运动袜的生物力学研究进展

李吉如，梁东梅 ，廖红娟

1 前言

长期以来人们认为足主要依靠鞋来保护，但实际上袜子与足的关系是最密切的，运动袜除了保温外，亦可以缓冲行走或运动时足所受到冲击的力、减少足—鞋间因摩擦而产生的不舒适感等。在中国知网以“运动袜”为主题词或关键词搜索相关文献，仅有79篇相关文献，研究的内容也主要集中在轻工业的材料领域，仅有几篇与运动有关的文献，内容也是局限在袜机的工艺改造[1]和袜子舒适性[2]和附加功能性运动袜[3]的研究，可以说针对各个项目与运动相关的研究更是少之又少，支欢欢[4]在对徒步功能运动袜消费者需求的调查研究中指出，人们对徒步功能袜的首选因素是舒适性，其次是功能防护性，要想做好更好的防护性，需要运动袜的生产者对运动项目的特点有一定的认知，这样结合生产出来的运动袜才能更加符合运动特点。而在文献中，对与运动项目相结合、符合运动项目特点的运动袜的研究更是凤毛麟角，有待有兴趣的相关研究人员介入。

2 足的生物力学

人体足部是人体承重和活动的重要器官，对足部的保护措施一直是人们研究的重要方向，而鞋—袜子是保护足部的关键要素。足是人体的运动器官，主要由肌肉、骨骼、韧带、血管、神经和皮肤等结构组成，人体在站立或运动时，通过足底的各个关节依次传递力。足具有独特的性能，在需要时能使26块骨变成单一的固定单位，使足成为刚体，完成各项运动需要，也在能在需要时像赤脚爬坡时那样，变得十分灵活。足在运动中，骨骼处于被动的地位，附着在骨上的肌肉进行收缩或舒张作用，才能完成运动。足部关节的受力情况也会随着运动的情况的变化发生变化，足与袜子、鞋的摩擦力也会发生相应的变化，袜子过紧会产生压迫，过松会增大摩擦力且容易滑脱。因此，对运动袜的性能提出了更高的要求，特别是人体进行更加激烈的运动时对袜子的作用力会随着运动激烈出层度的加大而加大。

3 运动袜材料的属性研究

制作袜子的材料很重要，不同材料具有各自不同的自然属性，其所具有的功效亦不同。近些年来，针对运动袜的面料方面，国内外都在进行相关的研究，并且有了一定的进展。总的来说，国外的研究成果比较突出，而国内自主研究还不是很成熟，整体产品呈现趋同化，大多照搬西方的技术。Herring[5]等人对棉、毛绒、尼龙、腈纶四种材料的自然属性的研究中得出：腈纶与棉相比，不易变形，不易被拉长、但除湿效果差。棉、毛绒可以比腈纶多吸收2倍因运动而产生的潮气，且比腈纶高出10倍的“保湿”效果。而在运动汗湿后，棉可以增加30%的抗阻能力，而尼龙的抗阻力能力减小10%，腈纶减小20%，而毛绒则要减小25%。在Herring KM[6]的研究中，100%的腈纶和100%自然棉制成的袜子来研究不同的纤维成分对足的影响，发现腈纶与棉相比，在降低起泡频率、减小起泡体积具有明显的优越性。而在其另一项研究中却发现：应用这两种材料作为袜底的填充材料时，两者在改变跑步者运动后的温度、湿度、起泡位置及大小等方面均无明显的差异。他们认为，更薄的袜底构造将没有足够的密度以形成有效的足底垫强度来消散剪切力。Knapik[7-8]在其研究中发现穿着含有腈纶的袜子可以降低跑步运动员足部起泡现象，而薄的涤纶内袜配合厚的毛绒或腈纶袜子在汗湿后亦可以降低水泡的发生。而Delporte[9]在其研究中发现使用纤维制作的袜子可以使水泡的发生机率降低90%左右。Watanabe K[10]通过对不同材料制成的袜子对足部真菌感染的预防性功效分析中发现；使用尼龙袜和棉袜在预防足部真菌感染方面是不安全的，而毛绒袜效果相对好一些。但Purvis AJ[11]对不对称的袜子和标准的袜子的研究中发现，两种形式的袜子在改变足部皮肤温度方面影响不具显著性差异。

