足弓在跑步中的生物力学工效分析

Foot arch functions as a means of support and stability both in standing and walking. It also provides economy in running. When the foot arch does not work the right way in running, it aches or it can even bring structural injury. This study hypothesizes that the optimal foot arch working process can reduce pain and can avoid the incidence of structural injury. To verify this scientific hypothesis, this study is designed to cover three areas: 1) relation between foot arch and loading; 2) influence of stride length and cadence on running economy; 3) biomechanical equations of running. The study findings will not only have theoretical significance to the biomechanical and ergonomic aspects of foot arch in running, but also be used to guide the massive fitness activities and to bring new possibilities to the design of lower limb exoskeletons.

足弓不仅在站立、行走中具有支撑稳定功能，还影响跑步的经济性。跑步时足弓不合理的工作方式会造成足部疼痛，甚至结构性损伤。申请人认为，跑步时，足弓工作存在某种最优过程，它能够减少足部疼痛、避免足部的结构性损伤。为验证这一科学猜测，本课题设计了3个方面的研究内容：1) 足弓工作与载荷之间的关系；2) 步长与步频匹配对跑步经济性的影响；3) 跑步生物力学方程。课题的实施不仅对足弓在跑步中的生物力学工效问题有重要的理论价值，对全民健身活动具有重要的指导意义，还有可能给下肢体外骨骼设计提供新的思路。

项目的背景：在人类演化过程中，人体逐渐形成了对运动的依赖。由于有运动依赖症，全球每年死于缺少运动的人数已超过500万，且呈上升趋势。根据《国务院关于实施健康中国行动的意见》中“运动需要科学”的指导精神，凝练跑步中的科学问题，建立跑步约束方程和跑步目标函数，揭示赤足与穿鞋步态中的生物力学机制，把“生命在于运动，运动需要科学”的理念落到实处。服务于“全民健身”国家发展战略。.研究内容：根据步态最小作用量原理，提出了步态常数的概念；修复、重建23万年前纳莱迪人的足弓模型（足弓理想模型）；基于平均足印迹（压力冲量），建立了沿足长度上足-支撑面相互作用力以及触地-离地时序与时长等足弓在跑步中的工效评价指标。.重要结果：基于步态常数概念建立普适的步态动力学方程，实现步态的定量分析；用足弓理想模型揭示穿鞋跑步时，运动鞋是诱发拇外翻发病的生物力学机制；用构建的跑步评价方法不仅实现了对运动鞋工效的评价，同时能够解读足弓落地方式这一“四元数”问题。这些结果受到安踏集团等企业的关注。.关键数据及其科学意义：发现了用于建立普适的步态动力学方程的步态常数，结合理想的足弓有限元模型，实现赤足或穿鞋跑步时足弓落地方式分析的定量描述。