3D 打印在鞋類產品設計中的應用可能性

張瑩

（天津美術學院，天津 300100）

鞋具，由最初的足部保護功能發展到承載社會和身份的符號載體，它的設計隨著功能的變化與材料、制造技術的升級，不斷推陳出新。在消費市場的推動下，對時尚潮流的追逐逐漸成為大眾消費鞋類產品的主要推動力。然而，現代人類生活方式的轉變和健康產業的發展，讓越來越多的人意識到，足部以及身體健康和鞋類產品之間的密切關系。“鞋形腳（theshoe-shapedfoot）”，以及各種因不良生活習慣引起的足部相關健康問題，能否在設計層面，結合現今3D 打印技術，及其相關數字化生產技術得以解決是本文提出和探討的主要問題。

1 鞋具的由來

文明社會之前的舊石器時代，以狩獵為生的人類在奔跑追逐野獸的生活中，逐漸學會利用不同的材料包裹足部，并逐漸形成了“鞋”的雛形。作為人類足部“外覆層”的鞋具，據推斷可能早在三至四萬年前就已經存在并被使用。但是由于最初的鞋具是以不容易保存的材料制作的，科學家只能從古人類骨骼的變化（如古人類小腳趾骨的弱化等）以及洞穴壁畫來推測它的雛形。直到人類學家LutherCressman于1938 年在美國俄勒岡福爾巖洞（For Rock Cave）發現最早的涼鞋實物證據。這些由山艾樹皮制成的涼鞋，經研究發現有超過9000 年的歷史，被研究認定為最古老的皮制鞋。阿雷尼-1（Areni-1 shoe）（圖1），2008 年在亞美尼亞被發現，有5500 年的歷史。這雙內部塞滿干草的最古老的皮鞋，在前后接縫處系有皮繩。而在發現地的亞美尼亞洞穴周圍，加拿大考古學家研究人員Gregory Areshian 指出“地形非常崎嶇，有許多鋒利的石頭和帶刺的灌木。”這時鞋子的目的顯然是保護足部，但是研究者也認為“鞋子的某種外觀意味著屬于特定的部落。”

圖1 阿雷尼-1

進入文明時代，不論是在古埃及、古希臘還是古羅馬，世界不同區域都出現了適應自己地域文化的鞋類制品。比如古埃及的人字拖，由于埃及炎熱干燥，人字涼鞋可以避免沙土燙腳。但在當時只有法老、貴族等上層階級才會穿涼鞋，普通民眾或是奴隸都仍是赤腳。當時的鞋具在承載功能性的同時，也是權力和財富的象征。鞋具這種從功能實現到階級身份載體的轉化，隨著人類社會物質和經濟的發展，以及世界各地手工制鞋業的興起而不斷深化。比較極端的例子是文藝復興時期，從威尼斯開始流行的chopines（圖2），這種鞋具本是套在使用者的鞋外，以保證腳不被潮濕的小路弄臟，但是同時由于它夸張的高度，大多時候穿戴者需要仆人在旁攙扶，所以它又表明使用者具有一定的社會地位。隨著它的社會屬性和時尚意義超越了它的功能性，chopines 的高度變得越來越夸張，當時最高的chopines 達到50 厘米。以致于威尼斯政府不得不對其高度進行干預，出現了限制其高度在3 英寸之內的法律。Chopines 也被認為是當今高跟鞋的原型之一。

圖2 始于威尼斯的chopines

19 世紀隨著工業化生產的發展，制鞋業也逐漸從手工藝定制逐漸向大批量工業生產轉型。在工業化生產方式的沖擊下，歐洲除了像意大利還保留相當高比例的傳統手工制鞋技術，大多數國家的鞋業制造已經機械化和批量化了。雖然工業化生產極大地提高了生產效率，并且豐富了鞋具的產品品類，但是隨著我們對足部健康的深入研究發現，人類的足部形態千差萬別，批量化生產的時尚鞋具讓消費者在潮流的裹挾下，忽視了鞋具最初的保護功能，同時長期穿戴不適合自己足部生理結構的鞋具，還會產生各種身體健康問題。

2 鞋具和足部健康

人體足部由26 塊骨骼、33 個關節以及大量肌肉、肌腱、韌帶和軟骨等組織構成，它們一起構成了足部復雜的力學結構。足部是人類活動與地面的接觸始端，足部和踝關節緊密相連，構成整個下肢運動系統，所以足部健康與人體健康關系緊密。