4 袜子—足—鞋间生物力学特性的研究

袜子—足—鞋间摩擦力的性质对足的舒适感和足损伤的发生机率有很明显的作用。而在行走或运动过程中足所受到的剪切力是产生水泡、溃疡等足部疾病的重要力学因素。为了降低足部损伤的发生，一种最为简单和有效的方法就是通过穿着合适的摩擦系数的袜子来降低足底压力和剪切应力，但目前国内几乎没有对袜子—足—鞋间的摩擦力性质、袜子在改变足底压力及剪切应力等方面作用效果进行研究。通过对外文文献的查阅，可以发现，国外研究人员已从袜子不同材料的属性、不同材料间的相互配比、袜子—足—鞋间的力学因素及其应用的功效性进行了一系列的分析研究，以致使一些具有特殊功能的运动袜的生产成为可能。Delporte[9]在其研究中指出：穿袜子可以改变足—鞋间的摩擦力的性质。通过穿着摩擦系数小的纺织品袜子能够减小足与鞋接触面间的剪切力，从而避免足部皮肤因摩擦受损。Draper[12]也在研究中指出：虽然低摩擦力能够使足在鞋内相对运动，但过多的运动又会产生没有安全的不适感，且可能造成足前部与鞋间的压力过大而使足前部发生擦伤。Sanders[13]应用有限元分析法测试了皮肤与袜子间的静摩擦系数，通过袜子对材料的自然属性与皮肤、袜子间的静摩擦系数的测定，指出材料不同会直接影响足—袜子间的摩擦力及足所受的剪切应力的性质，且袜子不同部位亦应用具有不同的摩擦系数属性的材料，才能满足足的不同需求。Stephen[14]通过改变袜子—鞋界面间摩擦力的大小来研究人体平衡能力控制的动力学特征，其在实验中发现：袜子—鞋界面间摩擦力越大，需要控制人体姿势摇晃的反作用力越小。Xiao-Qun Dai[15]等应用3-D有限元分析法对正常人在行走过程中的支撑阶段的动态足底压力和剪切应力进行了分析，通过穿着两接触面间不同摩擦系数的袜子，对袜子—足—鞋三者间不同的力学性质进行分析，进而了解如何使袜子与足更好的契合，降低足部起泡等损伤发生率。实验中通过对光脚(与鞋的摩擦系数为0.54)和穿着两种接触面间具有相反摩擦系数的袜子1(与足的摩擦系数为0.54，而与鞋的摩擦系数为0.04)和袜子2(与足的摩擦系数为0.04，而与鞋的摩擦系数为0.54)三种条件下行走时足受到的剪切力变化中发现：与光脚相比，穿这两种袜子均能明显较小行走过程中足所受到的剪切应力。穿与鞋摩擦系数小的袜子1，使后足的剪切应力由3.1N减小到0.88N，而前足则是从10.61N减小到1.61N。而穿着与足摩擦系数小、与鞋摩擦系数大的袜子2则更能明显减小足所受的剪切应力，后足减小到0.43N，前足减小到1.18N。在其分析中指出：在行走过程中，足前部和足后跟部为主要的受力区，且足前部大于足后跟部，而前足皮肤亦比足后跟部的皮肤薄，因此足部水泡和溃疡更易在足前部产生。光脚使足—鞋之间有很高的摩擦力，使足部皮肤紧紧的粘附在鞋上，而足在鞋内具有向前滑动的趋势，如果这趋势被鞋的摩擦力完全阻止，则会产生极高的剪切力。使足部皮肤受到磨损，产生水泡和溃疡。如果足在鞋内允许有轻微的滑动，那么就可以明显减小剪切力，从而降低足损伤发生的几率。 Hosein 和Lord[16]的研究中发现穿尼龙长筒袜受试者与不穿长筒袜的相比，足所受的剪切应力明显降低。而Wong PY.[17]在内底袜(silicone—insole socks)改变足底压力和剪切应力的作用研究中将光脚和穿100%棉袜与内底袜进行了对比分析。通过对22名健康人群在三种条件下行走过程中足底压力峰值、水平剪切作用力和最大剪切应力的测试中发现：穿袜子均使足中部的峰值压力、水平剪切作用力和最大剪切力减小，而穿内底袜在减小水平剪切作用力的作用更为明显。S.J Howarth[18]对5种不同的袜子的减震(缓冲)作用效果的研究指出：要分析不同类型袜子的减震功效时，必须要考虑不同材料的自然属性，不同纤维在被拉长时可表现出不同的抗阻能力，而5种袜子中，腈纶底袜和毛绒底袜具有明显的减震效果，P<0.05。且袜子的厚度亦可影响其减震效果。

