Как свойства обуви влияют на результаты бегуна?

Модель, разработанная инженерами Массачусетского технологического института, может стать инструментом для специалистов, стремящихся к инновационных разработках в дизайне кроссовок.

Хорошая обувь может иметь огромное значение для бегунов, от профессиональных марафонцев до новичков, которые решают пробежать 5 км "с дивана". Но каждый бегун уникален, и обувь, которая подходит одному, может не подойти другому. Помимо примерки разных моделей, нет быстрого и простого способа узнать, какая обувь лучше всего подходит конкретному стилю бега конкретного атлета.

Инженеры Массачусетского технологического института надеются изменить этот подход с помощью новой модели, которая предсказывает, как определенные свойства обуви повлияют на производительность бегуна. Новая модель была представлена ​​в исследовании, опубликованном в журнале Journal of Biomechanical Engineering.

Эта простая модель учитывает рост человека, вес и другие общие параметры, а также такие свойства обуви, как жесткость и упругость подошвы. Имея эти данные, модель имитирует стиль бега человека или то, как он будет бежать в определенной модели обуви.

Используя эту модель, исследователи смогут имитировать то, как стиль бега будет меняться при ношении разных типов обуви. Затем они смогут выбрать ту модель, которая обеспечит наилучшую производительность, которую ученые определили, как степень минимизации затрачиваемой бегуном энергии.

Хотя модель может точно имитировать изменения в беговой технике при сравнении двух совершенно разных типов обуви, она менее эффективна при сравнении относительно похожих моделей, включая большинство имеющихся в розничной продаже кроссовок. По этой причине исследователи предполагают, что текущая модель будет лучше всего использоваться в качестве инструмента для дизайнеров обуви, которые захотят расширить функционал кроссовок.

Дизайнеры начинают печатать обувь на 3D-принтере, а это означает, что теперь они могут изготавливать ее с гораздо более широким диапазоном свойств, чем с помощью "классической" работы с обычным куском пены. Новая модель может помочь дизайнерам разработать действительно новую обувь, которая, помимо всего прочего, будет высокоэффективной».

Группа ученых планирует улучшить модель в надежде, что потребители когда-нибудь смогут использовать похожую версию, чтобы выбрать обувь, которая соответствует их личному стилю бега.

В настоящее время в модель заложена достаточная гибкость, которая позволяет использовать ее для разработки индивидуальной обуви и понимания различного поведения стопы в этой модели. В будущем коллектив авторов предполагает, что если атлет пришлет им видео со своим бегом, они смогут напечатать подходящую обувь на 3D-принтере, что было бы настоящим прорывом.

Бег, обновленная версия

Новая модель команды выросла из разговоров с коллегами из индустрии кроссовок, где дизайнеры начали печатать обувь на 3D-принтере в коммерческих масштабах. Эти конструкции включают в себя напечатанные на 3D-принтере межподошвы, которые напоминают сложные леса, геометрию которых можно менять как угодно, чтобы придать кроссовкам определенную упругость или жесткость в определенных местах или по всей подошве.

С помощью 3D-печати дизайнеры могут настраивать все, что касается реакции материала, делая это локально. Однако, перед ними встал другой вопрос: "Мы можем сделать все это без особых проблем. Но что конкретно нам стоит делать, чтобы улучшить результаты у бегунов?"

Часть проблемы дизайна заключается в том, чтобы предсказать, что будет делать бегун, когда вы наденете на него совершенно новую модель. Другими словами, надо связать динамику бегуна со свойствами обуви.

Авторы статьи сначала попытались представить динамику бега атлета с помощью простой модели. Они черпали вдохновение у Томаса Макмахона, лидера в области изучения биомеханики в Гарвардском университете, который в 1970-х годах использовал очень простую модель "пружины и амортизатора" для моделирования механики бега. Используя эту модель, он предсказал, насколько быстро человек может бежать по различным типам поверхностей, от традиционных бетонных поверхностей до резиновых материалов. Модель показала, что бегуны должны бежать быстрее на более мягких, упругих поверхностях, которые поддерживают естественный бег.

