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运动科研装备透视篇/3D打印鞋垫 提升运动效能

2022-12-02 04:23:56大公报
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  图:张明教授介绍3D鞋垫时表示,现时增材制造技术相对成熟,但如何设计好打印参数,是团队正在研究的问题。

  一套好的运动装备,能显著提升运动员在赛场上的成绩。对于田径、跳高等运动员而言,一双科学鞋垫既可以保证运动性能,例如更易给到运动员起步的爆发力,又可以保护其脚、膝盖、髋关节等多个部位。

  香港理工大学生物医学工程学系系主任张明教授近日接受《大公报》专访时透露,团队一直在研究个性化增材制造(3D打印)矫形鞋垫等多种体育装备,除了运动员外,他们希望将来服务于普通市民。张明表示,“增材制造技术在鞋垫上的应用起步非常早,基本流程和技术设备都相对成熟。关键是在收集到足部数据后,如何利用数学模型设置鞋垫的参数,这是我们一直在研究的,也是生物力学的课题。”\大公报记者 汤嘉平(文) 林少权(图)

  制作省时 成本大减

  现时市面上卖的鞋垫,设计几乎千篇一律。然而,每个人脚的特征和形态各有不同,有的扁平足,有的足弓过高,有的足部严重外翻……。如果有合适的鞋垫和鞋,便能改善足部本身的问题。随着社会对穿戴类产品的要求提升,个性化设计成为众多业界人士研究的方向。

  “十几年前的个性化设计鞋垫,是把石膏裹在脚上,然后脱模,再去设计,这样成本高、耗时长。”张明教授说,这跟残障人士的个性化假肢的设计原理一样,当年他们团队专门负责培养这样的假肢设计师。“现时香港的假肢设计师,基本都是从我们这里出去的。”他说。

  后来,业界把目光转移到增材制造上,全面革新个性化设计产品的技术。增材制造,俗称3D打印,是一种使用3D数据创建对象的技术。与传统制造业相比,增材制造大大地减少了材料浪费、缩短了制造周期,并省去大多数基于技能的手动操作。

  解决人体姿势异常问题

  张明教授现时研究的矫形鞋垫,就是通过增材制造技术制作。“传统的石膏铸模技术,开一个模具起码半个月到一个月;而3D打印只需几个小时。”张教授团队成员、资深研究员张博文博士说道。

  矫形鞋垫的设计是根据足部生物力学特征设计,根据人体足踝、膝关节、脊柱等部位具体的姿势特征、结构特征及足底压力特征,有针对性地在足前掌、足弓和足后跟三个主要部位做出调整,解决人体由于外界因素、下肢生物力学异常及代偿等引起的各关节及人体姿势异常等问题。代偿是指人体某些器官因疾病受损后,机体调动未受损部分和有关的器官、组织或细胞来替代或补偿其代谢和功能,使体内建立新的平衡的过程。

  张明教授表示,现时增材制造技术相对成熟,但如何设计好打印参数,是团队正在研究的问题。“我们通过不同的数学模型,分析用家的足部特征,从而设置好参数,让3D打印机打印出来。”

  首先,用家需赤足站在“足底三维扫描系统”上,让系统收集足部在静态下的数据,团队分析后会设置不同参数。

  “量身订造的鞋垫离不开各种参数的收集和调整,例如足弓处应该设计得高或低,脚后跟内外翻的倾斜度如何等。”张明教授说,鞋垫材料的密度亦可调整,而密度的高低会影响鞋垫的软硬程度。“现在我们有两种鞋垫,一个足弓处是硬的,另一个是软的。软的压力分布更均匀,舒适性更好,同时它的弹性也很好;但是过软的话会减少冲击力,你可能就不能够走得很快。所以运动员的话,可能就不能做得太软,因为他动作要快,而硬的就可以保证运动性能。但若是市民一般出行的话,可能前者更适合。”

  取形是生物力学研究的基础,在收集完足部静态情况下的数据后,还需要收集动态足部数据。张明教授说,将来用家需要到“足底压力分布与步态分析跑台系统”上走路及跑步,让系统录得足底压力的变化数据。

  对于项目下一步的计划,张明教授表示,现时设计的3D鞋垫算是基底支撑,对于运动员来说,还需要给它一个表面材料,让其感到舒服、吸汗,而且还有缓冲能力。目前团队已购得聚氨酯(PU),张明教授说,接下来将继续完善鞋垫设计。他透露正在跟香港体育学院等机构沟通,希望3D鞋垫获得更多应用机会。

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