運動襪的生物力學研究進展

李吉如，梁東梅 ，廖紅娟

1 前言

長期以來人們認為足主要依靠鞋來保護，但實際上襪子與足的關系是最密切的，運動襪除了保溫外，亦可以緩沖行走或運動時足所受到沖擊的力、減少足—鞋間因摩擦而產生的不舒適感等。在中國知網以“運動襪”為主題詞或關鍵詞搜索相關文獻，僅有79篇相關文獻，研究的內容也主要集中在輕工業的材料領域，僅有幾篇與運動有關的文獻，內容也是局限在襪機的工藝改造[1]和襪子舒適性[2]和附加功能性運動襪[3]的研究，可以說針對各個項目與運動相關的研究更是少之又少，支歡歡[4]在對徒步功能運動襪消費者需求的調查研究中指出，人們對徒步功能襪的首選因素是舒適性，其次是功能防護性，要想做好更好的防護性，需要運動襪的生產者對運動項目的特點有一定的認知，這樣結合生產出來的運動襪才能更加符合運動特點。而在文獻中，對與運動項目相結合、符合運動項目特點的運動襪的研究更是鳳毛麟角，有待有興趣的相關研究人員介入。

2 足的生物力學

人體足部是人體承重和活動的重要器官，對足部的保護措施一直是人們研究的重要方向，而鞋—襪子是保護足部的關鍵要素。足是人體的運動器官，主要由肌肉、骨骼、韌帶、血管、神經和皮膚等結構組成，人體在站立或運動時，通過足底的各個關節依次傳遞力。足具有獨特的性能，在需要時能使26塊骨變成單一的固定單位，使足成為剛體，完成各項運動需要，也在能在需要時像赤腳爬坡時那樣，變得十分靈活。足在運動中，骨骼處于被動的地位，附著在骨上的肌肉進行收縮或舒張作用，才能完成運動。足部關節的受力情況也會隨著運動的情況的變化發生變化，足與襪子、鞋的摩擦力也會發生相應的變化，襪子過緊會產生壓迫，過松會增大摩擦力且容易滑脫。因此，對運動襪的性能提出了更高的要求，特別是人體進行更加激烈的運動時對襪子的作用力會隨著運動激烈出層度的加大而加大。

3 運動襪材料的屬性研究

制作襪子的材料很重要，不同材料具有各自不同的自然屬性，其所具有的功效亦不同。近些年來，針對運動襪的面料方面，國內外都在進行相關的研究，并且有了一定的進展。總的來說，國外的研究成果比較突出，而國內自主研究還不是很成熟，整體產品呈現趨同化，大多照搬西方的技術。Herring[5]等人對棉、毛絨、尼龍、腈綸四種材料的自然屬性的研究中得出：腈綸與棉相比，不易變形，不易被拉長、但除濕效果差。棉、毛絨可以比腈綸多吸收2倍因運動而產生的潮氣，且比腈綸高出10倍的“保濕”效果。而在運動汗濕后，棉可以增加30%的抗阻能力，而尼龍的抗阻力能力減小10%，腈綸減小20%，而毛絨則要減小25%。在Herring KM[6]的研究中，100%的腈綸和100%自然棉制成的襪子來研究不同的纖維成分對足的影響，發現腈綸與棉相比，在降低起泡頻率、減小起泡體積具有明顯的優越性。而在其另一項研究中卻發現：應用這兩種材料作為襪底的填充材料時，兩者在改變跑步者運動后的溫度、濕度、起泡位置及大小等方面均無明顯的差異。他們認為，更薄的襪底構造將沒有足夠的密度以形成有效的足底墊強度來消散剪切力。Knapik[7-8]在其研究中發現穿著含有腈綸的襪子可以降低跑步運動員足部起泡現象，而薄的滌綸內襪配合厚的毛絨或腈綸襪子在汗濕后亦可以降低水泡的發生。而Delporte[9]在其研究中發現使用纖維制作的襪子可以使水泡的發生機率降低90%左右。Watanabe K[10]通過對不同材料制成的襪子對足部真菌感染的預防性功效分析中發現；使用尼龍襪和棉襪在預防足部真菌感染方面是不安全的，而毛絨襪效果相對好一些。但Purvis AJ[11]對不對稱的襪子和標準的襪子的研究中發現，兩種形式的襪子在改變足部皮膚溫度方面影響不具顯著性差異。

