞋跑时的足底压力分布、关节功和下肢肌肉激活等特征进行分析，并采用156 0190 2607mm视觉模拟量表进行主观舒适性测试。结果：低刚度鞋在前脚掌缓冲、足背舒适性、整体舒适性方面的舒适度得分高于中刚度鞋和高刚度鞋；低刚度鞋在前掌内侧和前掌外侧区域的足底zui大压强低于中刚度鞋和高刚度鞋；三种鞋在各区域足底接触面积方面无明显差异；穿高刚度鞋跑步速度快于穿低刚度和中刚度鞋；支撑阶段仅跖趾关节负功中刚度和高刚度鞋小于低刚度鞋，其他关节不同鞋间正功、负功均无显著性差异；支撑相下肢股直肌、股二头肌、胫骨前肌、腓肠肌外侧头的RMS值均无显著性差异。结论：穿着屈曲刚度较低的鞋能获得更好的舒适性体验，在定程度上增加运动鞋的屈曲刚度能提高短跑的表现，跖趾关节能量损失减少可能是短跑表现提高的原因。
前言舒适是消费者对鞋的主要要求之一，提高运动表现一直是运动科学界研究的一个重要方向，世界各国的研究人员都在投入大量的人力和物力进行深入的测试和研究。
对于人体来说，要提起足跟，跖趾关节必然会产生运动，因此，跖趾关节对人体的运动来说不容忽视。鞋的屈曲刚度是指使鞋前掌绕跖趾关节处弯曲单位转角所需施加的力矩，反映鞋弯曲的难易程度。运动鞋前掌部位因材料、厚度、结构等不同造成其屈曲刚度的变化。然而，屈曲刚度的改变如何影响穿着者的舒适性和运动表现一直没有明确答案。
方向为运动生物力学，E-mail：wanxianglinvip.qq.com；曲峰（1962-），女，山东莱州人，教授，博士，博士研究生导师，主要研究方向为运动生物力学，E-mail：qifeng929163.com.已有研究发现，鞋底的屈曲刚度特征的确会影响穿着舒适性及跑、跳的运动表现。张远才发现，鞋前掌易弯折性会影响穿着舒适性，但并非弯折力值越小，感受到的易弯折舒适性就越好，因其测试用鞋各部位结构和材料均不样，作者提到如鞋帮面材料等会对舒适性造成影响，因此，想要了解鞋的屈曲刚度如何影响舒适性和运动表现，就要尽可能的做到只改变鞋屈曲刚度这个特性，而保证鞋的其它部分一致。StefanyShyn发现，穿着较大屈曲刚度鞋的受试者平均跳高了1.7cm，短跑成绩提高了1.2%，Ry发现，提高鞋屈曲刚度能提高变相跑的成绩。
些学者试图从关节能量的角度来分析鞋屈曲刚度影响运动表现的原因，Stefanyshyn和Nigg发现，鞋底屈曲刚度增加可使纵跳时跖趾关节能量流失显著减少。而Roy则发现，增加鞋屈曲刚度没有明显影响跑步经济性，跖趾关节的负功并没有显著变化。
人体通过神经对运动进行控制并zui终依靠肌肉活动产生的力（或力矩）来完成动作，人体的机械能只能是来源于肌肉。在跑、跳等动作中肌肉活动影响着下肢关节角度和刚度、软组织的振动等诸多方面，并zui终影响运动表现。从机能节省化的角度考虑，在达到同样甚至更好效果的前提下，节省不必要的肌肉活动可以降低能量消耗，从而达到提高运动成绩和能力的目的。
现有对运动鞋屈曲刚度影响肌肉活动方面的研究很少，Roy的研究发现，穿不同屈曲刚度鞋跑时，比目鱼肌、腓肠肌、股二头肌、股直肌、股外侧肌的肌电振幅没有显著区别。同时，现有中很少有鞋屈曲刚度影响穿着舒适性规律和机制的定量研究，也未见综合分析鞋屈曲刚度如何影响舒适性及运动表现的，因此，鞋屈曲刚度影响穿着舒适性和运动表现的机制并不明确。然而，只有明确规律和机制，才能对各种运动鞋进行针对性的优化设计，也有助于运动员选择适合自己的运动鞋。因此，本研究试图通过渐变鞋的屈曲刚度，探索鞋屈曲刚度对穿着舒适性及短跑表现的影响，并进步从机械能及下肢肌肉活动等角度，分析屈曲刚度影响运动表现的原因。
