增材制造通过实现定制化设计、轻量化多孔结构、提升生物力学性能并优化材料利用率，正在重新定义鞋类制造范式。本综述批判性评估了足人体测量学、晶格结构与工艺优化在3D打印鞋设计与生产中的作用。研究人员探究了当前的足部扫描与足底压力测量技术，强调其在实现个性化适配、提升穿着舒适度及针对不同人群预防运动损伤方面的重要性。研究进一步探讨了晶格结构如何通过有限元分析(FEA)、拓扑优化及新兴机器学习方法，实现卓越缓震性能、减重效果与能量回馈。此外，层厚、填充模式与打印速度等关键3D打印工艺参数对力学行为与尺寸精度的影响也得到了讨论。尽管已取得进展，但在标准化晶格设计框架、真实工况下的仿真模型验证以及集成设计工具的可及性方面仍存挑战。本综述强调，亟需融合生物力学认知、晶格设计创新与先进增材制造工艺的跨学科策略，以加速下一代高性能、可定制鞋类的开发。
1. 引言
3D足部扫描与CAD工具的应用显著提升了鞋类的功能性与品质。复杂的鞋中底晶格结构可通过计算生成，并利用有限元分析(FEA)测试其力学性能后进行3D打印。为实现全球竞争力，制造商需通过完善的生产流程保障产品质量。3D打印部件的性能指标直接受打印工艺影响，因此有必要评估晶格结构与设备能力以确立性能标准。针对3D打印跑鞋的力学实验对于理解其对足部保护与运动表现的效能至关重要。合理的鞋类设计依赖于精确的足部测量数据，由于足部形态存在地域与种群差异，设计师需掌握区域性足部数据库，脱离人体测量学的设计将导致疼痛、损伤甚至畸形。足底压力分布数据同样是运动表现的关键，年龄、体能状况与健康水平均会导致足部压力的变化。晶格结构的物理性能主要由几何参数与基体材料驱动，相对密度亦对其力学性能产生显著影响。为实现晶格结构的最佳性能，需要精确且精密的制造工艺，这通常通过优化与3D打印实现。优化过程涵盖压缩测试、FEA与仿真。在固定相对密度下，晶格模型的能量吸收与压缩性能显著受单胞尺寸与数量影响。为深入理解足部内部应力应变分布，FEA等计算建模软件不可或缺，其能够模拟几何形状、多样材料属性与载荷条件，从而解析足部与鞋材的交互作用，测试结果可为鞋类的灵活性、强度与减震性能提供重要依据。然而，尽管增材制造与生物力学分析发展迅速，目前仍缺乏将足人体测量学、晶格结构优化与增材制造工艺有效结合的统合框架。现有研究多聚焦于孤立环节，未能解决这些领域如何交互影响舒适度、损伤风险与材料效率，这限制了3D打印高性能定制化鞋类潜力的充分发挥。本综述旨在通过综合足部测量技术、晶格几何设计与制造优化策略的现有见解，识别上述统合框架缺失导致的关键知识缺口，并阐述如何利用轻量化吸能晶格结构开发下一代中底与外底，同时展示优化打印参数如何兼顾力学性能与材料效率。此外，基于移动端的3D足部扫描技术的发展正为经济型定制与设计灵活性带来新的机遇。
2. 方法论
本研究采用系统性框架指导综述流程，包括文献检索、筛选、资格评估与最终纳入合成。检索与数据提取覆盖Scopus、Science Direct、Web of Science、PubMed与Sage等主要数据库，时间跨度为2017年至2025年。为确保文献的全面性，研究人员还通过检索已识别研究的参考文献列表以及在Google Scholar进行补充检索。检索关键词组合包括“3D打印”、“跑鞋”、“中底”、“拓扑优化”、“足人体测量学”、“足底压力”与“FEA”。筛选工作基于标题、摘要、关键词、材料与方法及结论展开，剔除重复条目后，应用主题纳入标准排除与足人体测量学、鞋用晶格结构、足部与鞋建模、晶格建模软件、仿真分析以及晶格结构与跑鞋3D打印无关的文章。仅纳入同行评审论文、会议论文与综述。研究人员对检索数据进行了定性审查，以识别局限性、新兴趋势、关键知识缺口及未来研究方向。
3. 足人体测量学在3D打印鞋中的作用
3.1 足部测量的重要性
