3D打印定制速滑鞋墊的系統研究： 設計制作與量化驗證

摘 要：綜合相關研究發現，不舒適的速滑鞋可能增加運動員足部損傷風險，而穿著定制速滑鞋墊可以有效緩解這一問題。運用文獻資料、實驗分析、數據分析等研究方法，對基于一名青少年速度滑冰運動員腳型設計的3D打印定制速滑鞋墊的綜合性能進行研究。得出3D打印定制速滑鞋墊能在不改變運動員原有滑行姿態特征的基礎上，提高足部的主觀舒適度；通過增大足底接觸面積、降低足底局部壓強，改善滑冰過程中局部應力過于集中的問題，降低足部損傷風險；增加運動員足中區域峰值力，實現足弓區域蹬冰力向地面的主動輸出。建議后續對運動員長時間穿著該速滑鞋墊進行訓練后，足底壓力和下肢運動學參數進行研究；作為青少年速滑運動員的輔助裝備，推動定制化速滑鞋墊在專業訓練和體育教學中的普及，并不斷向低成本方向改進；將其設計思路和制作技術向其他冬季項目進行推廣。

關鍵詞：速度滑冰；鞋墊設計；3D打印；量化驗證

中圖分類號：G862.1/TS952.6 文獻標識碼：A 文章編號：1002-3488（2024）05-0017-05

The Systematic Studies on 3D Printing Customised Speed Skating Insoles： Design Fabrication and Quantitative Validation

JIANG Xueli， ZHU Ming

（Heilongjiang Research Institute of Sports Science， Harbin 150008， China）

Abstract： The comprehensive studies have found that uncomfortable speed skating shoes may increase the risk of athletes’ foot injuries， and wearing customised speed skating insoles can effectively alleviate this problem. This paper hasinvestigated the performance of 3D printing custom insoles based on the foot shape of a youth speed skater by using the method of literature review， experimental analysis and data analysis. It is concluded that the 3D printing customised speed skating insole can improve the subjective comfort of the foot without changing the original skating posture characteristics of the athlete; improve the problem of over-concentration of local stress during skating and reduce the risk of foot injuries by increasing the contact area of the sole of the foot and decreasing the local compression of the sole of the foot; and increase the peak force of the mid-foot region of the athlete to realise the active output of stirrup force of the arch region to the ground. It is recommended to conduct subsequent study on the plantar pressure and lower limb kinematic parameters of athletes after wearing the speed skating insoles for a long period of time for training; to promote the popularity of customised speed skating insoles in professional training and physical education as an auxiliary equipment for young speed skaters， and to continuously improve them in the direction of low cost; and to promote its design ideas and production techniques to other winter sports.

Key words： speed skating; insole design; 3D printing; quantitative validation

1 理論綜述與研究目的

速滑運動員的損傷通常是過度使用性損傷[1]，不合腳的速滑鞋可能增加足部損傷風險[2]，對運動員的競技水平造成負面影響。運動員穿著不合腳的速滑鞋進行訓練及比賽，會導致足部與鞋的內表面發生摩擦，引起水泡、胼胝、跟腱末端病、跟腱炎、足背部伸趾肌腱鞘炎和足底筋膜炎等慢性損傷[1]，甚至可能造成足部變形[3]。一些研究指出，足部過度使用性損傷與足底和鞋內底間局部壓力過大有關[4-6]，速滑鞋可能會增加前足、足中區域的損傷風險[2]。同時，部分運動員如果存在足弓異常，如高弓足和扁平足，會進一步加劇足部的損傷風險[6]。速滑運動員爭取最佳成績的前提是保持健康和良好的競技狀態，因此提高速滑鞋的合腳性并分散足底壓力，對于預防運動員足部相關損傷具有重要意義。