足部運動可描述為三個平面運動：矢狀面、冠狀面和水平面。從矢狀面觀察我們的足弓，可發現我們常說的扁平足、高足弓等問題。足弓是由跗骨、跖骨，以及足底韌帶、肌腱等組織組成的“拱”形結構，是人體運動的“避震器”，對行走和跑跳等動作起到了減震、緩沖的作用。良好的“拱”形結構還可以讓我們更好地適應不同地形，以及避免足底血管過度壓迫而造成的疼痛等問題。從冠狀面來看，足弓形態異常會引起踝力線異常（見圖3），比較常見的是扁平足引起足外翻，影響足踝、小腿甚至引發膝蓋疼痛，嚴重的會出現膝關節炎、跟腱炎、足底筋膜炎等并發癥；從水平面看，人類自然的腳型是扇形，而長期穿著現代時尚鞋具的足部前端被聚攏到一起（見圖4），形成“鞋形腳（theshoe-shapedfoot）”。跖骨排列結構發生變化，造成其余骨骼排列發生變化。這和制鞋業長期使用相同尖頭鞋楦進行批量化生產有密不可分的關系。我們的足部在靜態情況下需要為身體提供穩定支撐，運動時則提供減震和推進。足部受鞋型影響，不只引起腳趾形態的變形，還會使本應起到穩定作用的跖骨喪失其自然錨定功能，甚至因代償造成其他部位的損傷。

圖3 左為異常踝力線 右為正常踝力線

圖4 左為正常足型和足前端受力分析 右為“鞋形腳”及其前端受力分析

足部問題的復雜關聯性還不止于此，在人類生長的不同階段，足部都有不同特點。比如柔韌性平足在嬰幼兒時期屬于生理狀態，但6 歲以后還未形成正常的足弓則被視為病理狀態。生長發育期的兒童平足，如未經治療或治療不當，會引起下肢力線異常排列，誘發足部畸形，引起步態失調[1]；而老人由于足底脂肪的流失，足部則需要更多的緩沖和避震功能。如果老年人長期穿著不當鞋具，則會出現如拇趾外翻、扁平足、足底板前掌老繭數量增多等足部形態變化[2]。這些問題根據每個個體的足部情況與身體機能的關系等，都需要針對單一問題分析解決。

3 3D 打印數字定制化帶來的可能性

3D 打印又被稱為快速原型制造，或統稱為增材制造。3D 打印技術作為快速驗證設計想法的工具，已經有30 多年的歷史。3D 打印工藝采用不同的技術和材料，但其基本運行原理一致。設計者需要首先使用計算機軟件構建模型，計算機實體模型須為明確定義的閉合曲面，該模型的水平界面須為閉合曲線。數字模型轉化為STL 文件格式，可以利用最簡單的三角形和多邊形逼近還原模型表面。3D 打印軟件分析STL 文件，并將數字模型分層為若干截面切片，這些截面通過打印設備層層結合為實體模型。因材料和技術不同，成型方式可能是半固態擠出、液態固化或粉末燒結等。在《3D 打印與工業制造》一書中對比傳統制造業，3D 打印的兩個突出特點一個是免除模具的使用，另一個則是制造成本對設計的復雜性不敏感。個人認為，這兩個特點對于需要小批量定制化的未來鞋具市場，具有重要的意義。

鞋楦作為制鞋的模板，在傳統手工制鞋工藝流程中長期依賴于制楦師傅的經驗水平。而這種手工制鞋的方式效率低、時間長、成本高，且存在地域性制約，不能滿足鞋類市場的大量購買需求。制鞋業工業批量化后，鞋楦的生產也由手工刻楦發展到機械銑削刻楦。即在工業化批量生產中，幾乎所有鞋型都是按一定的標準進行大致分類，我們在選擇的時候需要讓足部適應標準鞋型。這樣的生產方式和對時尚社交的盲從，也是造成現今足部問題的重要原因。

目前市場上已經出現了多種以足部健康為設計出發點的相關產品。比如，模擬赤腳行走跑步的“赤腳鞋（Barefootshoes）”，其中以Vibram 公司生產的五指鞋為代表。但是Vibram 五指鞋的主要受眾人群，還是以熱愛戶外運動的人群為主。德國的功能鞋代表品牌Joe Nimble 也與生物力學專家Lee Saxby，一起設計生產了前部較寬，鞋頭扁平，可較好支撐和穩定前腳掌的跑鞋，它的設計可以支持大腳趾的天然抓地功能。除此之外還有Telic 公司的3D 打印定制鞋楦的人字拖，通過3D 打印技術和相關數字技術，Telic 公司開發了可以讓客戶遠程通過設定流程，使用智能手機拍照而制造個人定制化鞋楦，然后再通過使用3D 打印制作滿足個體需要的鞋具。他們開發的第一款產品就是古埃及時代就出現的人字拖（見圖5）。

圖5 Telic 開發的3D 打印人字拖

結語

人類使用工具進行造物的歷史已久。但隨著社會發展，當產品融入更多的社會需求后，它就逐漸喪失了原本的功能，甚至與其背道而馳。當今醫療健康領域的眾多研究都表明，長期穿著不適合足部結構的鞋具會對人體健康產生諸多危害，而3D 打印技術產品化和互聯網數字化相關技術的發展，給傳統鞋具制造帶來了新的機遇。在產品設計環節，以足部健康為核心，通過新技術手段進行小批量定制化生產，或許會成為未來鞋類產品的一種可能性。