一种运动鞋仿生缓震中底的制作方法

本发明属于工程仿生技术领域，涉及一种鞋底，特别涉及一种仿鸵鸟足垫结构及材料特性的运动鞋仿生缓震中底。

背景技术：

运动鞋的缓震性能是指鞋底吸收或降低震荡波的能力，是运动鞋最主要的性能之一。目前提高运动鞋缓震性能主要从鞋底材料和鞋底结构两方面入手，但是已有的研究主要是面向整个足部，且效果有限。很少有研究将前掌区及后跟区的材料选取与结构设计作为重点，缓震问题还没有得到根治，而运动中前掌区和后跟区最容易发生运动损伤，有效分散这两个区域的压力，成为高性能缓震运动鞋中底设计的关键，具有优异缓震性能的运动鞋中底研制势在必行。

鸵鸟生活在沙漠及荒原地区，是现存最大的双足平胸鸟类，它不会飞行，但具有极强的奔跑能力，能以60km/h的速度奔跑30min而不感觉疲惫，冲刺速度可以达到80km/h，是名不虚传的赛跑健将。研究发现，鸵鸟足优异的缓冲性能主要归因于其独特的足部结构，鸵鸟足仅有两趾(第ⅲ趾和第ⅳ趾)，并且两趾下方都覆盖有厚厚的足垫，在高速奔跑触地过程中，足部与地面发生接触产生巨大的冲击，足垫受压并通过自身形变特点，起到重要的缓冲作用。当鸵鸟足部离地瞬间，受压的足垫恢复原状，保证身体组织免受运动损伤。

技术实现要素：

本发明提供了一种运动鞋仿生缓震中底，从鸵鸟高速奔跑时，足垫具有优异的缓冲性能获得启发，提取鸵鸟足垫缓冲特性关键要素，通过工程仿生学原理，对缓震鞋底进行有针对性的仿生设计，采用鸵鸟足第ⅲ趾的仿生设计，可大大改善运动鞋的缓震效果。

本发明设计思路来源于鸵鸟足第ⅲ趾的足垫，根据足垫的结构、材料和功能，设计了仿生缓震运动鞋中底。通过对鸵鸟足部大体解剖研究发现，鸵鸟足仅存二趾，即第ⅲ趾和第ⅳ趾。第ⅲ趾比较发达，并且趾底形成厚大的足垫，足垫由内层、中间层及外层三层结构组成。通过对内层结构进行石蜡切片组织形态分析发现，存在大量的弹性纤维及胶原纤维，能够承受较大的牵扯作用，并且内层结构中存在大量脂肪细胞，起到储能及缓冲的作用。当鸵鸟高速奔跑时，鸵鸟足第ⅲ趾起到良好的缓冲作用，能够有效削弱地面冲击，对足部骨骼肌肉系统起到重要的保护作用。通过鸵鸟触地过程数值模拟，对足垫缓冲机理进行分析，研究发现这种优异的缓冲特性是源于足垫的材料和结构以及相互组装关系。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

一种运动鞋仿生缓震中底，包括缓震前掌区、缓震后跟区；所述缓震前掌区包括前掌缓震内层结构、前掌中间层过渡结构以及前掌外层承压结构，前掌缓震内层结构位于前掌外层承压结构内部，前掌中间层过渡结构填充在前掌外层承压结构与前掌缓震内层结构之间；缓震后跟区包括后跟缓震内层结构、后跟中间层过渡结构以及后跟外层承压结构，后跟缓震内层结构位于后跟外层承压结构内部，后跟中间层过渡结构填充在后跟外层承压结构与后跟缓震内层结构之间。

所述的一种运动鞋仿生缓震中底，前掌中间层过渡结构与前掌外层承压结构的厚度比例为1:1；后跟中间层过渡结构与后跟外层承压结构的厚度比例为1:1。

所述的一种运动鞋仿生缓震中底，前掌缓震内层结构包括依次并列设置的一号内层缓震结构、二号内层缓震结构、三号内层缓震结构；一号内层缓震结构、二号内层缓震结构及三号内层缓震结构之间的宽度比为3:6:5，厚度比为5:8:7，长度比为10:14:13。