基于人體三維腳型定制速滑鞋是減少運動員足部疼痛及損傷的方法之一，但定制速滑鞋成本高，制作周期長，可能并不適合于處于快速生長發育期的青少年運動員。目前，速滑鞋相關研究集中在冰刀材料及其摩擦性能上，對于其舒適性及足底壓力研究較少。由于青少年遠動員處于快速生長發育期，女童在5～7歲和11～12歲時，男童在6～8歲和12～14歲時，為腳長的生長高峰[7]。如果定制鞋無法匹配足部的生長變化，長時間穿著可能會導致足部不適及損傷，對運動員造成不良影響。因此，需要采用低成本、制作周期短且方便調整的運動裝備來適應青少年運動員足部形態的變化，從而避免足部損傷，提高穿著的舒適性。

進行速度滑冰運動時，鞋墊與足底直接接觸，承擔著運動員自身體重以及蹬冰滑行過程中產生的負荷，鞋墊矯形條件的變化會影響施加于足底表面特定區域峰值壓力的大小[8]。定制鞋墊可根據其制作的方式不同分為傳統定制鞋墊和3D打印矯形鞋墊，傳統定制方法通過石膏采模，高度依賴矯形師的工藝和經驗，制作復雜、費力、耗時，而3D打印矯形鞋墊通過足部掃描儀獲取參數，精度高、效率快[9-10]。定制鞋墊支撐結構和材料硬度的不同，會影響足底壓力分布和足部穩定性[11]。已有研究將3D打印技術應用于扁平足支撐鞋墊及糖尿病足鞋墊等的制作上，使鞋墊能夠通過不同區域幾何結構的改變實現有效的支撐功能[12-14]，并可以改善足部舒適度，增加足部穩定性[15]。因此，將3D打印技術應用于定制速滑鞋墊的制作過程，能夠對鞋墊進行更為精細化的處理。

綜上所述，本研究旨在基于青少年速滑運動員腳型和足底壓力特征，采用3D打印技術制作個性化的速滑鞋墊。通過比較和分析運動員在穿著定制速滑鞋墊和無鞋墊狀態下，在舒適性、足底壓力和下肢運動學等方面的差異，探索提高青少年速滑運動員足部舒適性、減少足部損傷的定制速滑鞋墊的制作方法，為定制速滑鞋墊的設計提供參考。

2 研究對象與方法

2.1 研究對象

選取黑龍江省冬季運動與后備人才管理中心1名青少年速度滑冰運動員作為受試者，以基于其腳型設計的3D打印定制速滑鞋墊的綜合性能為研究對象。實驗前確認受試者的下肢及足部半年內無明顯損傷，24 h內無劇烈運動，同時向其清楚告知本實驗的目的及過程，由其自愿參與并簽署知情同意書，保證在實驗過程中配合良好。受試者的基本信息，見表1。

2.2 研究方法

2.2.1 文獻資料法

研究以“速度滑冰”“足部損傷”“輔助鞋墊”等為關鍵詞，通過中國知網等數據庫查詢和篩選近10年來與速度滑冰運動損傷及輔助鞋墊應用相關的文獻資料，為研究奠定理論基礎。

2.2.2 實驗分析法

研究通過三維形態掃描和足底壓力測試采集受試者足部的相關數據，并根據采集到的數據進行3D建模和有限元仿真，利用3D打印的方法制作出適用于特定個體的速滑鞋墊。為了驗證鞋墊的有效性，進一步通過主觀舒適性量表測試和生物力學測試，比較運動員在穿著定制速滑鞋墊和無鞋墊狀態下，在舒適性、足底壓力和下肢運動學等方面的差異。

2.2.3 數據分析法

研究通過對足部模型的影像學數據、足底壓力數據、足部模型數據、主觀舒適性量表數據以及下肢運動學數據等進行分析處理和比較，從而為鞋墊的制作和有效性檢驗提供理論支撐。

3 結果分析與討論

3.1 研究結果

3.1.1 鞋墊樣式設計與制作

3.1.1.1 足部形態及足底壓力數據的采集與分析

采用VSS-320三維腳型掃描儀獲取受試者足部無負重中立位時的影像學數據，經軟件初步處理得到足部三維幾何表面模型。進一步通過逆向工程軟件Geomagic Studio對足部三維幾何表面模型作表面質量和幾何形狀優化，最終得到足部模型。

