運(yùn)動(dòng)襪的生物力學(xué)研究進(jìn)展

李吉如，梁東梅 ，廖紅娟

1 前言

長期以來人們認(rèn)為足主要依靠鞋來保護(hù)，但實(shí)際上襪子與足的關(guān)系是最密切的，運(yùn)動(dòng)襪除了保溫外，亦可以緩沖行走或運(yùn)動(dòng)時(shí)足所受到?jīng)_擊的力、減少足—鞋間因摩擦而產(chǎn)生的不舒適感等。在中國知網(wǎng)以“運(yùn)動(dòng)襪”為主題詞或關(guān)鍵詞搜索相關(guān)文獻(xiàn)，僅有79篇相關(guān)文獻(xiàn)，研究的內(nèi)容也主要集中在輕工業(yè)的材料領(lǐng)域，僅有幾篇與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的文獻(xiàn)，內(nèi)容也是局限在襪機(jī)的工藝改造[1]和襪子舒適性[2]和附加功能性運(yùn)動(dòng)襪[3]的研究，可以說針對(duì)各個(gè)項(xiàng)目與運(yùn)動(dòng)相關(guān)的研究更是少之又少，支歡歡[4]在對(duì)徒步功能運(yùn)動(dòng)襪消費(fèi)者需求的調(diào)查研究中指出，人們對(duì)徒步功能襪的首選因素是舒適性，其次是功能防護(hù)性，要想做好更好的防護(hù)性，需要運(yùn)動(dòng)襪的生產(chǎn)者對(duì)運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的特點(diǎn)有一定的認(rèn)知，這樣結(jié)合生產(chǎn)出來的運(yùn)動(dòng)襪才能更加符合運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。而在文獻(xiàn)中，對(duì)與運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目相結(jié)合、符合運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目特點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)襪的研究更是鳳毛麟角，有待有興趣的相關(guān)研究人員介入。

2 足的生物力學(xué)

人體足部是人體承重和活動(dòng)的重要器官，對(duì)足部的保護(hù)措施一直是人們研究的重要方向，而鞋—襪子是保護(hù)足部的關(guān)鍵要素。足是人體的運(yùn)動(dòng)器官，主要由肌肉、骨骼、韌帶、血管、神經(jīng)和皮膚等結(jié)構(gòu)組成，人體在站立或運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過足底的各個(gè)關(guān)節(jié)依次傳遞力。足具有獨(dú)特的性能，在需要時(shí)能使26塊骨變成單一的固定單位，使足成為剛體，完成各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)需要，也在能在需要時(shí)像赤腳爬坡時(shí)那樣，變得十分靈活。足在運(yùn)動(dòng)中，骨骼處于被動(dòng)的地位，附著在骨上的肌肉進(jìn)行收縮或舒張作用，才能完成運(yùn)動(dòng)。足部關(guān)節(jié)的受力情況也會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)的情況的變化發(fā)生變化，足與襪子、鞋的摩擦力也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，襪子過緊會(huì)產(chǎn)生壓迫，過松會(huì)增大摩擦力且容易滑脫。因此，對(duì)運(yùn)動(dòng)襪的性能提出了更高的要求，特別是人體進(jìn)行更加激烈的運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)襪子的作用力會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)激烈出層度的加大而加大。

