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2024-01-24 05:00:00
優れたシューズは、キャリアマラソンランナーからソファから 5km を走る初心者まで、ランナーに大きな違いをもたらします。 しかし、ランナーはそれぞれ個性があり、ある人にとって効果的なシューズが別のランナーにとってはつまずく可能性があります。 さまざまなデザインのラックを試着する以外に、どのシューズがその人の特定のランニング スタイルに最も適しているかをすばやく簡単に知る方法はありません。
MITのエンジニアは、特定のシューズの特性がランナーのパフォーマンスにどのような影響を与えるかを予測する新しいモデルでこの状況を変えたいと考えている。
シンプルなモデルには、人の身長、体重、その他の一般的な寸法と、ミッドソールに沿った剛性や弾力性などの靴の特性が組み込まれています。 この入力により、モデルは特定の靴を履いた人のランニングの歩き方、またはどのように走るかをシミュレートします。
研究者らは、このモデルを使用して、靴の種類が異なるとランナーの歩行がどのように変化するかをシミュレーションできます。 その後、最高のパフォーマンスを生み出すシューズを選択できます。最高のパフォーマンスとは、ランナーの消費エネルギーが最小限に抑えられる程度と定義されています。
このモデルは、2 つの非常に異なる種類の靴を比較する場合、ランナーの歩行の変化を正確にシミュレートできますが、ほとんどの市販のランニング シューズを含む、比較的類似したデザインを比較する場合には、あまり識別できません。 このため、研究者らは、現在のモデルがスニーカー デザインの限界を押し広げようとしている靴デザイナーのためのツールとして最適に使用されるだろうと考えています。
「靴デザイナーは 3D プリントで靴を作り始めています。つまり、通常のフォームの板よりもはるかに幅広い特性を備えた靴を作ることができるのです」と、MIT のスポーツ ラボとデータ・システム研究所の博士研究員であるサラ・フェイ氏は言います。 、および社会（IDSS）。 「私たちのモデルは、高性能でありながら本当に斬新な靴をデザインするのに役立つ可能性があります。」
チームは、消費者がいつか同様のバージョンを使用して自分のランニングスタイルに合ったシューズを選べるようになることを期待して、このモデルの改良を計画している。
「モデルに十分な柔軟性を持たせたので、カスタムシューズの設計や個人のさまざまな行動の理解に使用できます」とフェイ氏は言います。 「将来的には、あなたが走っている動画を送っていただければ、あなたに合ったシューズを 3D プリントできると考えています。 それはムーンショットだろう。」
新しいモデルが研究で報告されています 今月登場する の中に 生機械工学ジャーナル。 この研究は、MIT機械工学教授のフェイとアネット・「ペコ」・ホソイによって執筆されました。
実行中、改良されました
チームの新しいモデルは、デザイナーが商業規模で靴の 3D プリントを開始しているスニーカー業界の協力者との話し合いから生まれました。 これらのデザインには、複雑な足場に似た 3D プリントされたミッドソールが組み込まれており、その形状を調整して、ソール全体の特定の場所に特定の反発力や剛性を与えることができます。
「3D プリントを使用すると、デザイナーは材料の反応に関するすべてをローカルで調整できます」と細井氏は言います。 「そして彼らは私たちのところに来て、要するに『私たちはこれらすべてのことを行うことができます』と言いました。 私たちは何をすべきか？'”
「デザインの問題の一部は、全く新しいシューズを履いたときにランナーが何をするかを予測することです」とフェイは付け加えた。 「ランナーのダイナミクスとシューズの特性を結びつける必要があります。」
フェイと細井は、まずシンプルなモデルを使用してランナーのダイナミクスを表現しようと考えました。 これらは、ハーバード大学の生体力学研究のリーダーであるトーマス マクマホンからインスピレーションを得ました。マクマホンは、1970 年代に非常に単純な「スプリングとダンパー」モデルを使用して、ランナーの重要な歩行力学をモデル化しました。 彼は、この歩行モデルを使用して、従来のコンクリート路面からゴム状の素材に至るまで、さまざまな種類のトラック上で人がどれくらいの速度で走れるかを予測しました。 このモデルは、ランナーの自然な歩行をサポートする、より柔らかく弾むトラックでランナーはより速く走るべきであることを示しました。