研究方法2.1测试跑鞋由专业鞋厂制作的跑步鞋3双，42号，通过改变前掌中底材料使屈曲刚度变化，前掌厚度致，其余部位相同，外观无明显差别，受试者视觉无法分辨出不同，测试用鞋见。
本研究评价鞋底跖趾关节屈曲刚度的方法是将鞋头置于测力合（Kistler 9281CA，Switzerland，1000Hz）上，鞋立起，人手握住后跟，保持鞋后跟垂直于合面，施加一个垂直向下的力，使鞋跖趾关节部位弯曲30°并保持3s后离开测力合，30°为跑步时脚跖趾关节背屈的zui大角度。所60有测试由同个人完成，每双鞋相同的温度和粘弹性条件下（相同的恢复时间和测试时间）测10次。计算每次测量保持阶段中间1s的垂直力的平均值，再对10次结果进行平均，根据力值从小到大分别将鞋命名为低刚度、中刚度、高刚度鞋（表1）。正式实验时，受试者按自己的习惯掌握鞋带的松紧度。本研究的所有实验中受试者均着统1的袜子。
本研究测试用鞋图Figure表1本研究测试鞋基本情况一览表单只鞋质量（g）跖趾关节处弯曲30°时所施加的垂直力（N）低刚度中刚度高刚度2.2受试者男性短跑运动员12名（年龄为21. 8±1.9岁；身高为176.9±3.6cm；体重为67.9±6.7kg），鞋码为欧码42号，实验前48h未从事剧烈运动，确认其下肢及足部半年内无明显损伤，所有受试者优势脚均为右脚。
2.3数据采集与处理2.3.1主观舒适性测试舒适性量表采用156 0190 2607mm视觉模拟量表，将穿完对照鞋后的感觉作为中间水平，受试者根据自己的主观感受，在横线上（左端代表zui不舒适，为0分，右端代表zui舒适，为10分）划一条竖线表示自己对该项目的主观舒适感觉程度。问题包括：1）前脚掌缓冲，2）前脚掌稳定性，3）后跟稳定性，4）足弓部位舒适性，5）足背舒适性，6）整体舒适性。正式实验前，给受试者详细讲解测试流程及问卷中题目的含义，使其了解问卷的填写方法。在穿着每双测试鞋测试之前，受试者先穿一双对照鞋进行感受，保证测试前足部主观舒适度处于同样水平，测试顺序为C-Ti-C-T-C-Tk（C为对照鞋，T为测试鞋，为随机顺序）。受试者按照自己的习惯完成定的跑跳动作，重点感受问卷中相应项目的舒适程度，之后立即填写舒适性量表。每个题目的满分为10分，按受试者划线处距横线左端距离占整条横线长度的百分比来确定得分。
2.3.2足底压力测试100Hz）测量受试者在跑步时右侧腿的足底压力。受试者熟悉跑合后以3.Om/s的速度在坡度为0的跑合上匀速跑，按随机顺序完成三双鞋的测试，每次采集步幅稳定后3步步态数据，对三步数据取平均值。鞋垫根据足的解剖特点划分成前掌内侧、前掌外侧、足弓、足跟4个区域。计算每区域的zui大压强和足底接触面积。
2.3.3短跑表现测试应用数字跑道（ADCP-04，中国科学院合肥智能机械研究所）测试受试者短跑表现。受试者充分热身后按随机顺序穿着测试鞋，以站立式起跑在数字跑道上完成约45m疾跑。每双鞋测一次，每次之间充分休息。通过数字跑道的配套软件，导出步速并计算受试者通过2030m段的平均步速。
