基于鸵鸟足优异的缓冲特性，成功为运动鞋缓震提供了灵感！

互推小编 2023-12-17

文 | 与卿喻

编辑 | 与卿喻

前言

随着人们对运动和健康越来越重视，他们选择鞋类的标准已经从审美转向功能性，而缓冲性能作为鞋底的基本功能指标之一，在运动鞋的设计开发中起着至关重要的作用，其中中底是其缓冲技术的核心，但让人想不到的是，这竟然是受到鸵鸟脚的启发研制出来的！

鸵鸟足跖趾关节的骨骼-肌腱

鸵鸟在运动时，跖趾关节始终保持离地状态，在足部接触时表现出上下浮动压缩和反弹的姿势，类似于弹簧，我的团队采用了医学影像扫描反向重建鸵鸟足跖趾关节骨骼肌腱模型，根据逆重建模型和解剖模型分析了跖趾关节力传递示意图。

从鸵鸟足内部的结构特征可以看出，肌腱位于骨骼下方，从脚尖向上延伸，与骨骼平行，在跖趾关节处形成肌腱、腱鞘和骨关节特征的结构组合，肌腱的存在限制了跖趾关节的翻转。

使其保持在升高的位置，跖趾关节区域在运动过程中旋转并向下挤压，通过腱鞘将力传递到关节下方的肌腱，为了保持关节抬高，向下的压力转化为肌腱内的张力。

根据研究发现，鸵鸟跖趾关节的位置，肌腱两端的刚度小于中间的刚度，使肌腱具有弹性变形能力，当关节受到向下力时，通过拉伸肌腱有利于吸收冲击能量，因此肌腱在跖趾关节中起着缓冲和减震作用。

为此我专门观察了跖趾关节区域的肌腱组织切片，以进一步验证其弹性变形性，还从肌腱生物材料的组织结构中分析了材料的性质。

结果表明，跖趾关节近端和远端位置（材料较不坚硬的部分）的胶原纤维在肌腱纵向上呈波浪状平行排列，波浪状胶原纤维赋予肌腱纵向拉伸变形，使其能够在关节压力下通过弹性变形将关节的动能转化为肌腱的弹性势能。

理论上，鸵鸟足跖趾关节发挥其缓冲功能的能力取决于其结构和材料组装形式，在运动过程中，跖趾关节一方面通过硬骨和软肌腱的结构组装传递力，另一方面利用肌腱的弹性变形吸收冲击动能。

鸵鸟脚趾的垫筋膜

这次实验我选取了脚垫较宽的第三脚趾作为解剖样本，采用大体解剖法分离足垫的组织结构，鸵鸟则取自中国黑龙江省虎林市庆丰养殖场第2队鸵鸟圈养地，一只7岁雄性鸵鸟的右脚。

为了避免损坏脚垫的整体结构，我用了医用剪刀沿着白色标记的位置切割皮肤层，在脚趾背侧皮肤上进行切割，并使用医用手术刀从皮肤断裂处的骨头上缓慢剥离皮肤以去除骨头和脚趾甲，通过观察解剖后的脚趾垫并测试材料硬度。

我们发现脚垫由三个部分组成，即皮肤的外层，脚垫的内层和筋膜的中间层，鞋床显示了覆盖内层的外层的结构和材料组装特性，以及从外层到内层的材料硬度从硬到软。

通过组织切片观察获得脚趾垫的微观结构信息以及脚趾垫与筋膜之间的界面，并比较两种生物材料的微观结构，分析两种材料的功能作用，脚趾垫染色状态下的脂肪被标记为白色，内部的大量脂肪被粉红色的胶原纤维分成许多单独的小隔间。

脂肪可以起到很好的能量吸收作用，保护身体免受机械损伤，脚趾垫中有大量的脂肪，形成了许多小型的、吸收能量的缓冲单元，脚趾垫的微观结构与运动鞋中底中使用的微孔缓冲泡沫相似。

在发泡过程中，微孔泡沫材料内部出现了许多空心微孔，然后利用材料受力变形的优势压缩并吸收了孔中的气体，

主要体现在皮肤和脚趾垫之间的隔膜，包裹着脚趾垫的外层，其微观组织与包含许多脂肪隔室的脚趾垫明显不同，染色的弹性纤维呈现半透明的波浪状结构，筋膜由大量弹性纤维组成，其中分布着少量胶原纤维，根据筋膜和脚趾垫之间界面生物材料的组织结构差异。

经过分析，我推测两种生物材料具有不同的功能，将波浪状的弹性纤维平行排列成筋膜，使筋膜这种生物材料具有一定的弹性膨胀能力，筋膜对脚趾垫的弹性包裹作用可以保证脚趾垫在变形和能量吸收过程中保持稳定的形状。

仿生设计

基于鸵鸟跖趾关节的骨腱结构和材料组装特性，设计了前足缓冲单元模型，用刚性材料代替骨骼，将力传递到柔软的弹性材料上，前脚掌缓冲装置，由外框和夹层弹性吸能元件组成，外框架内部平行布置为半圆形凸结构。