精确的足人体测量学是3D打印鞋设计与性能的基础。足长、跖骨长、宽度与跟宽等关键尺寸是实现良好适配的核心，而足弓类型与压力分布数据有助于纠正生物力学失衡。研究表明，不合脚的鞋导致60%的女性与30%的男性出现足部疼痛，凸显了精确测量的必要性。此外，足底压力分析显示高压区域可能导致组织溃烂，尤其在糖尿病患者中，这突显了定制化鞋类的需求。除基本尺寸外，动态压力映射可揭示步态模式与重量分布，个体间及活动间的差异显著。左右脚压力不对称可能预示着病理状态，强调了定制化鞋底设计的必要性。足部形态受遗传与生活方式影响，使得标准化尺码难以适应全球不同人群。将足部物理与行为特征融入足部形态分析可改进鞋类与矫形器设计。涵盖静态与动态参数的全面足部测量对于优化舒适度与预防长期足部疾病至关重要，这些数据有助于改善生物力学，进而提升运动表现。
3.2 足部形态与压力分布的采集方法
现代足部形态采集技术主要包括3D扫描与压力传感系统。主流3D扫描技术分为摄影测量法、结构光扫描与激光扫描三类。摄影测量法利用多角度照片重建3D模型，生成精细网格结构，图像采集速度快，保真度高且成本低，但处理时间较长，需精确对齐图像，复杂几何区域精度不足。结构光扫描通过投射图案化光线捕获高精度数据，适合复杂几何形状，表面细节好，但要求受试者保持静止，轻微移动即导致误差，且计算需求高。激光扫描通过计算光束飞行时间构建足部3D网格，在受控环境下精度高，但耗时较长，设备昂贵。移动端3D扫描应用的发展进一步降低了成本。足底压力测量早期使用运动记录仪并结合X光验证，现代常用设备包括足底压力平台和鞋内系统。足底压力平台为刚性系统，适用于静态与动态步态分析，长平台适合运动学研究；鞋内压力传感器则提供移动性与实时数据，适合评估鞋类工效学与足部畸形，但存在传感器滑动、细节层次受限及对鞋具本身影响的局限。手持3D扫描与加载卸载状态下的扫描对比研究证实了3D扫描在足部锁定系统辅助下的高精度。与传统墨迹足迹法和数字卡尺相比，3D扫描虽初始成本高，但避免了人为误差，并能快速收集包括舟骨高度在内的全面足部形态数据，对于大规模定制不可或缺。
3.3 基于个体足部形态的定制策略
鞋类定制旨在将人体测量学变异转化为功能性、用户特定的设计。研究提出结合压力图的工程设计方案以优化鞋底几何形状，确保载荷均匀分布；智能技术方案可实现持续压力监测与反馈，适用于需要自适应鞋类的糖尿病患者。结合人口统计学洞察的区域性定制是另一关键策略，西方鞋类标准常不适用于亚洲人群，因此需建立区域性3D扫描数据库。这种定制需要明确的数字化工作流程，涵盖测量、仿真与制造阶段。具体而言，足底压力图需建模为CSV或矩阵格式数据，用于指定足底表面的空间载荷分布；足部几何扫描转换为STL格式的曲面模型，用于鞋楦与鞋设计；中底与内垫材料行为需通过超弹性模型（如Ogden与Neo-Hookean）、线弹性参数与密度定义；边界条件则需包含施加的载荷（如垂直地面反作用力与跟腱力）、接触交互（足-鞋底与足-地）及与步态相关的约束。该规范确保了3D打印鞋类设计的一致性、仿真准确性与可重复性。
4. 鞋类晶格结构设计
4.1 晶格设计类型（手动生成与数学生成）
晶格结构通过平衡减重与机械功能，为性能鞋类的内部架构提供了高效工程手段。晶格可分为周期性、共形或随机结构。周期性结构沿XYZ轴重复其拓扑（如三周期极小曲面TPMS），由几何形状（角度、单胞尺寸、物体边缘）生成；随机结构则在单胞与形状上随机分布。晶格结构的生成方式分为手动生成与数学生成。手动生成利用梁与桁架结构，并对节点进行修饰以实现无缝连接；数学生成则通过算法实现，无需在设计阶段进行节点细化即可实现无缝细胞连接，常用方法包括魏尔斯特拉斯公式、节点近似与变分水平集法等。手动生成晶格几何模式简单且易于参数化，便于快速调整，适合原型设计初期，其单胞组成（如网格、X形、菱形）可通过支柱直径、单胞尺寸与相对密度等参数控制力学性能，从而实现中底不同区域的缓震、刚度与能量吸收调谐。数学生成的TPMS结构由刚性与有机几何组成，常受自然界启发，具有高表面积、优异的热传导与隔音性能，且无局部应力集中。TPMS单胞可分为基质型（实心壁与两个不相连的空腔）与网络型（单一实心与单一空腔），常见类型包括Gyroid、Schwarz Primitive与Lidinoid，具有连续且自然的形态。Schoen Gyroid单胞因其自支撑性与高可制造性被广泛研究，钛合金Gyroid晶格表现出高强度。TPMS技术在平衡比刚度、轴对称刚度、高表面体积比与孔隙连通性方面表现优异，消除了对表层皮肤的依赖，正越来越多地被探索用于3D打印鞋的中底与内垫。