2.3.4跑步动作生物力学测试受试者着泳裤，在身上贴13个反光标志点（左/右髂前上棘，第四、五腰椎棘突中点，右大腿前侧，股骨外侧髁，股骨内侧髁，胫骨粗隆，腓骨外踝，胫骨内踝，鞋尖，鞋后帮正中、与足尖同高点，一跖趾关节内侧，第五跖趾关节外侧）。通过肌电仪（MegaWinME6000，Finland，1000Hz）采集右侧腿股直肌、股二头肌、胫骨前肌、腓肠肌外侧头肌电200Hz）与肌电同步采集运动学和动力学数据。受试者以跟尖式的着地方式完成跑步动作，起跑位置距离测力合直线距离1020m，通过测力合的速度控制在4±0.3m/s.速度通过便携式测速系统（NewtestPowertimer，Finland）监控，两个测速仪红外发射装置置于测力合一侧，二者间距3m.在规定跑速下，受试者以正常步态、无任何步伐调整并以右脚着在合面上，视为一次有效测试，按随机顺序完成3双鞋的测试，每双鞋采集3次有效数据，结果均取3次平均值。
采集的所有标志点三维坐标采用Butterworth低通滤波法进行平滑，截断频率为10Hz根据标志点坐标建立骨盆坐标系、大腿坐标系、小腿坐标系、足坐标系、前足坐标系、后足坐标系，其中，髋关节中心根据Bell2的研究计算，膝关节转动中心为股骨内外侧髁中点，踝关节转动中心为内外踝中点，跖趾关节转动中心为一、五跖趾关节点中心；采用欧拉角的方法计算髋、膝、踝、跖趾关节的三维角度；采用逆动力学9的方法计算关节的三维净力矩，其中，人体惯性参数采用DeLeva修正后的Zatsiorsky-Se-luyanovs人体惯性参数。
本研究忽略足趾的惯性参数，假设无外力作用时，跖趾关节的净关节力和净力矩为0，直到地面反作用力（GRF）作用到关节远端。忽略趾骨的惯性效应后，关节净力矩与作用于压力中心处的GRF对该关节的力矩平衡，GRF对跖趾关节的三维力矩等于力臂（压力中心到跖趾关节中心的向量）与GRF向量的叉乘结果在足三个解剖面上的投影，跖趾关节净力矩与其等值反向。
关节功率定义为关节净力矩与关节角速度的乘积，采用梯形法计算关节功率对时间积分获得关节功。研究表明，内外侧（冠状面）的运动对走、跑过程的动力学及能量参数影响很小，因此，本研究仅分析人体矢状面数据，并对各指标按跑步支撑相进行归一化处理。
肌电的原始信号采用带通滤波进行处理，滤波器范围为8500HZ，并计算跑步支撑相的均方根振幅（RMS）。
2.3.5统计分析不同鞋间的参数采用单因素重复测量方差分析（onewayrepeatedmeasuresANOVA）进行比较，后续两两比较采用LSD法。显著性水平定为一类误差概率不大于0. 05，所有统计分析应用SPSS13.0软件完成。
结果3.1主观舒适性前脚掌缓冲前脚掌稳定性后跟稳定性足弓部位舒适性足背舒适性整体舒适性低刚度5.2.足底压力0.05）。鞋的屈曲刚度不影响各区域足底接触面积。