采用足底壓力測試系統（Fscan，USA，50 Hz）采集受試者自然站立及蹬冰滑行狀態下左右腳的足底壓力數據，并根據受試者自然站立時左右腳的足底壓力數據進行足型的判定。通過計算足弓指數（Arch Index，AI）來判定不同的足型：AI≤0.21為高弓足，0.21＜AI≤0.26為正常足，AI＞0.26為扁平足。通過對受試者在蹬冰滑行狀態下的足底壓力數據進行分析，判定足部發力模式。足部發力模式包括：足跟發力為主、足內側發力為主、足外側發力為主以及前腳掌發力。

3.1.1.2 鞋墊模型的建立

根據設計要求和受試者的足部數據，對鞋墊模型進行擴展和調整。具體過程為：1. 將足部模型導入三維建模軟件Rhino中，根據足部三維模型得到平面鞋墊模型；2. 將平面鞋墊模型的上表面映射到足部三維模型的底部，得到貼合足底的三維曲面；3. 將獲得的三維曲面與原平面鞋墊模型進行連接操作，得到一個完整的三維鞋墊模型（圖1）。

3.1.1.3 鞋墊模型的仿真與制作

應用有限元仿真軟件ABAQUS對建好的鞋墊模型進行足底壓力仿真模擬，得到足底壓力云圖。根據得到的足底壓力云圖，判斷鞋墊模型是否能夠降低峰值壓力，以及壓力分布是否符合正常受力。如果滿足要求，則得到最優的三維鞋墊模型；如果不滿足，則重新進行優化設計。

最終，研究基于獲得的最優三維鞋墊模型，利用3D打印技術加以制作。鞋墊為熱塑性聚氨酯橡膠（TPU）材料的支撐墊，對支撐墊的四周邊緣進行斜坡過渡加工處理，然后在支撐墊上加裝一層與速滑鞋內表面一致的絨皮材料，將全腳掌標準厚度控制在5 mm，從而得到專門適用于速度滑冰鞋的3D打印速滑鞋墊。

3.1.2 鞋墊設計的量化檢驗

為進一步驗證3D打印定制速滑鞋墊設計的合理性，研究對其成品展開了實地應用性測試。測試在周長為400 m的室內標準速度滑冰場進行，冰面溫度維持在-6 ℃，冰場室溫維持在5 ℃。受試者需分別在穿著定制速滑鞋墊和無鞋墊狀態下完成滑行測試，測試過程中需穿著統一襪子，可按照自身習慣掌握鞋帶松緊度，并在每次試驗中保持一致。在數據采集前，允許受試者自由滑行進行熱身和適應，在確定無明顯不適感后開始數據采集。

3.1.2.1 主觀舒適性測試

舒適性量表采用150 mm視覺模擬量表，正式試驗前，給受試者詳細講解測試流程及問卷中各題目的含義，使其知曉問卷的填寫方法。問卷將穿完無鞋墊速滑鞋后的感覺作為中間水平，設為5分，之后使受試者穿著定制鞋墊并按照自己的習慣完成一定的滑行動作，重點感受問卷中相應項目的舒適程度，之后立即填寫舒適性量表。項目包括：前腳掌穩定性、后跟穩定性、足弓部位舒適性、足背舒適性、整體舒適性、蹬冰發力舒適性。受試者根據自己的主觀感受，在橫線上劃一條豎線表示自己對該項目的主觀舒適感覺程度，橫線左端代表最不舒適，為0分；右端代表最舒適，為滿分10分，最終按受試者劃線處至橫線左端距離占整條橫線長度的百分比來確定得分。主觀舒適性測試結果，見表2。

經統計，受試者穿著定制速滑鞋墊相比于無鞋墊狀態，整體的舒適性有所提高。各項目提高幅度為：前腳掌穩定性21.40%、后跟穩定性22.80%、足弓部位舒適性24.20%、足背舒適性26.80%、整體舒適性32.40%、蹬冰發力舒適性32.40%。