4.2 晶格结构在舒适度、缓震与减重中的作用
晶格结构通常由桁架结构与极小曲面组成，旨在最小化材料用量、能耗与制造时间，同时最大化部件强度并降低重量，以其高比强度与能量吸收能力著称。缓震性能指材料延长冲击时间、降低冲击载荷并保护部件免受冲击损伤的能力。通过调整单胞构型、尺寸、相对密度与排列方式，可设计出轻质高强且高吸能的晶格结构。研究表明，梯度晶格材料的缓震与能量吸收特性优于均匀晶格结构，变密度晶格结构相比均匀密度样品具有更高的平台应力与比能量吸收。多项研究对比了手性负泊松比、网格、交叉、X形、星形、金刚石、三角形、六边形、蜂窝、椭圆及八面体等不同晶格类型在TPU、EVA、聚氨酯丙烯酸酯等材料中的压缩响应、冲击与能量回馈表现，证实特定拓扑（如菱形、Gyroid）在特定载荷条件下能提供最优的压力分布、刚度与舒适度。
4.3 晶格结构的力学性能
晶格结构的疲劳与断裂抗力、强度与弹性模量至关重要，受单胞设计、孔径、材料类型与制造技术影响。调整单胞几何形状、孔隙率与连接方式可改变刚度与强度，进而影响抗冲击性与能量吸收能力。点阵材料的变形特性不同于实体金属，相同相对密度下不同单胞构型可产生不同的力学响应。弯曲主导型晶格通常在弹性极限前进入弹性变形，随后可能发生塑性变形、屈曲或断裂，其屈服强度较低但能量吸收能力高；拉伸主导型晶格则表现出软化后屈服行为，弹性模量与屈服强度显著更高。晶格结构的力学性能还强烈依赖于加载方向，改变加载方向会显著改变晶格梁的内部应力分布，从而影响刚度、强度与能量吸收能力。根据节点连接性，晶格可分为支柱基（含拉伸主导与弯曲主导）与TPMS基（含骨架基与片基）。拉伸主导结构刚度高，适用于轻量化结构应用；弯曲主导结构较软，更适合吸能应用。通过麦克斯韦稳定性原理可判定晶格属于何种类型。基体材料参数同样显著影响晶格性能，优化后的变径支柱设计可增强应力分布并减少节点应力集中，提升动态载荷下的比能量吸收。
5. 3D打印鞋的制造考量
5.1 晶格结构优化的实验方法
制造定制化晶格结构需要平衡结构性能、材料效率与生物力学适用性。拓扑优化起源于1904年Michell提出的桁架最小体积分布解析法，后经Rozvany推广至梁基结构，Bendsoe与Kikuchi提出的均匀化理论将其参数化为连续表示。拓扑优化可将块状实体转化为晶格类型，以满足特定的目标函数（如刚度最大化或频率间隙最大化）。针对鞋底设计，自动复杂拓扑轻量化结构生成法(ACTLGSM)被提出，利用PIMesh生成适应任意边界几何形状的轻量化桁架，提供自适应刚度以减轻最大足部压力。机器学习(ML)作为替代优化技术，利用监督学习、无监督学习与强化学习算法，基于训练数据探索大型设计空间。研究人员将FE与ML技术结合，提出了可控参数化晶格缓震鞋垫(PLI)的数据驱动优化设计方法，实现了高达44.45%的足底压力降低与足弓区域的良好贴合。参数优化则通过响应面法(RSM)拟合影响因素与响应值之间的函数关系，优化单胞支柱直径、长度与尺寸等参数，以平衡刚度与重量。
5.2 力学测试
压缩测试常用于比较中底与内垫的材料与结构性能。跑步跳跃时足部载荷可达体重数倍，优化鞋底特性对降低损伤风险至关重要。标准化的压缩测试方法被用于表征运动鞋后跟段的刚度。对不同晶格结构的压缩测试显示，网格拓扑在90 N载荷下即发生屈曲，X形晶格最先致密化，表明网格晶格不适合用于鞋底。变尺寸螺旋弹簧(VDS)中底相比均匀尺寸螺旋弹簧(UDS)表现出更高的强度重量比与压缩稳定性。晶格结构壁厚显著影响刚度，厚度大于0.8 mm会导致刚度急剧上升。有限元分析(FEA)可模拟足部软组织、骨骼与足底筋膜的生物力学行为，预测晶格鞋底在足部压缩下的力学响应。商用软件如ANSYS、ABAQUS、Altair OptiStruct与COMSOL被广泛应用于模拟足底压力分布、缓震与推进性能。然而，FEA存在边界条件与材料属性缺乏标准流程、模型简化（如刚性足模型与变形足模型的不一致）以及缺乏实证记录或多尺度建模等局限，亟需统一的FEA标准与更全面的实验验证。
5.3 3D打印中的工艺优化
