3D 打印在鞋類產(chǎn)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(fā)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(chǎn)品的主要推動力。然而，現(xiàn)代人類生活方式的轉(zhuǎn)變和健康產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，讓越來越多的人意識到，足部以及身體健康和鞋類產(chǎn)品之間的密切關系?！靶文_（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(jié)合現(xiàn)今3D 打印技術，及其相關數(shù)字化生產(chǎn)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(jù)推斷可能早在三至四萬年前就已經(jīng)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(fā)現(xiàn)最早的涼鞋實物證據(jù)。這些由山艾樹皮制成的涼鞋，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，有5500 年的歷史。這雙內(nèi)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(fā)現(xiàn)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?！边@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?！?/p>

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(qū)域都出現(xiàn)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(xiàn)到階級身份載體的轉(zhuǎn)化，隨著人類社會物質(zhì)和經(jīng)濟的發(fā)展，以及世界各地手工制鞋業(yè)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(xiàn)了限制其高度在3 英寸之內(nèi)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(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展，制鞋業(yè)也逐漸從手工藝定制逐漸向大批量工業(yè)生產(chǎn)轉(zhuǎn)型。在工業(yè)化生產(chǎn)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(tǒng)手工制鞋技術，大多數(shù)國家的鞋業(yè)制造已經(jīng)機械化和批量化了。雖然工業(yè)化生產(chǎn)極大地提高了生產(chǎn)效率，并且豐富了鞋具的產(chǎn)品品類，但是隨著我們對足部健康的深入研究發(fā)現(xiàn)，人類的足部形態(tài)千差萬別，批量化生產(chǎn)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(jié)構(gòu)的鞋具，還會產(chǎn)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(jié)以及大量肌肉、肌腱、韌帶和軟骨等組織構(gòu)成，它們一起構(gòu)成了足部復雜的力學結(jié)構(gòu)。足部是人類活動與地面的接觸始端，足部和踝關節(jié)緊密相連，構(gòu)成整個下肢運動系統(tǒng)，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(fā)現(xiàn)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(tài)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(fā)膝蓋疼痛，嚴重的會出現(xiàn)膝關節(jié)炎、跟腱炎、足底筋膜炎等并發(fā)癥；從水平面看，人類自然的腳型是扇形，而長期穿著現(xiàn)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(jié)構(gòu)發(fā)生變化，造成其余骨骼排列發(fā)生變化。這和制鞋業(yè)長期使用相同尖頭鞋楦進行批量化生產(chǎn)有密不可分的關系。我們的足部在靜態(tài)情況下需要為身體提供穩(wěn)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(tài)的變形，還會使本應起到穩(wěn)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(lián)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(tài)，但6 歲以后還未形成正常的足弓則被視為病理狀態(tài)。生長發(fā)育期的兒童平足，如未經(jīng)治療或治療不當，會引起下肢力線異常排列，誘發(fā)足部畸形，引起步態(tài)失調(diào)[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(xiàn)如拇趾外翻、扁平足、足底板前掌老繭數(shù)量增多等足部形態(tài)變化[2]。這些問題根據(jù)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(shù)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(tǒng)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(jīng)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(gòu)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(shù)字模型轉(zhuǎn)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(shù)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(jié)合為實體模型。因材料和技術不同，成型方式可能是半固態(tài)擠出、液態(tài)固化或粉末燒結(jié)等。在《3D 打印與工業(yè)制造》一書中對比傳統(tǒng)制造業(yè)，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(tǒng)手工制鞋工藝流程中長期依賴于制楦師傅的經(jīng)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(yè)工業(yè)批量化后，鞋楦的生產(chǎn)也由手工刻楦發(fā)展到機械銑削刻楦。即在工業(yè)化批量生產(chǎn)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(chǎn)方式和對時尚社交的盲從，也是造成現(xiàn)今足部問題的重要原因。

目前市場上已經(jīng)出現(xiàn)了多種以足部健康為設計出發(fā)點的相關產(chǎn)品。比如，模擬赤腳行走跑步的“赤腳鞋（Barefootshoes）”，其中以Vibram 公司生產(chǎn)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(chǎn)了前部較寬，鞋頭扁平，可較好支撐和穩(wěn)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(shù)字技術，Telic 公司開發(fā)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(fā)的第一款產(chǎn)品就是古埃及時代就出現(xiàn)的人字拖（見圖5）。

圖5 Telic 開發(fā)的3D 打印人字拖

結(jié)語

人類使用工具進行造物的歷史已久。但隨著社會發(fā)展，當產(chǎn)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(yī)療健康領域的眾多研究都表明，長期穿著不適合足部結(jié)構(gòu)的鞋具會對人體健康產(chǎn)生諸多危害，而3D 打印技術產(chǎn)品化和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化相關技術的發(fā)展，給傳統(tǒng)鞋具制造帶來了新的機遇。在產(chǎn)品設計環(huán)節(jié)，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(chǎn)，或許會成為未來鞋類產(chǎn)品的一種可能性。