基于壓力和溫濕度的檢測系統(tǒng)對不同功能性鞋的評價研究

賈瀟然，卜婉君，孫潤軍*

（1.西安工程大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.西安工程大學(xué)省部共建智能紡織材料與制品國家重點實驗室（培育），陜西 西安 710048）

0 引言

隨著生活水平的提高，人們對鞋靴的關(guān)注點逐漸轉(zhuǎn)移到了舒適性和功能性上[1]。在實際穿著中，我們腳部會感受到鞋子帶來的壓力和鞋內(nèi)的溫濕度，若腳部長期受力不合理，容易導(dǎo)致足部變形或損傷，而當(dāng)溫濕度失衡會使足部真菌感染，引發(fā)皮膚疾病[2]，這也是鞋類專家和設(shè)計者在改善鞋子舒適性和功能性時重點注意的三個因素[3]。因此，如何準(zhǔn)確的檢測鞋子是否合格，是否符合設(shè)計的要求就成了一項重要的任務(wù)。

目前針對鞋的壓力和溫濕度研究眾多，但是尚未建立一個完整簡易的測量體系。趙鎧澤[4]、王天博[5]和動品牌Nike、Adidas、Reebok 等[6]制鞋公司在設(shè)計、開發(fā)產(chǎn)品時對鞋進行運動力學(xué)測試，大多是由鞋墊和測力板或測力臺作為系統(tǒng)平臺進行力學(xué)測量分析。而杜少勛等[7]對運動鞋材料的透氣性、吸濕性和保溫性等性能進行了測試研究，臺州職業(yè)技術(shù)學(xué)院通過測量鞋腔溫濕度來描繪鞋腔內(nèi)溫濕度曲線，張亞文[8]測試和足底壓力測試來對鞋子進行研究，但是該實驗中對溫濕度和壓力測試的研究裝置不是一體化的。作為一個綜合性強的穿著物，鞋子內(nèi)部環(huán)境的測量應(yīng)該一體化，同時檢測出足底壓力及溫濕度三要素的數(shù)據(jù)。

因此，本文自主研發(fā)將壓力、溫度和濕度數(shù)據(jù)采集一體化的鞋類舒適性檢測系統(tǒng)，測量籃球鞋和慢跑鞋在不同運動狀態(tài)下的受力和溫濕度的變化情況，分析這三個因素對鞋子功能性的影響，并建立相應(yīng)數(shù)據(jù)模型，為消費者和制鞋者提供客觀、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析支持。

1 實驗部分

1.1 設(shè)備與材料

1.1.1 試驗準(zhǔn)備設(shè)備

測試儀器包括薄膜式壓力傳感器（IMS-C15A）、溫濕度傳感器（AHT20）、控制及發(fā)送模塊（ARDIUNO NANO，ZIGBEE 模塊）、鞋墊和家用跑步機。

實驗開始前,將壓力傳感器和溫濕度傳感器嵌入鞋墊之中，再將控制器、發(fā)送模塊及電源進行連接，控制采樣頻率為0.25s檢測一次，制作成一個檢測設(shè)備。本文通過將鞋底分為如圖1（a）所示五個區(qū)域測量壓力，在足弓處測量溫濕度，組建為一個檢測鞋內(nèi)環(huán)境的平臺，將除鞋墊外其余組件組裝綁在小腿上，如圖1（b）所示。邏輯上該裝置如圖2 所示，當(dāng)試驗者運動或者靜止時進行數(shù)據(jù)監(jiān)測，將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過無線方式進行發(fā)送傳輸，最后電腦接收數(shù)據(jù)。

圖1 （a）足底分布區(qū)示意圖，（b）鞋子壓力數(shù)據(jù)收集裝置

圖2 鞋子壓力及溫濕度測量開發(fā)研究圖

1.1.2 試驗用鞋

本次實驗中選取兩雙已知制作材料的不同功能性的鞋子作為實驗用鞋，如圖3 所示，鞋1（左）、鞋2（右）分別為慢跑鞋和籃球鞋，以便能更加方便的分析出每種鞋子在不同環(huán)境下帶給使用者的舒適度感受。

圖3 鞋1（左）、鞋2（右）

1.2 試驗方法

試驗開始時，先將嵌入傳感器的鞋墊放入鞋子中，試驗者穿上鞋子，靜坐1 min 以保證鞋腔內(nèi)的溫濕度達到正常腳內(nèi)溫濕度，再開通電源進行數(shù)據(jù)測量。

（1）為了證明本次開發(fā)使用的檢測裝置可行有效，本文分別采用了兩名體重相似但腳型分別為高弓足和正常足的試驗者來檢測壓力傳感數(shù)據(jù)，通過觀察判斷是否能分析出正確的腳型結(jié)論。