增材制造已成为生产终端部件的可行方法，优化工艺参数对平衡生产率与部件质量至关重要。设计实验(DOE)被用于优化打印机制造参数。熔融沉积成型(FDM)的关键参数包括挤出温度（180°C–200°C）、喷嘴移动速度（40–80 mm/sec）、层厚（0.1 mm–0.3 mm）、挤出宽度、内部填充角度与喷嘴类型。层厚直接影响表面光滑度与处理时间，较厚层构建快但表面粗糙，较薄层耗时但表面平滑。填充百分比影响处理时间与材料用量，百分比越大耗时越长、材料越多，产品越重。填充模式（如菱形、蜂窝、交叉、线性）与填充角度（0°–90°）同样影响最终性能。打印过程的逐层构建还会导致各向异性，激光烧结的晶格梁粗糙度、PolyJet打印的表面不一致性以及光固化成型的几何与材料变异均会影响力学性能。研究人员利用RSM与混合方法（RSM-GA与ANN-GA）优化层厚、构建方向、填充密度与轮廓密度等参数，以提升尺寸精度。实验表明，较小的层高可提升尺寸精度但增加打印时间，优化参数组合可在保证质量的前提下最小化打印时长与翘曲变形。
6. 设计与分析软件工具
3D打印鞋的晶格几何建模高度依赖先进的定制化软件。Rhinoceros 3D结合Grasshopper插件因支持参数化设计与Python接口而被广泛用于变径晶格设计。nTopology软件凭借场驱动设计与拓扑优化功能，适合复杂晶格结构。其他工具如Blender主要用于高分辨率设计。表6总结了各类CAD软件及其晶格设计插件，如3D Systems的3D Expert支持共形晶格生成；Altair Inspire提供结构与拓扑优化及运动仿真；ANSYS SpaceClaim集成拓扑优化；Autodesk Netfabb具备晶格助手与单位晶胞库；Carbon 3D的设计引擎利用逆向设计创建特定性能晶格；Materialise 3-Matic支持物理仿真与自动化工作流；MATLAB可用于基于B样条的AI设计；Python通过有符号距离函数(SDF)实现代码驱动设计。这些工具结合Footscan系统与Sense 3D Scanner等测量软件，构成了从数据采集、建模到仿真的端到端开发流程。然而，传统CAD系统与隐式建模工具之间的互操作性挑战依然存在，几何格式（如AMF、STL、STEP）转换常导致参数信息丢失与几何失真。高端隐式建模与晶格生成平台还需高昂的计算资源与许可费用，这对学术研究构成障碍。
7. 挑战与未来方向
传统均匀分布的鞋垫结构难以实现最佳舒适度所需的定制化压力分布，而3D打印晶格的直接应用受限，需测试不同规格晶格的力学性能。当前软件生态碎片化，缺乏支持从设计到打印验证、优化与仿真的统一平台，STL文件常需修复才能切片打印，亟需更标准化的交换格式。足部扫描技术虽能快速获取外部几何，但无法检测内部结构（如骨骼与软组织），需结合MRI成像。现有模型常假设材料为线弹性，但实际生物组织多为非线性弹性，全非线性模拟计算成本过高。有限元模型验证多集中于足底压力整体分布或最大值，缺乏对特定解剖位置与小尺度行为的对比验证。计算成本与模型精度之间存在权衡，现有几何建模技术难以支持多尺度建模与拓扑边界精确定义。未来应开发晶格结构的标准化实验设计(DoE)，创建统计参考；开发工具支持异构晶格在中底的集成与优化；扩大特定目标人群的足部数据采集；并在真实世界条件下测试开发的鞋底有效性。机器学习辅助工具应更深入地融入增材制造设计(DfAM)，推动数据驱动设计的范式转变。
8. 结论
3D打印鞋的发展依赖于足部测量、CAD建模与力学仿真软件的整合，以实现美学、舒适度与性能的无缝结合。足人体测量学是核心，确保鞋类满足不同人群的生物力学需求。晶格结构在提升能量回馈、缓震与减重方面发挥关键作用，通过优化参数与材料分布可针对足部功能区调谐中底性能。有限元分析与拓扑优化是验证设计概念的必要工具，实证测试则有助于优化打印参数以保障质量与耐久性。尽管3D打印晶格提供了结构适应性，仍需在不同几何、材料与用户群体中进行验证。开源与商业平台的演进需进一步支持异构晶格设计的无缝集成，并加强真实工况测试。提升足部扫描技术的可及性（尤其是Android平台）亦是当务之急。未来研究应优先建立晶格结构的标准化实验框架，以支持稳健的比较研究与循证设计改进。
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