3 運(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)襪的面料方面，國內(nèi)外都在進(jìn)行相關(guān)的研究，并且有了一定的進(jìn)展?？偟膩碚f，國外的研究成果比較突出，而國內(nèi)自主研究還不是很成熟，整體產(chǎn)品呈現(xiàn)趨同化，大多照搬西方的技術(shù)。Herring[5]等人對(duì)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(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的潮氣，且比腈綸高出10倍的“保濕”效果。而在運(yùn)動(dòng)汗?jié)窈螅蘅梢栽黾?0%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(duì)足的影響，發(fā)現(xiàn)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(yōu)越性。而在其另一項(xiàng)研究中卻發(fā)現(xiàn)：應(yīng)用這兩種材料作為襪底的填充材料時(shí)，兩者在改變跑步者運(yùn)動(dòng)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(rèn)為，更薄的襪底構(gòu)造將沒有足夠的密度以形成有效的足底墊強(qiáng)度來消散剪切力。Knapik[7-8]在其研究中發(fā)現(xiàn)穿著含有腈綸的襪子可以降低跑步運(yùn)動(dòng)員足部起泡現(xiàn)象，而薄的滌綸內(nèi)襪配合厚的毛絨或腈綸襪子在汗?jié)窈笠嗫梢越档退莸陌l(fā)生。而Delporte[9]在其研究中發(fā)現(xiàn)使用纖維制作的襪子可以使水泡的發(fā)生機(jī)率降低90%左右。Watanabe K[10]通過對(duì)不同材料制成的襪子對(duì)足部真菌感染的預(yù)防性功效分析中發(fā)現(xiàn)；使用尼龍襪和棉襪在預(yù)防足部真菌感染方面是不安全的，而毛絨襪效果相對(duì)好一些。但Purvis AJ[11]對(duì)不對(duì)稱的襪子和標(biāo)準(zhǔn)的襪子的研究中發(fā)現(xiàn)，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(xué)特性的研究

襪子—足—鞋間摩擦力的性質(zhì)對(duì)足的舒適感和足損傷的發(fā)生機(jī)率有很明顯的作用。而在行走或運(yùn)動(dòng)過程中足所受到的剪切力是產(chǎn)生水泡、潰瘍等足部疾病的重要力學(xué)因素。為了降低足部損傷的發(fā)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(shù)的襪子來降低足底壓力和剪切應(yīng)力，但目前國內(nèi)幾乎沒有對(duì)襪子—足—鞋間的摩擦力性質(zhì)、襪子在改變足底壓力及剪切應(yīng)力等方面作用效果進(jìn)行研究。通過對(duì)外文文獻(xiàn)的查閱，可以發(fā)現(xiàn)，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(xué)因素及其應(yīng)用的功效性進(jìn)行了一系列的分析研究，以致使一些具有特殊功能的運(yùn)動(dòng)襪的生產(chǎn)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(zhì)。通過穿著摩擦系數(shù)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(nèi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，但過多的運(yùn)動(dòng)又會(huì)產(chǎn)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(fā)生擦傷。Sanders[13]應(yīng)用有限元分析法測試了皮膚與襪子間的靜摩擦系數(shù)，通過襪子對(duì)材料的自然屬性與皮膚、襪子間的靜摩擦系數(shù)的測定，指出材料不同會(huì)直接影響足—襪子間的摩擦力及足所受的剪切應(yīng)力的性質(zhì)，且襪子不同部位亦應(yīng)用具有不同的摩擦系數(shù)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(dòng)力學(xué)特征，其在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：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(yīng)用3-D有限元分析法對(duì)正常人在行走過程中的支撐階段的動(dòng)態(tài)足底壓力和剪切應(yīng)力進(jìn)行了分析，通過穿著兩接觸面間不同摩擦系數(shù)的襪子，對(duì)襪子—足—鞋三者間不同的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，進(jìn)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(fā)生率。實(shí)驗(yàn)中通過對(duì)光腳(與鞋的摩擦系數(shù)為0.54)和穿著兩種接觸面間具有相反摩擦系數(shù)的襪子1(與足的摩擦系數(shù)為0.54，而與鞋的摩擦系數(shù)為0.04)和襪子2(與足的摩擦系數(shù)為0.04，而與鞋的摩擦系數(shù)為0.54)三種條件下行走時(shí)足受到的剪切力變化中發(fā)現(xiàn)：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(yīng)力。穿與鞋摩擦系數(shù)小的襪子1，使后足的剪切應(yīng)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(shù)小、與鞋摩擦系數(shù)大的襪子2則更能明顯減小足所受的剪切應(yīng)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(qū)，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(chǎn)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(nèi)具有向前滑動(dòng)的趨勢，如果這趨勢被鞋的摩擦力完全阻止，則會(huì)產(chǎn)生極高的剪切力。使足部皮膚受到磨損，產(chǎn)生水泡和潰瘍。如果足在鞋內(nèi)允許有輕微的滑動(dòng)，那么就可以明顯減小剪切力，從而降低足損傷發(fā)生的幾率。 Hosein 和Lord[16]的研究中發(fā)現(xiàn)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(yīng)力明顯降低。而Wong PY.[17]在內(nèi)底襪(silicone—insole socks)改變足底壓力和剪切應(yīng)力的作用研究中將光腳和穿100%棉襪與內(nèi)底襪進(jìn)行了對(duì)比分析。通過對(duì)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(yīng)力的測試中發(fā)現(xiàn)：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(nèi)底襪在減小水平剪切作用力的作用更為明顯。S.J Howarth[18]對(duì)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(shí)，必須要考慮不同材料的自然屬性，不同纖維在被拉長時(shí)可表現(xiàn)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(yùn)動(dòng)襪的應(yīng)用研究