（2）本次試驗采取兩種不同功能鞋子在三種不同運動狀態(tài)下進行檢測，分別為靜坐、步行、跑步，為了更好的控制變量，該試驗選擇了一名25 歲男學(xué)生，身高185 cm，體重86 kg，試驗的安排分別為靜坐測試時間5 min；步行以3 km/h 的速度測試5 分鐘；慢跑以6 km/h 的速度測試5 min。每次試驗結(jié)束后，試驗者休息一段時間，保證腳部環(huán)境干燥，同時將試驗用鞋放在通風(fēng)處，以保證下次試驗時的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同腳型的壓力測量分析

首先對兩位體重相似但具有不同腳型的兩位男志愿者進行了足底受力點測試，如圖4 所示。本結(jié)果顯示高弓足的足底區(qū)域受力大小有顯著性差異，大小依次排列為足弓下區(qū)、腳后跟和足前鋒。而正常足的足底受力較為均勻，但受力區(qū)域有所不同，主要分布在足弓上部靠外區(qū)、足弓下區(qū)和腳后跟，此分析結(jié)果與羅[9]等一致。為了進一步判斷利用該裝置得出的腳型結(jié)果是否正確，我們對比醫(yī)生對兩位志愿者的腳型判斷，結(jié)論與本實驗結(jié)果符合。所以本研究自主開發(fā)的檢測裝置是可行的，而且該裝置可以盲測出使用者的腳型以及在足底各個區(qū)域的受力信息。

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2.2 兩種鞋的壓力分布及溫濕度變化

2.2.1 靜止時

圖5 為志愿者保持腿部以下部分放松不動靜坐時的數(shù)據(jù)圖。從圖5（a）可知，穿籃球鞋靜坐時腳部整體受力更加集中，足弓下區(qū)和腳后跟的受力大小明顯比其他區(qū)域受力更大，說明了靜坐時實驗者的腳腕彎曲度大于或等于直角，導(dǎo)致鞋底受力整體后移，該現(xiàn)象與該籃球鞋對于在運動時對腳部的穩(wěn)定性以及踝關(guān)節(jié)的保護性能相符[10]。結(jié)合志愿者認(rèn)為籃球鞋在靜坐時受力很舒服的感受，得出壓力分布越集中，接觸面積越大，人在穿著時會感覺越舒適，與宋玉花[11]的足部壓力測試實驗一致。而慢跑鞋在靜坐狀態(tài)下的受力與籃球鞋的差異較為顯著，圖5（b）中可以看出慢跑鞋的受力主要集中在足弓下區(qū)和足弓上部靠外區(qū)，說明了志愿者在放松狀態(tài)下穿著慢跑鞋靜坐時腳腕處形成的角度小于等于直角，導(dǎo)致整體力向前偏移，這也導(dǎo)致在測量時志愿者描述自己會有將腳伸直或者蜷縮的感覺，即以不標(biāo)準(zhǔn)的姿勢坐在椅子上的趨勢[12]。其次對兩種鞋在靜坐狀態(tài)下研究溫濕度隨時間的變化關(guān)系，可以明顯看出慢跑鞋的溫度比籃球鞋稍低且濕度較小。參考鞋子制作材料發(fā)現(xiàn)，籃球鞋在材料的選擇上更加注重吸濕，而慢跑鞋在材料的選擇上更注重透氣，且籃球鞋的制作工藝要求籃球鞋更加厚重，能夠給使用者提供更多的安全保障，慢跑鞋則更注重透氣涼爽，能夠在運動時及時的將汗液通過氣體交換進行排出，所以在靜坐時慢跑鞋會不如籃球鞋的保溫性高。