5 特殊人群运动袜的应用研究

足部损伤对糖尿病患者来说甚为普遍，mydield[19]、phillio[20]s及scheffler[21]等人在对糖尿病足的研究中指出：对糖尿病患者的足部护理不仅包含合适的鞋和鞋垫。亦需考虑到袜子对足的保护作用，且建议糖尿病患者不能不穿袜子而直接穿鞋。Murray[22](美国糖尿病足研究组成员)亦通过三种不同材料的袜子对高危糖尿病足的保护作用进行了实验研究，并得出袜子可以作为能够有效缓解和保护糖尿病足的一种方式进行应用。在Veves A[23]等人的研究中，在袜子的后跟和前足添加特殊的材料使糖尿病患者异常高的足底压力减小了30%，改善其足部损伤的症状，且这种改善能够持续几个月。Yi Ching Tsai[24]也通过对使用不同材料的袜子和鞋对糖尿病患者足底压力特征进行实验研究发现，在袜子的前足中部和后足加入6mm厚的泡沫板材料，能够明显降低糖尿病患者的足底压力，并指出无论袜子还是鞋子设计，应根据受试者足的特点和需求，在相应的部位使用与之要求相一致的材料。而Banchellini[25]在袜子对缓解糖尿病患者足部上午疼痛及溃疡等方面的作用效果的研究中，将纳米材料应用到袜子的设计中。通过对30名糖尿病患者6周穿着含纳米材料的袜子和普通材料的袜子对各指标前后测试过程中发现，含有纳米材料的袜子在吸汗、除湿及保温等方面都较普通材料的袜子具有明显的优越性。因此得出：穿着含有纳米材料的袜子可以缓解糖尿病足出现的一系列不良症状。Veves[26]亦通过添加高、低密度不同材料而设计的袜子来缓解风湿性关节炎患者异常的足底压力。但Ufer C对21名四肢麻痹的患者穿着棉(棉/腈纶)和合成纤维两种不同材料的袜子后足部温度变化的研究发现合成纤维并未发现如制造商所说的具有保温的效果。

6 结论

通过对以上文献资料的分析整理可以看出，无论是国外对制作袜子材料的功能性研究，还是对袜子—足—鞋间力学特性及袜子的应用性研究，很多生产厂家都是从袜子材料的自然属性出发，通过使用不同材料及填充物来来改善和丰富袜子的功效。很少有提及或区分正常人群和特殊人群足的解剖学特点，虽然在各生产厂家的资料中有提及到适合各运动项目的运动袜产品，但亦没有提及其运动袜设计的理论依据。更没有从各不同项目在运动中足所表现出来的不同力学特征及不同项目对袜子的需求来设计运动袜袜子。因此，相关科研人员可以从以下这两个方面入手进行研究，设计出符合不同项目特点的运动袜。

6.1 各项目运动人群的足底压力分析及各项目对袜子的不同需求

在行走过程中足的主要受力区为足前部和足后跟部，而在跑步运动过程中足的主要受力区为前足外侧跖骨区及大脚趾，因此在设计袜子底垫时则可根据此特点选择具有缓冲功能的材料与之相适应。在长跑运动中，需要能够提供吸汗、除湿、柔软且具有散热功能的袜子，在保证足在干燥的环境中运动，又要及时将足在运动中产生的热量及时散发出去，避免足部温度过高。因此，根据项目特点及足所表现出来的力学特性来设计运动袜才能更为符合运动的需要。

6.2 不同材料间的摩擦属性的研究

选择最为合适的袜子—足—鞋两接触面间的摩擦系数，从而使足与袜子更好的契合，形成整体，保证足在鞋内有相对运动的空间，并能提供足够的应力来完成各项运动。