Une bonne chaussure peut faire une grande différence pour les coureurs, du marathonien de carrière au coureur de canapé novice et au coureur de 5 km. Mais chaque coureur est unique et une chaussure qui fonctionne pour l’un peut poser problème pour un autre. Outre l’essai de différents modèles, il n’existe pas de moyen simple et rapide de déterminer quelle chaussure convient le mieux au style de course d’une personne.
Les ingénieurs du MIT espèrent changer cela avec un nouveau modèle qui prédit comment certaines caractéristiques des chaussures affectent les performances d’un coureur.
Le modèle simple prend en compte la taille, le poids et d’autres mesures générales d’une personne, ainsi que les caractéristiques de la chaussure telles que la rigidité et l’élasticité de la semelle intermédiaire. Avec cette entrée, le modèle simule ensuite la démarche d’une personne ou la façon dont elle marcherait dans une chaussure particulière.
Grâce à ce modèle, les chercheurs peuvent simuler la façon dont la démarche d’un coureur change avec différents types de chaussures. Ils peuvent ensuite choisir la chaussure qui offre les meilleures performances, qu’ils définissent comme le degré de minimisation de la dépense énergétique du coureur.
Bien que le modèle puisse simuler avec précision les changements dans la démarche d’un coureur lorsqu’on compare deux types de chaussures très différents, il est moins sophistiqué lorsqu’on compare des modèles relativement similaires, y compris la plupart des chaussures de course disponibles dans le commerce. Pour cette raison, les chercheurs pensent que le modèle actuel peut être utilisé au mieux comme outil pour les concepteurs de chaussures cherchant à repousser les limites de la conception de baskets.
“Les concepteurs de chaussures commencent à imprimer des chaussures en 3D, ce qui signifie qu’ils peuvent désormais les fabriquer avec une gamme de propriétés beaucoup plus large qu’une simple feuille de mousse ordinaire”, explique Sarah Fay, chercheuse postdoctorale au Sports Lab du MIT et à l’Institute for Data, Systems. et société (IDSS). “Notre modèle pourrait les aider à concevoir des chaussures véritablement innovantes et également performantes.”
L’équipe prévoit d’améliorer le modèle dans l’espoir que les consommateurs pourront un jour utiliser une version similaire pour choisir des chaussures adaptées à leur style de course personnel.
“Nous avons donné au modèle suffisamment de flexibilité pour qu’il puisse être utilisé pour concevoir des chaussures personnalisées et comprendre différents comportements individuels”, explique Fay. « À un moment donné, nous imaginons que si vous nous envoyez une vidéo de vous en train de courir, nous pourrions imprimer en 3D la chaussure qui vous convient. Ce serait le coup de grâce.
Le nouveau modèle est rapporté dans une étude parue ce mois-ci dans le Journal de biomécanique. L’étude a été rédigée par Fay et Anette « Peko » Hosoi, professeur de génie mécanique au MIT.
En cours d’exécution, révisé
Le nouveau modèle de l’équipe est né de discussions avec des collaborateurs de l’industrie des baskets, où les concepteurs ont commencé à imprimer des chaussures en 3D à une échelle commerciale. Ces modèles incluent des semelles intercalaires imprimées en 3D qui ressemblent à des échafaudages complexes dont la géométrie peut être ajustée pour ajouter du rebond ou de la rigidité à des zones spécifiques de la semelle.
« Grâce à l’impression 3D, les concepteurs peuvent affiner tout ce qui concerne la réponse du matériau sur place », explique Hosoi. « Et ils sont venus nous voir et nous ont dit en gros : « Nous pouvons faire toutes ces choses. Que devrions nous faire?'”
“Une partie du problème de conception consiste à prédire ce qu’un coureur fera si vous lui mettez une toute nouvelle chaussure”, ajoute Fay. “Il faut coupler la dynamique du coureur avec les propriétés de la chaussure.”