圖5 籃球鞋（a）和慢跑鞋（b）足底分區(qū)壓力大小隨時間的變化曲線和兩種鞋的溫度（c）和濕度（d）隨時間的變化曲線

2.2.2 步行時

圖6（a）和（b）分別是穿籃球鞋和慢跑鞋行走時的足底受力隨時間的變化曲線圖，對比兩組圖形可看出，足底的每個受力情況有很大差異。對比兩組圖形可得出，籃球鞋的腳后跟和足弓上部靠外區(qū)這兩個區(qū)域受力時間在一個周期中時間占比很大，其他的受力區(qū)域受力到達頂峰的時間依次以足弓下區(qū)到足弓上部靠內(nèi)區(qū)最后是足前鋒的順序逐步變化，這一測力結(jié)果表明籃球鞋的足傾角較大，在步行時腳后跟受力比較多，在這一受力周期中足弓上部靠外區(qū)到達峰值的時間總是早先于足弓上部靠內(nèi)區(qū)，這一受力現(xiàn)象說明在步行時實驗者還不用使用很大的力量，結(jié)合足弓上部靠外區(qū)的受力時間在整個周期中更長，也證明了使用者還有更多的發(fā)力空間用在做急速變向運動。而穿慢跑鞋時的足弓下區(qū)受力時間很長，峰值最大，且足弓上部靠外區(qū)比足弓上部靠內(nèi)區(qū)提前到峰值的時間更加明顯，這一受力現(xiàn)象充分的說明了慢跑鞋有足夠大的彈性，使得試驗者在步行中使用的力更小，在慢跑這項運動中將更加靈活，極大的減少了著地時的足傾角，進而減少使用者在跑步時產(chǎn)生足跟損傷的概率，也應(yīng)征了試驗者在認(rèn)為穿著慢跑鞋向前跑更加舒適，而穿著籃球鞋時感覺左右變向移動更為方便的感受。圖6（c）為兩雙鞋的溫度變化圖，整體來說兩雙鞋溫度變化并不大，但籃球鞋會比慢跑鞋溫度更高一些，主要是因為籃球鞋的包裹性在設(shè)計時更強，結(jié)合從圖6（d）中分析得出籃球鞋濕度不穩(wěn)定，而慢跑鞋濕度數(shù)據(jù)相對更加穩(wěn)定[13]。

圖6 籃球鞋（a）和慢跑鞋（b）足底分區(qū)壓力大小隨時間的變化曲線和兩種鞋的溫度（c）和濕度（d）隨時間的變化曲線

2.2.3 慢跑時

圖7（a）和（b）是穿籃球鞋和慢跑鞋慢跑時的足底受力隨時間的變化曲線圖，可以看到兩雙鞋所產(chǎn)生的周期時間減少，每雙鞋的受力程度也相應(yīng)減少，證明了運動中腳底參與受力面積增加，受力均勻，使鞋的最大受力峰值減少，最為明顯的就是籃球鞋足前鋒受力從60 N 左右減少到了50 N，慢跑鞋足弓下區(qū)最大受力變?yōu)?0 N 左右，在慢跑的過程中兩雙鞋足弓上部靠內(nèi)區(qū)到達峰值時間和足弓上部靠外區(qū)達到峰值時間幾乎相似，甚至足弓上部靠內(nèi)區(qū)到達峰值時間要早于足弓上部靠外區(qū)，結(jié)合圖中顯示足弓上部靠內(nèi)區(qū)受力時間占整個受力周期的時間比變長和足弓上部靠內(nèi)區(qū)受力變大這兩點，可以分析得出足弓上部靠內(nèi)區(qū)使用力量變多，也說明腳掌與鞋底的接觸更加的緊密[14]。其次籃球鞋腳后跟的受力整體占整個受力周期時間比例較慢跑鞋大，慢跑鞋的足弓下區(qū)受力時間占整個周期的時間比較籃球鞋大，且在運動時慢跑鞋在整個受力周期中主要受力在足弓下區(qū)和足弓上部靠外區(qū)，故此慢跑鞋在慢跑時的足傾角就會更小，腳在奔跑時抬起的高度更高，在慢跑這項運動中給使用者提供的幫助更大。

圖7 籃球鞋（a）和慢跑鞋（b）足底分區(qū)壓力大小隨時間的變化曲線和兩種鞋的溫度（c）和濕度（d）隨時間的變化曲線

3 結(jié)語

文章自主研發(fā)集足底受力和溫濕度一體化的數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)，通過分析測量籃球鞋和慢跑鞋在三種運動狀態(tài)下的數(shù)據(jù)得到以下結(jié)論：

（1）當(dāng)制作的鞋子整體受力偏向腳后跟與足弓下區(qū)，同時在行走和慢跑時足弓上部靠內(nèi)區(qū)壓力值到達峰值的時間與足弓外部區(qū)域到峰值時間差距小，更容易做變向等動作，如籃球鞋表現(xiàn)出這種優(yōu)勢。

（2）當(dāng)鞋子整體受力集中在足弓下區(qū)，并且行走時足弓上部靠外區(qū)壓力值到達峰值的時間提前于足弓上部靠內(nèi)區(qū)的時間，且在慢跑時到達峰值時間幾乎相同，此時的鞋子足傾角較小，更適合做奔跑等周期性持續(xù)運動。

（3）當(dāng)使用者準(zhǔn)備做長時間的運動時選擇的鞋子應(yīng)該注重透氣性，而如果是短時間的運動時可以更注重吸濕性。

設(shè)計一雙合適的鞋，必須考慮到足部的生理情況和合適的鞋子材料，本研究可為消費者試鞋時提供嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目蒲幸罁?jù)，同時幫助鞋類設(shè)計者提高合理的研發(fā)建議，滿足消費者日益高漲的健康需求。