足部損傷對(duì)糖尿病患者來說甚為普遍，mydield[19]、phillio[20]s及scheffler[21]等人在對(duì)糖尿病足的研究中指出：對(duì)糖尿病患者的足部護(hù)理不僅包含合適的鞋和鞋墊。亦需考慮到襪子對(duì)足的保護(hù)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(duì)高危糖尿病足的保護(hù)作用進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并得出襪子可以作為能夠有效緩解和保護(hù)糖尿病足的一種方式進(jìn)行應(yīng)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(xù)幾個(gè)月。Yi Ching Tsai[24]也通過對(duì)使用不同材料的襪子和鞋對(duì)糖尿病患者足底壓力特征進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，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(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)受試者足的特點(diǎn)和需求，在相應(yīng)的部位使用與之要求相一致的材料。而Banchellini[25]在襪子對(duì)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(yīng)用到襪子的設(shè)計(jì)中。通過對(duì)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(duì)各指標(biāo)前后測試過程中發(fā)現(xiàn)，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(yōu)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(xiàn)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(shè)計(jì)的襪子來緩解風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎患者異常的足底壓力。但Ufer C對(duì)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(fā)現(xiàn)合成纖維并未發(fā)現(xiàn)如制造商所說的具有保溫的效果。

6 結(jié)論

通過對(duì)以上文獻(xiàn)資料的分析整理可以看出，無論是國外對(duì)制作襪子材料的功能性研究，還是對(duì)襪子—足—鞋間力學(xué)特性及襪子的應(yīng)用性研究，很多生產(chǎn)廠家都是從襪子材料的自然屬性出發(fā)，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(qū)分正常人群和特殊人群足的解剖學(xué)特點(diǎn)，雖然在各生產(chǎn)廠家的資料中有提及到適合各運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的運(yùn)動(dòng)襪產(chǎn)品，但亦沒有提及其運(yùn)動(dòng)襪設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。更沒有從各不同項(xiàng)目在運(yùn)動(dòng)中足所表現(xiàn)出來的不同力學(xué)特征及不同項(xiàng)目對(duì)襪子的需求來設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)襪襪子。因此，相關(guān)科研人員可以從以下這兩個(gè)方面入手進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出符合不同項(xiàng)目特點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)襪。

6.1 各項(xiàng)目運(yùn)動(dòng)人群的足底壓力分析及各項(xiàng)目對(duì)襪子的不同需求

在行走過程中足的主要受力區(qū)為足前部和足后跟部，而在跑步運(yùn)動(dòng)過程中足的主要受力區(qū)為前足外側(cè)跖骨區(qū)及大腳趾，因此在設(shè)計(jì)襪子底墊時(shí)則可根據(jù)此特點(diǎn)選擇具有緩沖功能的材料與之相適應(yīng)。在長跑運(yùn)動(dòng)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(huán)境中運(yùn)動(dòng)，又要及時(shí)將足在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的熱量及時(shí)散發(fā)出去，避免足部溫度過高。因此，根據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)及足所表現(xiàn)出來的力學(xué)特性來設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)襪才能更為符合運(yùn)動(dòng)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(shù)，從而使足與襪子更好的契合，形成整體，保證足在鞋內(nèi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的空間，并能提供足夠的應(yīng)力來完成各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)。