所述的一种运动鞋仿生缓震中底，一号内层缓震结构与二号内层缓震结构的间距为6mm，二号内层缓震结构与三号内层缓震结构的间距为6mm。

所述的一种运动鞋仿生缓震中底，后跟缓震内层结构包括依次并列设置的四号内层缓震结构、五号内层缓震结、六号内层缓震结构；四号内层缓震结构、五号内层缓震结、六号内层缓震结构之间的宽度比为3:6:5，厚度比为5:8:7，长度比为10:14:13。

所述的一种运动鞋仿生缓震中底，四号内层缓震结构与五号内层缓震结的间距为3mm，五号内层缓震结与六号内层缓震结构的间距为3mm。

所述的一种运动鞋仿生缓震中底，前掌内层缓震结构、前掌中间层过渡结构、前掌外层承压结构分别采用不同硬度的硅胶材质组合而成，且三者硅胶材料的邵氏硬度比例为6:8:13。

所述的一种运动鞋仿生缓震中底，后跟内层缓震结构、后跟中间层过渡结构、后跟外层承压结构分别采用不同硬度的硅胶材质组合而成，且三者硅胶材料的邵氏硬度比例为6:8:13。

本发明司法自然，从鸵鸟高速奔跑时，足垫具有优异的缓冲性能获得启发，提取鸵鸟足垫缓冲特性关键要素，通过工程仿生学原理，对缓震鞋底进行有针对性的仿生设计，设计出一种运动鞋仿生缓震中底，采用鸵鸟足第ⅲ趾的仿生设计，可大大改善运动鞋的缓震效果。

附图说明

图1是本发明的轴测透视图

图2是本发明的俯视透视图

图3是本发明的主视透视图

图中：

1-一号内层缓震结构，2-二号内层缓震结构，3-三号内层缓震结构，4-前掌中间层过渡结构，5-前掌外层承压结构，6-四号内层缓震结构，7-五号内层缓震结构，8-六号内层缓震结构，9-后跟中间层过渡结构，10-后跟外层承压结构

具体实施方式

以下结合附图详细介绍本发明技术方案：

本发明涉及运动鞋仿生缓震中底，并且主要对前掌区和后跟区进行有针对性的仿生设计，将前掌区和后跟区均分为内层缓震结构、中间层过渡结构及外层承压结构。根据鸵鸟足第ⅲ趾下方的足垫及内部三条趾缓冲垫尺寸，将鞋底前掌区和后跟区进行尺寸转化，并保证鞋底内层缓震结构在前掌区及后跟区的占比与鸵鸟足趾缓冲垫在足垫的占比近似相等。外层承压结构是通过对普通鞋底进行三维激光扫描，得到其轮廓曲线拉伸而成，拉伸厚度为普通运动鞋中底厚度。根据外层轮廓，向中间进行拉伸，完成中间层过渡结构设计。其中，中间层过渡结构与外层承压结构的厚度比例为1:1。