4 襪子—足—鞋間生物力學特性的研究

襪子—足—鞋間摩擦力的性質對足的舒適感和足損傷的發生機率有很明顯的作用。而在行走或運動過程中足所受到的剪切力是產生水泡、潰瘍等足部疾病的重要力學因素。為了降低足部損傷的發生，一種最為簡單和有效的方法就是通過穿著合適的摩擦系數的襪子來降低足底壓力和剪切應力，但目前國內幾乎沒有對襪子—足—鞋間的摩擦力性質、襪子在改變足底壓力及剪切應力等方面作用效果進行研究。通過對外文文獻的查閱，可以發現，國外研究人員已從襪子不同材料的屬性、不同材料間的相互配比、襪子—足—鞋間的力學因素及其應用的功效性進行了一系列的分析研究，以致使一些具有特殊功能的運動襪的生產成為可能。Delporte[9]在其研究中指出：穿襪子可以改變足—鞋間的摩擦力的性質。通過穿著摩擦系數小的紡織品襪子能夠減小足與鞋接觸面間的剪切力，從而避免足部皮膚因摩擦受損。Draper[12]也在研究中指出：雖然低摩擦力能夠使足在鞋內相對運動，但過多的運動又會產生沒有安全的不適感，且可能造成足前部與鞋間的壓力過大而使足前部發生擦傷。Sanders[13]應用有限元分析法測試了皮膚與襪子間的靜摩擦系數，通過襪子對材料的自然屬性與皮膚、襪子間的靜摩擦系數的測定，指出材料不同會直接影響足—襪子間的摩擦力及足所受的剪切應力的性質，且襪子不同部位亦應用具有不同的摩擦系數屬性的材料，才能滿足足的不同需求。Stephen[14]通過改變襪子—鞋界面間摩擦力的大小來研究人體平衡能力控制的動力學特征，其在實驗中發現：襪子—鞋界面間摩擦力越大，需要控制人體姿勢搖晃的反作用力越小。Xiao-Qun Dai[15]等應用3-D有限元分析法對正常人在行走過程中的支撐階段的動態足底壓力和剪切應力進行了分析，通過穿著兩接觸面間不同摩擦系數的襪子，對襪子—足—鞋三者間不同的力學性質進行分析，進而了解如何使襪子與足更好的契合，降低足部起泡等損傷發生率。實驗中通過對光腳(與鞋的摩擦系數為0.54)和穿著兩種接觸面間具有相反摩擦系數的襪子1(與足的摩擦系數為0.54，而與鞋的摩擦系數為0.04)和襪子2(與足的摩擦系數為0.04，而與鞋的摩擦系數為0.54)三種條件下行走時足受到的剪切力變化中發現：與光腳相比，穿這兩種襪子均能明顯較小行走過程中足所受到的剪切應力。穿與鞋摩擦系數小的襪子1，使后足的剪切應力由3.1N減小到0.88N，而前足則是從10.61N減小到1.61N。而穿著與足摩擦系數小、與鞋摩擦系數大的襪子2則更能明顯減小足所受的剪切應力，后足減小到0.43N，前足減小到1.18N。在其分析中指出：在行走過程中，足前部和足后跟部為主要的受力區，且足前部大于足后跟部，而前足皮膚亦比足后跟部的皮膚薄，因此足部水泡和潰瘍更易在足前部產生。光腳使足—鞋之間有很高的摩擦力，使足部皮膚緊緊的粘附在鞋上，而足在鞋內具有向前滑動的趨勢，如果這趨勢被鞋的摩擦力完全阻止，則會產生極高的剪切力。使足部皮膚受到磨損，產生水泡和潰瘍。如果足在鞋內允許有輕微的滑動，那么就可以明顯減小剪切力，從而降低足損傷發生的幾率。 Hosein 和Lord[16]的研究中發現穿尼龍長筒襪受試者與不穿長筒襪的相比，足所受的剪切應力明顯降低。而Wong PY.[17]在內底襪(silicone—insole socks)改變足底壓力和剪切應力的作用研究中將光腳和穿100%棉襪與內底襪進行了對比分析。通過對22名健康人群在三種條件下行走過程中足底壓力峰值、水平剪切作用力和最大剪切應力的測試中發現：穿襪子均使足中部的峰值壓力、水平剪切作用力和最大剪切力減小，而穿內底襪在減小水平剪切作用力的作用更為明顯。S.J Howarth[18]對5種不同的襪子的減震(緩沖)作用效果的研究指出：要分析不同類型襪子的減震功效時，必須要考慮不同材料的自然屬性，不同纖維在被拉長時可表現出不同的抗阻能力，而5種襪子中，腈綸底襪和毛絨底襪具有明顯的減震效果，P<0.05。且襪子的厚度亦可影響其減震效果。