在足底压力测试中，低刚度鞋在前掌内侧和前3.3短跑表现掌外侧区域的足底zui大压强低于中刚度鞋和高刚度鞋（P 本研究受试者穿不同鞋跑时支撑相髋、膝、踝、跖趾关节平均功率曲线图Figure表3本研究受试者穿不同鞋跑时支撑相髋、膝、踝、跖趾关节做功比较一览表正功负功①低刚度中刚度高刚度低刚度中刚度高刚度髋关节一膝关节一踝关节一跖趾关节一注：k与低刚度鞋相比P<0. 3.5肌电信号受试者穿不同鞋跑的支撑相下肢股直肌、股二头肌、胫骨前肌、腓肠肌外侧头的RMS值均无显著性差异舒适性是种建立在个人偏好和习惯基础上的主观感受，对些人舒适的鞋，可能对于另些人来说是不舒适的。研究表明，VAS是评价鞋舒适性的有效方法且被广泛使用，本研究基于VAS的主观舒适性评价结果表明，低刚度鞋在前脚掌缓冲、足背及整体舒适性方面的得分要高于中刚度鞋和高刚度鞋，即在主观感受方面屈曲刚度较低的鞋的舒适性，要优于刚度较高的鞋。另外，本研究还通过足底压力的客观指标进一步反映舒适性。有学者提出，鞋的缓冲避震主要是与舒适性相关而与损伤关系不大，尽管有少数研究得出，足底压力的大小与舒适性并没有明显的相关关系，但多数研究还是认为，较低的足底压力、较大的足底接触面积可提高鞋的穿着舒适性。从本研究的结果看，跑时低刚度鞋前掌内侧和外侧zui大足底压强较其他两种鞋小，跑步时脚前掌的zui大足底压强发生在蹬离地面阶段，本研究中跑步蹬离地面时，跖趾关节背屈角度低刚度鞋较其他两种鞋要大（P <0.05），BudhabhattP的有限元建模研究发现，跖趾关节背屈角度减小，趾压力会增大，这与本研究中穿屈曲刚度较大的鞋跑步蹬地时前掌足底压力较大的结果一致，结合主观舒适性评价结果可以得出，屈曲刚度较低的鞋具有较好的穿着舒适性。
□低刚度1高刚度本研究受试者穿不同鞋跑时支撑相下肢肌肉RMS图Figure本研究受试者穿高刚度鞋进行短跑时快于另两种鞋，表明鞋屈曲刚度确实影响了短跑成绩。从运动装备的角度来提高运动表现，依靠优化使用者与装备之间的能量传递，主要包括优化骨骼肌肉系统、增加能量产生和减少能量损失三个方面。在运动鞋方面优化骨骼肌肉系统未见明确报道，尽管通过运动鞋来进行能量回归的研究不少，但应用到鞋中并不是很成功，一方面，是使用的材料致力于增加缓冲，而不是很好的储存一回输材料，即没有高的能量产生**失比例；另方面，能量储存的zui大位置（鞋后跟）与能量回输率zui高的部位（鞋前掌）并不对应，因此，将能量回归运用到鞋的设计中并不容易，也不高效。
基于此，运动鞋的设计应该更注重如何减少能量损失。
在人体跑、跳运动中，影响运动表现zui重要的因素之，就是跖趾关节、踝、膝、髋的能量产生与吸收的比率。从功一能的角度讲，肌力矩所做的功将影响系统的机械能，当关节净力矩与关节角速度致时关节功率为正值，关节肌群向心收缩做正功，这个功率在整个收缩期间内的积分值，便是肌肉做的总功，这意味着肌肉产生能量和能量向肢体的传递；当关节净力矩与关节角速度不一致时，关节功率为负值，关节肌群离心收缩做负功，这时外力对肌肉所做的功为总功，体现着能量由肢体环节流向肌肉，肌肉吸收能量。
根据功率曲线，可以将跑的支撑相大致分成2个阶段。对于髋关节来说，第阶段由伸肌完成的净正功；第二阶段由屈肌完成的净负功。对于膝、踝关节来说，一阶段由膝伸肌群、踝跖屈肌群完成的净负功；第二阶段由膝伸肌群、踝跖屈肌群完成的净正功。在跖趾关节则主要是后半段由跖屈肌完成的负功和离地时一个较小的正功。跑时髋肌力矩被认为是zui重要的产能环节，髋肌力矩产生的能量是人体总能量的限制因素并决定着跑时对摆动腿能量的输入。