参阅图1、图2，一种运动鞋仿生缓震中底，其从前至后依次包括足趾区、缓震前掌区、足弓区以及缓震后跟区；缓震前掌区包括前掌缓震内层结构、前掌中间层过渡结构4以及前掌外层承压结构5，前掌外层承压结构5与普通运动鞋中底厚度相同，前掌缓震内层结构位于前掌外层承压结构5内部，前掌中间层过渡结构4填充在前掌外层承压结构5与前掌缓震内层结构之间，前掌中间层过渡结构4与前掌外层承压结构5的厚度比例为1:1。前掌缓震内层结构包括依次并列设置的一号内层缓震结构1、二号内层缓震结构2、三号内层缓震结构3，一号内层缓震结构1、二号内层缓震结构2及三号内层缓震结构3的宽度比为3:6:5，厚度比为5:8:7，长度比为10:14:13，一号内层缓震结构1与二号内层缓震结构2的间距设置为6mm，二号内层缓震结构2与三号内层缓震结构3的间距设置为6mm。缓震后跟区采用相同的结构形式组装而成，包括后跟缓震内层结构、后跟中间层过渡结构9以及后跟外层承压结构10，后跟外层承压结构10同样与普通运动鞋中底厚度相同，后跟缓震内层结构位于后跟外层承压结构10内部，后跟中间层过渡结构9填充在后跟外层承压结构10与后跟缓震内层结构之间，后跟中间层过渡结构4与后跟外层承压结构5的厚度比例为1:1。后跟缓震内层结构包括依次并列设置的四号内层缓震结构6、五号内层缓震结7、六号内层缓震结构8，四号内层缓震结构6、五号内层缓震结7、六号内层缓震结构8的宽度比为3:6:5，厚度比为5:8:7，长度比为10:14:13，与前掌缓震内层结构的比例设置相同，区别是根据缓震后跟区空间大小，四号内层缓震结构6与五号内层缓震结7的间距为3mm，五号内层缓震结7与六号内层缓震结构8的间距为3mm。

由于硅胶材料具有质地柔软、回弹性高、冲击吸收特性优异以及无毒副作用等优势，正在逐渐打破传统，变身成为新型鞋底材料，使柔软舒适且环保无味的鞋底设计成为可能。缓震前掌区及缓震后跟区的内层缓震结构、中间层过渡结构及外层承压结构均分别采用不同硬度的硅胶材质组合而成，其硬度是根据鸵鸟足垫各层结构的硬度分布，选取相同硬度比例的硅胶材质进行模拟，并经组装制成，从而实现优良的缓冲性能和回弹性能，保证弹力的均匀性、鞋底的耐用度，并降低鞋底的疲劳磨损。其中外层承压结构的邵氏硬度与普通运动鞋底相同，并且内层缓震结构、中间层过渡结构、外层承压结构材料的邵氏硬度比例为6:8:13。

缓震前掌区和缓震后跟区形成两个关键的缓震区，足弓区及足趾区则选用硬质硅胶材质，即与普通鞋底硬度相同，以增加鞋底的承重及耐用度，并且在受力较大区域具有一定弹性，这样前掌区及后跟区受压过程中会通过形变吸收能量，对足部骨骼肌肉系统起到重要的缓震作用。当运动着地时，鞋中底受压收缩，对足部形成缓冲，降低足部受伤几率；当足部抬起时，鞋中底伸展产生的弹力会对足部起到助推作用，产生一个较大的水平推力，使穿着者起跑更为省力，同时减缓载荷的变化速率，降低冲击的能量释放，增加对足部的保护作用。

使用热熔胶枪将鞋帮分别与两种鞋底黏贴在一起，得到试验用自制运动鞋。通过f-scan鞋垫式足底压力测试系统对受试者穿着具有仿生鞋底和普通鞋底的运动鞋进行常速行走及慢跑两种运动状态下的测试，采集前掌区及后跟区的峰值压强、峰值压力、均值压强、压力-时间积分以及压强-时间积分，进行鞋底缓震性能量化分析。研究发现，与普通鞋底相比，在常速行走状态下，前掌区和后跟区的峰值压强分别下降10.59％和12.27％，均值压强分别下降7.95％和8.92％，峰值压力分别下降10.31％和16.03％，压力-时间积分分别下降12.66％和3.06％；在慢跑状态下，前掌区和后跟区的峰值压强分别下降8.35％和6.04％，均值压强分别下降7.88％和7.36％，峰值压力分别下降8.62％和14.47％，压力-时间积分分别下降6.91％和5.72％，适合广泛的推广和使用。