3.1.2.2 靜態足底壓力測試

采用鞋墊式足底壓力測試系統（Fscan，USA，50 Hz）測量受試者靜止站立時穿著定制速滑鞋墊和無鞋墊兩種狀態下的足底壓力。按隨機順序采集每種狀態下受試者身體穩定后的左右腳數據，使用測試系統配套軟件對數據進行處理，取右足進行分析。靜態足底壓力測試結果，見表3。最終得出，受試者穿著定制鞋墊的峰值壓強下降約3.63%，鞋墊與足底接觸面積增加約2.90%。

3.1.2.3 下肢運動學測試

該測試中，受試者穿著自備的速滑服，使用綁帶在身上貼附7枚Xsens慣性傳感器，位置分別為：左右足的足弓上方、左右小腿的脛骨內側、左右大腿的股骨外側、骨盆的骶骨平坦處，并檢驗各處傳感器的靈敏度。受試者在500 m起點處沿內道開始起滑，盡全力完成1圈滑行。使用慣性動作捕捉系統（Xsens MtwAwinda，Netherlands，100 Hz）和鞋墊式足底壓力測試系統（Fscan，USA，50 Hz），采集受試者直道及彎道滑行過程中的運動學和足底壓力數據。直道和彎道滑行各選取3次有效數據，全部有效數據均選取受試者右側下肢進行分析。直道及彎道滑行足底壓力測試結果，見表4。

結果表明：無論是進行直道滑行還是彎道滑行，相比于無鞋墊狀態，受試者穿著定制鞋墊后的峰值壓強、峰值力、跖骨區峰值力均有所下降，壓強沖量、足中區峰值力和足跟區峰值力均有所提高。

繼續使用Xsens配套軟件觀察受試者在直道及彎道滑行過程中髖關節、膝關節、踝關節的角度，以及蹬冰角度和蹬伸半徑。其中，蹬伸半徑定義為重心投影點距離蹬伸腿踝關節中心點的長度。直道及彎道滑行過程中相關運動學指標測試結果，見表5。

結果表明：無論是直道滑行還是彎道滑行，相比于無鞋墊狀態，受試者穿著定制鞋墊后的髖關節角度和蹬伸半徑均有所增加，膝關節角度、踝關節角度、蹬冰角度均有所降低。

3.2 討論

由于不合腳的速滑鞋會降低運動員的足部舒適性，導致運動員足部的慢性損傷，甚至足部變形。因此本研究在鞋墊設計過程中，充分考慮到運動員的腳型及足底壓力特征，并根據足弓指數判定運動員屬于高弓足、扁平足或正常足。同時，通過有限元仿真模擬運動員穿著鞋墊狀態下的足底壓力分布情況，進而不斷優化鞋墊結構。運動員主觀舒適性測試結果表明，定制速滑鞋墊能夠整體提高足部舒適度，對照靜態足底壓力測試結果，可知降低足底壓力及增大足底同鞋內底的接觸面積能夠提高速滑鞋的舒適性。

有研究指出，不舒適的速滑鞋可能會增加前足、足中區域的損傷風險[2]。因此，本研究通過對足底不同部位壓力的測試，發現相比于無鞋墊狀態，受試者穿著定制鞋墊滑行過程中的峰值壓強有所下降，足中區峰值力提高。峰值壓強的減小能夠分散足底壓力，避免局部壓力過大，從而減少足部損傷。而足中區峰值力的提高也說明定制鞋墊與運動員足底曲面三維形態貼合度更高，增大了足底同鞋內底的接觸面積，有助于足底峰值壓強的降低。

通常情況下，優秀速滑運動員滑行時膝關節角度在110°～120°，可發揮出最大力量。較小的伸膝角度可使速滑運動員在沖刺時擁有更高的輸出功率，因為大部分蹬冰力是由蹬冰過程中膝關節的快速伸展產生的。有研究表明，膝關節呈120°時的爆發力量素質可作為速滑運動員的代表性素質，也可將其作為提高速滑能力的重點訓練項目。同時，速滑運動員滑行時應該盡可能減小蹬冰角，以便從側向提供更大的蹬冰力量，通常男性速滑運動員和速度更快的優秀速滑運動員比女性和速度更慢的速滑運動員的下蹬角度更低。本研究結果顯示：相比于無鞋墊狀態，在直道和彎道穿著定制鞋墊滑行時，膝關節角度增加的幅度極其有限，蹬冰角度也僅有小幅度減小。由于現實滑行不同于機械運動，即便運動員保持相同的滑行速度，滑行姿態也很難保證高度的一致性，因此可以認為，姿態角度的微小變化并不是由于技術動作改變造成的。這在一定程度上說明，定制鞋墊更多的是對足底壓力和舒適性產生影響，但對其表面結構的優化與處理并不足以改變運動員滑行時的身體姿態。

