新模型预测鞋子特性如何影响跑步者的表现

一双好鞋可以对跑步者产生巨大的影响，从职业马拉松运动员到沙发到 5K 初学者。但每个跑步者都是独一无二的，适合一个人的鞋子可能会绊倒另一个人。除了试穿不同设计的鞋架之外，没有快速简便的方法可以知道哪双鞋最适合一个人的特定跑步风格。

麻省理工学院的工程师们希望通过一种新模型来改变这种状况，该模型可以预测某些鞋子特性将如何影响跑步者的表现。

这个简单的模型结合了一个人的身高、体重和其他一般尺寸，以及鞋的特性，如中底的刚度和弹性。有了这个输入，模型就可以模拟一个人穿着特定鞋子的跑步步态，或者他们将如何跑步。

使用该模型，研究人员可以模拟跑步者的步态如何随着不同鞋子类型的变化而变化。然后，他们可以挑选出性能最佳的鞋子，他们将其定义为跑步者消耗的能量最小化的程度。

虽然该模型在比较两种截然不同的跑鞋类型时可以准确地模拟跑步者的步态变化，但在比较相对相似的设计（包括大多数市售跑鞋）时，它就不那么挑剔了。出于这个原因，研究人员设想目前的模型最适合用作希望突破运动鞋设计界限的鞋类设计师的工具。

“鞋子设计师开始3D打印鞋子，这意味着他们现在可以制造出比普通泡沫板更广泛的性能，”麻省理工学院体育实验室和数据，系统和社会研究所（IDSS）的博士后Sarah Fay说。“我们的模型可以帮助他们设计出真正新颖的鞋子，而且性能也很好。

该团队正计划改进该模型，希望消费者有朝一日可以使用类似的版本来挑选适合他们个人跑步风格的鞋子。

“我们在模型中提供了足够的灵活性，可用于设计定制鞋子并了解不同的个人行为，”Fay 说。“在未来的道路上，我们想象，如果你向我们发送一段你自己跑步的视频，我们可以3D打印出适合你的鞋子。那将是大胆创新计划。

本月发表在《 生物力学工程杂志》（Journal of Biomechanical Engineering）上的一项研究中报道了这种新模型。该研究由麻省理工学院机械工程教授Fay和Anette “Peko” Hosoi撰写。

运行，改进

该团队的新模型源于与运动鞋行业合作者的谈判，设计师已经开始以商业规模3D打印鞋子。这些设计采用了类似于复杂支架的 3D 打印中底，其几何形状可以定制，以在鞋底的特定位置提供一定的弹跳或刚度。

“通过3D打印，设计师可以在本地调整有关材料响应的一切，”Hosoi说。“他们来找我们，基本上说，’我们可以做所有这些事情。我们该怎么办？

“设计问题的一部分是预测当你给跑步者穿上一双全新的鞋子时会做什么，”Fay 补充道。“你必须将跑步者的动态与鞋子的特性结合起来。”

Fay 和 Hosoi 首先使用一个简单的模型来表示跑步者的动态。他们从哈佛大学生物力学研究的领导者托马斯·麦克马洪（Thomas McMahon）那里汲取了灵感，他在1970年代使用非常简单的“弹簧和阻尼器”模型来模拟跑步者的基本步态力学。使用这种步态模型，他预测了一个人在各种轨道类型上跑得有多快，从传统的混凝土表面到更多的橡胶材料。该模型表明，跑步者应该在更柔软、更有弹性的赛道上跑得更快，以支持跑步者的自然步态。

虽然这在今天可能并不令人惊讶，但这一见解在当时是一个启示，促使哈佛大学改造其室内跑道——这一举动迅速积累了赛道记录，因为跑步者发现他们可以在更柔软、更有弹性的表面上跑得更快。

“麦克马洪的研究表明，即使我们没有对人体的每一肢、肌肉和组成部分进行建模，我们仍然能够在如何设计运动表现方面创造有意义的见解，”费伊说。

步态成本

在麦克马洪的带领下，Fay和Hosoi开发了一个类似的简化的跑步者动态模型。该模型将跑步者表示为质心，臀部可以旋转，腿可以伸展。腿连接到一个盒子状的鞋子上，具有弹性和减震性，可以垂直和水平调整。

他们认为，他们应该能够将一个人的基本尺寸（例如身高、体重和腿长）以及鞋子的材料属性（例如前后中底的刚度）输入到模型中，并使用模型来模拟一个人穿着鞋子跑步时的步态。

但他们也意识到，一个人的步态可能取决于一种不太可定义的特性，他们称之为“生物成本函数”——跑步者可能没有意识到这种品质，但无论他们在跑步时都可能试图最小化。研究小组推断，如果他们能够确定大多数跑步者通用的生物成本函数，那么他们不仅可以预测一个人在给定鞋子上的步态，还可以预测哪只鞋产生与最佳跑步表现相对应的步态。

考虑到这一点，该团队参考了之前的一项跑步机研究，该研究记录了跑步者的详细测量值，例如他们的冲击力，关节的角度和运动，他们步伐中的弹簧以及他们跑步时肌肉的工作，每个人都穿着相同类型的跑鞋。

Fay 和 Hosoi 假设每个跑步者的实际步态不仅来自他们的个人尺寸和鞋子特性，还源于潜意识的目标，即尽量减少一项或多项未知的生物措施。为了揭示这些措施，该团队使用他们的模型多次模拟每个跑步者的步态。每次，他们都对模型进行了编程，以假设跑步者将不同的生物成本降至最低，例如他们摆动腿部的程度或他们对跑步机的影响。然后，他们将建模的步态与跑步者的实际步态进行比较，看看哪种建模步态（以及假设的成本）与实际步态相匹配。

最后，研究小组发现，大多数跑步者倾向于将两种成本降到最低：他们的脚在跑步机上产生的冲击力和他们的腿所消耗的能量。

“如果我们告诉我们的模型，’在这两件事上优化你的步态’，它就会给我们提供真正逼真的步态，与我们拥有的数据最匹配，”Fay解释道。“这让我们有信心，即使我们换鞋，该模型也可以预测人们的实际跑步方式。

作为最后一步，研究人员模拟了各种鞋子款式，并使用该模型来预测跑步者的步态以及每种步态对给定类型鞋子的效率。

“在某种程度上，这为您提供了一种定量的方法，可以设计出适合 10 公里和马拉松鞋的鞋子，”细井说。“设计师对此有一种直觉。但现在我们有了数学理解，我们希望设计师可以将其用作启动新想法的工具。

这项研究在一定程度上得到了阿迪达斯的支持。