5 特殊人群運動襪的應用研究

足部損傷對糖尿病患者來說甚為普遍，mydield[19]、phillio[20]s及scheffler[21]等人在對糖尿病足的研究中指出：對糖尿病患者的足部護理不僅包含合適的鞋和鞋墊。亦需考慮到襪子對足的保護作用，且建議糖尿病患者不能不穿襪子而直接穿鞋。Murray[22](美國糖尿病足研究組成員)亦通過三種不同材料的襪子對高危糖尿病足的保護作用進行了實驗研究，并得出襪子可以作為能夠有效緩解和保護糖尿病足的一種方式進行應用。在Veves A[23]等人的研究中，在襪子的后跟和前足添加特殊的材料使糖尿病患者異常高的足底壓力減小了30%，改善其足部損傷的癥狀，且這種改善能夠持續幾個月。Yi Ching Tsai[24]也通過對使用不同材料的襪子和鞋對糖尿病患者足底壓力特征進行實驗研究發現，在襪子的前足中部和后足加入6mm厚的泡沫板材料，能夠明顯降低糖尿病患者的足底壓力，并指出無論襪子還是鞋子設計，應根據受試者足的特點和需求，在相應的部位使用與之要求相一致的材料。而Banchellini[25]在襪子對緩解糖尿病患者足部上午疼痛及潰瘍等方面的作用效果的研究中，將納米材料應用到襪子的設計中。通過對30名糖尿病患者6周穿著含納米材料的襪子和普通材料的襪子對各指標前后測試過程中發現，含有納米材料的襪子在吸汗、除濕及保溫等方面都較普通材料的襪子具有明顯的優越性。因此得出：穿著含有納米材料的襪子可以緩解糖尿病足出現的一系列不良癥狀。Veves[26]亦通過添加高、低密度不同材料而設計的襪子來緩解風濕性關節炎患者異常的足底壓力。但Ufer C對21名四肢麻痹的患者穿著棉(棉/腈綸)和合成纖維兩種不同材料的襪子后足部溫度變化的研究發現合成纖維并未發現如制造商所說的具有保溫的效果。

6 結論

通過對以上文獻資料的分析整理可以看出，無論是國外對制作襪子材料的功能性研究，還是對襪子—足—鞋間力學特性及襪子的應用性研究，很多生產廠家都是從襪子材料的自然屬性出發，通過使用不同材料及填充物來來改善和豐富襪子的功效。很少有提及或區分正常人群和特殊人群足的解剖學特點，雖然在各生產廠家的資料中有提及到適合各運動項目的運動襪產品，但亦沒有提及其運動襪設計的理論依據。更沒有從各不同項目在運動中足所表現出來的不同力學特征及不同項目對襪子的需求來設計運動襪襪子。因此，相關科研人員可以從以下這兩個方面入手進行研究，設計出符合不同項目特點的運動襪。

6.1 各項目運動人群的足底壓力分析及各項目對襪子的不同需求

在行走過程中足的主要受力區為足前部和足后跟部，而在跑步運動過程中足的主要受力區為前足外側跖骨區及大腳趾，因此在設計襪子底墊時則可根據此特點選擇具有緩沖功能的材料與之相適應。在長跑運動中，需要能夠提供吸汗、除濕、柔軟且具有散熱功能的襪子，在保證足在干燥的環境中運動，又要及時將足在運動中產生的熱量及時散發出去，避免足部溫度過高。因此，根據項目特點及足所表現出來的力學特性來設計運動襪才能更為符合運動的需要。

6.2 不同材料間的摩擦屬性的研究

選擇最為合適的襪子—足—鞋兩接觸面間的摩擦系數，從而使足與襪子更好的契合，形成整體，保證足在鞋內有相對運動的空間，并能提供足夠的應力來完成各項運動。