今では驚くべきことではないかもしれないが、この洞察は当時の啓示であり、ハーバード大学に屋内トラックの改良を促すことになった。ランナーたちは、より柔らかく弾力のある路面でより速く走れることに気づき、急速に実績を積み上げた。
「マクマホンの研究は、人体のあらゆる手足や筋肉、構成要素をモデル化しなくても、運動パフォーマンスをどのように設計するかという点で有意義な洞察を生み出すことができることを示しました」とフェイは言う。
歩行コスト
マクマホンのリードに従い、フェイと細井はランナーのダイナミクスの同様の単純化されたモデルを開発しました。 このモデルは、回転できる股関節と伸びることができる脚を備えた重心としてのランナーを表します。 脚部は箱状のシューズに接続されており、バネ性と衝撃吸収性を垂直方向と水平方向に調整できます。
彼らは、身長、体重、脚の長さなどの人間の基本的な寸法と、前後のミッドソールの硬さなどの靴の材料特性をモデルに入力して、そのモデルを使用できるはずだと推論しました。そのシューズを履いて走っているときの人の歩き方をシミュレートします。
しかし、彼らはまた、人の歩き方が、「生物学的コスト関数」と呼ばれる、あまり定義しにくい特性に依存していることにも気づきました。この特性は、ランナーが意識的には気づいていないかもしれませんが、走るたびに最小限に抑えようとする可能性があります。 研究チームは、ほとんどのランナーに一般的な生物学的コスト関数を特定できれば、特定のシューズでの人の歩き方だけでなく、どのシューズが最高のランニングパフォーマンスに対応する歩き方を生み出すのかも予測できるかもしれないと推論した。
これを念頭に置いて、研究チームは、ランナーの衝撃の力、関節の角度と動き、ステップのバネ、筋肉の働きなど、ランナーの詳細な測定値を記録した以前のトレッドミルの研究に注目しました。彼らはそれぞれ同じタイプのランニングシューズを履いて走りました。
フェイと細井は、各ランナーの実際の歩き方は、個人の寸法や靴の特性だけでなく、まだ知られていない 1 つ以上の生物学的指標を最小限に抑えるという潜在意識の目標によってもたらされるのではないかと仮説を立てました。 これらの尺度を明らかにするために、チームはモデルを使用して各ランナーの歩行を複数回シミュレートしました。 毎回、彼らはランナーが脚を振る程度やトレッドミルで行う衝撃など、さまざまな生物学的コストを最小限に抑えていると仮定してモデルをプログラムしました。 次に、モデル化された歩行とランナーの実際の歩行を比較し、どのモデル化された歩行 (および想定コスト) が実際の歩行と一致するかを確認しました。
最終的に、チームは、ほとんどのランナーが 2 つのコスト、つまりトレッドミルで足が受ける衝撃と、足が消費するエネルギー量を最小限に抑える傾向があることを発見しました。
「私たちのモデルに『これら 2 つの点で歩き方を最適化してください』と指示すると、私たちが持っているデータに最もよく一致する、本当に現実的な歩き方を教えてくれます」と Fay 氏は説明します。 「これにより、たとえ靴を変えたとしても、このモデルは人々が実際にどのように走るかを予測できるという自信が得られました。」
最終ステップとして、研究者らはさまざまな靴のスタイルをシミュレーションし、そのモデルを使用してランナーの歩行と、特定の種類の靴での各歩行の効率を予測しました。
「ある意味、これにより、10K 用シューズとマラソン用シューズを設計する定量的な方法が得られます」と細井氏は言います。 「デザイナーはそれを直感的に感じます。 しかし今では、私たちは数学的に理解しているので、デザイナーが新しいアイデアを始めるためのツールとして利用できることを願っています。」
この研究はアディダスによって部分的に支援されています。
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