4 結論與建議

4.1 結論

1. 3D打印定制速滑鞋墊能在不改變運動員原有滑行姿態特征的基礎上，提高足部的主觀舒適度，達到了設計的初衷，是功能性矯形鞋墊設計與制造方法在冬季體育工程領域的延伸與嘗試。

2. 3D打印定制速滑鞋墊通過增大足底同鞋內底的接觸面積，降低足底區域的局部壓強，改善滑冰過程中局部應力過于集中的問題，對于降低足部損傷風險具有正向意義。

3. 3D打印定制速滑鞋墊增加了運動員足中區域峰值力，使足弓區域在發揮生理性緩沖功能基礎上，更進一步參與到蹬冰發力過程中，實現了足弓區域蹬冰力向地面的主動輸出。

4.2 建議

1. 由于本研究持續時間較短，未能驗證運動員長時間穿著速滑鞋墊進行訓練后，足底壓力和下肢運動學參數的改變情況，后續有待于繼續研究驗證。

2. 可將3D打印定制速滑鞋墊作為青少年速滑運動員從普通滑冰鞋向專業定制滑冰鞋過渡的輔助裝備，推動定制化速滑鞋墊在專業訓練和體育教學中的普及，并不斷向低成本方向改進。

3. 本研究設計制作的3D打印定制鞋墊是以速度滑冰項目為基準，今后可作為輔助運動裝備，將其設計思路和制作技術向其他冬季項目進行推廣。

參考文獻：

[1] Gerbino P. Skating，Speed Skating，Figure Skating[M]Specific Sports-Related Injuries. Cham： Springer International Publishing，2022：365-377.

[2] Greenhalgh A，Chatterly F，Blewitt C，et al. Plantar pressure distribution in ice skates while gliding and standing compared to barefoot and trainer conditions[J].Baltic Journal of Health and Physical Activity，2013，5（4）：2.

[3] de Marco G，Billières J，Menetrey J. Ice Skating[J]. Injury and Health Risk Management in Sports： A Guide to Decision Making，2020：543-549.

[4] 宋麗，沈玉，肖書恒.優秀速滑運動員運動性損傷成因與預防的研究[J].冰雪運動，2011，33（3）：4-7.

[5] 趙玉珩.速度滑冰對運動員膝關節的損傷研究：以哈爾濱市體育運動學校為例[J].長春教育學院學報，2012，

28（7）：67，86.

[6] Arachchige S N K K，Chander H，Knight A. Flatfeet： Biomechanical implications，assessment and management[J].The Foot，2019，38：81-85.

[7] 徐苗苗，王琳.兒童青少年足生長發育規律及分型的研究進展[J].生物醫學工程學雜志，2017，34（4）：648-652.

[8] Wiegerinck J I，Boyd J，Yoder J C，et al. Differences in plantar loading between training shoes and racing flats at a self-selected running speed[J].Gait amp; posture，2009，29（3）：514-519.

[9] Mo S，Leung S H S，Chan Z Y S，et al. The biomechanical difference between running with traditional and 3D printed orthoses[J].Journal of sports sciences，2019，37（19）：2 191-2 197.

[10] Kim G B，Lee S，Kim H，et al. Three-dimensional printing： basic principles and applications in

基金項目：黑龍江省省屬科研院所科研業務費項目（CZKYF2022-1-C039）。

第一作者簡介：姜雪莉（1987-），女，黑龍江哈爾濱人，碩士，助理研究員，研究方向為運動訓練監控。

通信作者：朱 明（1982-），男，黑龍江哈爾濱人，碩士，副研究員，研究方向為運動生物力學。