Хотя это может быть неудивительно сегодня, но в то время эта идея стала откровением, побудив Гарвардский университет переделать свою крытую дорожку — тот шаг, который помог быстро установить несколько рекордов, поскольку атлеты обнаружили, что могут бежать намного быстрее на более мягкой, упругой поверхности.

Работа Макмахона показала, что даже если нельзя смоделировать каждую отдельную конечность, мышцу и компонент человеческого тела, все равно можно создавать рабочие идеи с точки зрения того, как проектировать для достижения лучших спортивных результатов.

Стоимость бегового шага

Следуя примеру Макмахона, коллектив авторов Массачусетского технологического института разработал похожую упрощенную модель динамики бегуна. Модель представляет бегуна, как центр масс с вращающимся бедром и растягивающейся ногой. Нога соединена с кроссовкой в ​​форме коробки, упругость и амортизацию которой можно настраивать как по вертикали, так и по горизонтали.

Ученые рассудили, что они должны иметь возможность вводить в модель основные параметры человека, такие как рост, вес и длину ноги, а также свойства материала обуви, такие как жесткость передней и задней части подошвы, и использовать эту модель для моделирования того, какой, скорее всего, будет шаг атлета при беге в этой обуви.

Но ученые также поняли, что рисунок бега может зависеть от менее определяемого свойства, которое они назвали "биологической функцией стоимости" — качества, которое атлет может не осознавать, но тем не менее, будет пытаться минимизировать всякий раз, когда он бежит. Команда рассудила, что если они смогут определить биологическую функцию стоимости, которая является общей для большинства бегунов, то они смогут предсказать не только технику бега в данной обуви, но и то, какая обувь обеспечивает технику, соответствующую лучшим показателям в беге для данного атлета.

Имея это в виду, команда обратилась к предыдущему исследованию, в котором были зафиксированы подробные данные техники бега атлетов, такие как сила приземления, угол и движение их суставов, пружинистость их шагов и работа их мышц во время бега, каждый из этих показателей был зафиксирован в одном и том же типе беговой обуви.

Ученые выдвинули гипотезу, что фактическая техника бега каждого атлета возникает не только из их личных размеров и свойств обуви, но и из подсознательной цели минимизировать одну или несколько биологических показателей, пока неизвестных. Чтобы выявить эти показатели, команда использовала свою модель для многократного моделирования техники каждого бегуна. Каждый раз они программировали модель так, чтобы предполагать, что бегун минимизирует различные биологические затраты, такие как степень, в которой он "качает" ногой, или воздействие, которое он оказывает на беговую дорожку. Затем они сравнили смоделированную технику с фактической техникой бега.

Команда обнаружила, что большинство бегунов склонны минимизировать две затраты: воздействие, которое их стопы оказывают на беговую дорожку, и количество энергии, которое расходуют их ноги.

Если заложить в модель условие оптимизировать технику по этим двум параметрам, она даст действительно реалистично выглядящие рисунки бега, которые наилучшим образом соответствуют имеющимся данным. Это дает ученым уверенность в том, что модель может предсказать, как люди будут бегать на самом деле, даже если им поменять модель обуви.

В качестве последнего шага исследователи смоделировали широкий спектр стилей обуви и использовали модель для прогнозирования техники бега и того, насколько эффективной будет каждый вариант техники для данного типа обуви.

В некотором смысле, это дает действенный способ спроектировать обувь для 10-километровой дистанции по сравнению с марафонской обувью. У дизайнеров есть интуитивное чувство этого, но сейчас у нас есть математическое понимание, которое, как надеются авторы модели, все дизайнеры смогут использовать в качестве инструмента для запуска новых кроссовочных идей.