膝关节首要的角色是吸收能量，在短跑的摆动阶段末期，该肌力矩对能量的吸收能力被认为是步频和跑速zui大的限制因素。踝背伸肌在着地之初zui重要的作用是能量消散，并在支撑阶段后期扮演产能角色，该肌力矩做的正功是膝伸力矩所做正功的3倍422.本研究中受试者穿不同鞋跑时髋、膝、踝关节产生和吸收的能量均没有明显不同。跖趾关节是一个离地前能量吸收多而产生很少的关节，跖趾关节从足滚动至前掌到离地，基本都是背屈，跖趾关节在支撑相能量产生很少，这些关节能量流失或者足离地后回输，因此，不会对运动表现产生明显影响。研究结果中穿低刚度鞋跑时跖趾关节吸收20.5能量，比中刚度鞋高11.4，比高刚度鞋高15.1，这表明，当增加鞋屈曲刚度，能减少跑时跖趾关节的能量损失，因此，跖趾关节能量损失的减少，可能是短跑成绩提高的原因。这与Stefanyshyn等人关于纵跳的研究结果类似，Stefanyshyn采用的是二维逆动力学法研究发现，计算跖趾关节的能量对关节中心的选择很敏感，关节中心向前移动1cm，跖趾关节吸收的能量平均减少17%19.在二维的方法中选择第五跖骨头作为转动中心，增加了GRF对跖趾关节的力臂从而力矩会偏大。Roy关于跑的研究采用的是三维方法，但Roy的研究中增加鞋的屈曲刚度，跖趾关节的负功没有显著变化，这可能与鞋及受试者的差异有关。
人体运动的机械能只能是来源于肌肉做功，因此，鞋不同屈曲刚度影响跑时跖趾关节能量损失的机制，应当是影响了下肢的肌肉活动。本研究主要选择下肢的股直肌、股二头肌、胫骨前肌和腓肠肌进行肌电信号的分析，来探索鞋的屈曲刚度对下肢肌肉活动的影响。在跑的过程中，股直肌收缩主要是完成屈髋和伸膝动作，股二头肌收缩主要是完成伸髋和屈膝运动，胫骨前肌收缩时主要完成足背屈，而腓肠肌收缩主要完成屈膝和使踝跖屈。鞋屈曲刚度增加，跖趾关节能量损失减少，研究假设能量损失减少，需要肌肉激活的程度会减少，动作的经济性提高。从机能节省化的角度考虑，在达到同样甚至更好效果的前提下，节省了不必要的肌肉活动，可以降低能量消耗，从而达到提高运动成绩和能力的目的。
本研究结果表明，跑支撑阶段股直肌、股二头肌、胫骨前肌、腓肠肌外侧头肌电的RMS值无显著性差异，即鞋屈曲刚度的变化，对所选取肌肉的活动水平没有造成显著影响。在蹬地阶段，跖趾关节周围主要是跖屈肌群做离心收缩，跖趾关节的跖屈肌主要是趾长屈肌和圹长屈肌，而这两块肌肉位于小腿三头肌的深层，其活动无法通过表面肌电测得，而它们的活动可能受到鞋屈曲刚度的影响，但目前研究深层肌肉的活动仍存在困难，今后可通过计算机仿真等其他方法对其进行进一步的研究。
5结论与建议穿着屈曲刚度较低的鞋能获得更好的舒适性体验。在一定程度上增加运动鞋的屈曲刚度可使跖趾关节能量损失减少，从而提高短跑的表现。
屈曲刚度较低的鞋能提供更好的舒适性，但这对短跑表现并没有好处，因此，制造商在设计运动鞋及消费者在选择鞋时需要综合考虑这两方面因素。
鞋屈曲刚度增加对跑步过程中跖趾关节能量损失和运动表现的良好影响可能有适当的范围，无限制增加鞋屈曲刚度，运动表现反而可能下降。鞋的穿着舒适性也存在同样的问题。因此，今后的研究可以增加鞋屈曲刚度的变化梯度，进一步定量研究屈曲刚度的变化影响舒适性和运动表现的规律，从而找到获得zui好运动表现和舒适性的zui佳屈曲刚度。