上框架与下框架呈凸结构交错排列，每个单独的半圆柱投影与层间弹性能量吸收元件相互作用，形成骨骼关节-肌腱仿生减震结构。

当机组受到冲击时，外框的半圆柱形突起在机组受到冲击时将力传递给夹层弹性吸能元件，然后借助弹性吸能元件本身的弹性变形，将冲击的动能转化为自身的弹性势能。

为了提高脚跟的缓冲性能，在前脚垫单元的基础上增加了由脚垫和脚垫内部筋膜组装的仿生垫，鞋跟仿生缓冲单元模型由外框、弹性吸能元件、垫子和中间层填充物组成。

硬质材料的外框架分布有扩展的摇臂结构，夹角为45°，框架板表面在四个方向上，加长摇杆上下交错，将力传递到放置在上下摇臂之间的柔软弹性吸能元件。

脚趾垫作为仿生缓冲结构，由内层材料制成选用传统的中底微孔发泡材料代替脚趾垫的脂肪隔间材料，外层弹性包裹内层，与单元内部一体，形成一体式结构。

相同的硅橡胶材料被选中进行处理，该缓冲垫通过内层变形能量吸收和外层弹性包裹实现将脚趾垫-筋膜缓冲功能仿生和骨骼-肌腱设计思路相结合，应用于足跟仿生缓冲单元原型设计。

样品制备

以传统泡沫鞋底为基础，将缓冲单元嵌入中底内部，设计生产物理仿生缓冲单元，仿生缓冲单元的轮廓尺寸参考了预先选择的基底设计，以确保该单元完全嵌入鞋底内。

缓冲单元分别布置在前脚掌和脚跟的矩形和圆形区域，其轮廓尺寸不超过基底外缘的轮廓尺寸，由于中底不同区域之间的厚度不一致，前脚掌和脚跟缓冲单元的厚度不应分别超过25毫米和15毫米。

仿生缓冲单元的加工过程

为了更好地加工缓冲单元的物理部件，体现结构和材料耦合仿生设计的卓越性，缓冲单元部件采用传统的常规材料组装加工，然后物理生产仿生缓冲鞋底单元，机组外框架应具有一定的刚度，以保证机组结构支撑的稳定性。

此外，为了防止中底的缓冲单元太硬而使脚不舒服，框架材料还需要具有一定的弹性变形能力，因此，选择相对柔软的PU橡胶材料生产刚度范围为80-95 HA TPU的TPU打印线材、3D打印外框和弹性吸能部件。

前脚掌仿生缓冲单元外框采用丝融合技术的3D打印机打印，最大尺寸为150×150×150毫米，喷嘴直径0.4毫米，打印精度0.1毫米，选用直径为1.75毫米的TPU打印耗材，将打印头温度设定为230°C，热床温度设置为30°C。

为了避免在成型过程中堵塞，打印层的厚度设置为0.2毫米，印刷速度设置为40毫米/秒，仿生前脚掌缓冲单元的加工和装配过程尤为小心，整个单元厚12毫米，宽54毫米，长85毫米，其轮廓尺寸满足嵌入前脚掌区域的尺寸要求。

鞋跟仿生缓冲单元框架以相同的方式处理，为了方便鞋跟仿生缓冲单元内部结构的添加，鞋跟仿生缓冲单元的外框模型将主体和上盖分开印刷，并购买了刚度为25-30 HA的硅胶片进行手动切割，成品脚跟缓冲单元，轮廓直径为 56 mm，整体单元厚度为 22 mm。

仿生缓冲鞋底由外底、中底和鞋垫组成，以外底和中底为基础，根据缓冲单元的轮廓尺寸对前脚掌和鞋跟单元进行开槽，然后，将缓冲单元插入中底的凹槽孔内，将专门用于修复运动鞋鞋底的胶水均匀地涂在中底和缓冲单元的上表面，最后涂在鞋垫上生成仿生缓冲鞋底。

脚跟缓冲区和前脚掌的厚度分别测量为20毫米和28毫米，传统的控制鞋底采用没有任何结构的均质材料生产，与缓冲单元相同，前脚掌和脚跟的厚度与仿生缓冲鞋底相同。

鞋底缓冲性能的比较研究

仿生缓冲鞋底和常规控制鞋底在冲击能量下的前脚掌和脚跟区域的峰值负加速度曲线。

峰值负加速度是冲击锤与鞋底碰撞时的最大加速度，利用冲击锤的峰值负加速度来测量鞋底的缓冲性能。

当相同厚度的鞋底处于相同的冲击能量下时，冲击锤上得到的负加速度峰值越小，鞋底的缓冲性能越好，峰值负加速度由图中的g值表示，计算为冲击锤加速度值与重力加速度之比。

结论

这次实验，基于鸵鸟足优异的缓冲性能，并受鸵鸟足跖趾骨-肌腱和鸵鸟脚趾垫-筋膜的结构和材料组装特点的启发，我采用工程仿生技术设计了运动鞋中底（包括前脚掌和脚跟）区域的功能性仿生缓冲单元，基于仿生设计模型对仿生缓冲单元进行加工。

最后，将测试结果与相同尺寸的常规对照鞋底进行比较。

结果表明，在中底内增加仿生缓冲单元可以有效提高鞋底的缓冲性能，仿生缓冲单元在脚跟区域的缓冲性能有了明显的提升，而仿生缓冲单元在前脚掌区域的缓冲性能仍有待进一步优化和提高。

参考文献

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