Fay et Hosoi ont d’abord tenté de représenter la dynamique d’un coureur à l’aide d’un modèle simple. Ils ont été inspirés par Thomas McMahon, un éminent chercheur en biomécanique de l’Université Harvard, qui, dans les années 1970, a utilisé un modèle très simple de « ressort et amortisseur » pour modéliser la mécanique essentielle de la démarche d’un coureur. À l’aide de ce modèle de démarche, il a prédit la vitesse à laquelle une personne pouvait marcher sur différents types de pistes, depuis les surfaces en béton traditionnelles jusqu’aux matériaux plus caoutchouteux. Le modèle a montré que les coureurs devraient courir plus vite sur des pistes plus douces et plus rebondissantes qui soutiennent la démarche naturelle du coureur.
Bien que cela ne soit peut-être pas surprenant aujourd’hui, cette prise de conscience a été une révélation à l’époque et a conduit Harvard à réorganiser sa piste de course intérieure – une décision qui a rapidement conduit à des records de réussite, les coureurs ayant découvert qu’ils pouvaient courir beaucoup plus vite sur une surface plus douce et plus élastique.
“Les travaux de McMahon ont montré que même si nous ne modélisons pas chaque membre, muscle et composant du corps humain, nous sommes toujours en mesure d’acquérir des informations significatives sur la manière dont nous concevons la performance sportive”, explique Fay.
Coûts des gangs
Suivant l’exemple de McMahon, Fay et Hosoi ont développé un modèle similaire et simplifié de la dynamique d’un coureur. Le modèle représente un coureur comme centre de gravité, avec une hanche qui peut tourner et une jambe qui peut se redresser. Le pied est relié à une chaussure en forme de caisson dont la suspension et l’absorption des chocs sont réglables verticalement et horizontalement.
Ils ont conclu qu’ils devraient être capables d’entrer dans le modèle les mesures de base d’une personne, telles que sa taille, son poids et la longueur de ses jambes, ainsi que les propriétés matérielles d’une chaussure, telles que la rigidité de la semelle intermédiaire avant et arrière. modèle pour simuler la façon dont une personne est susceptible de bouger lorsqu’elle marche dans cette chaussure.
Mais ils ont également reconnu que la démarche d’une personne peut dépendre d’une propriété moins définissable qu’ils appellent la « fonction de coût biologique » – une propriété dont un coureur n’est peut-être pas conscient mais qu’il peut toujours essayer de minimiser à chaque fois qu’il court. L’équipe a conclu que s’ils pouvaient identifier une fonction de coût biologique qui s’applique généralement à la plupart des coureurs, ils pourraient non seulement prédire la démarche d’une personne pour une chaussure particulière, mais également quelle chaussure produit la démarche qui correspond au meilleur kilométrage.
C’est dans cet esprit que l’équipe a examiné une précédente étude sur tapis roulant qui enregistrait des mesures détaillées des coureurs, telles que la force de leurs mouvements, l’angle et le mouvement de leurs articulations, l’élasticité de leurs foulées et le travail de leurs muscles lorsqu’ils couru, chacun en même temps Type de chaussure de course.
Fay et Hosoi ont émis l’hypothèse que la démarche réelle de chaque coureur dépend non seulement de ses mesures personnelles et des caractéristiques de ses chaussures, mais également d’un objectif inconscient visant à minimiser une ou plusieurs mesures biologiques encore inconnues. Pour déterminer ces mesures, l’équipe a utilisé son modèle pour simuler plusieurs fois la démarche de chaque coureur. À chaque fois, ils ont programmé le modèle pour supposer que le coureur minimisait d’autres dommages biologiques, tels que le degré de balancement de sa jambe ou l’impact qu’il appliquait sur le tapis roulant. Ils ont ensuite comparé la démarche modélisée avec la démarche réelle du coureur pour déterminer quelle démarche modélisée – et le coût supposé – correspondait à la démarche réelle.
En fin de compte, l’équipe a découvert que la plupart des coureurs ont tendance à minimiser deux coûts : l’impact de leurs pieds sur le tapis roulant et la quantité d’énergie utilisée par leurs jambes.
« Si nous disons à notre modèle : « Optimisez votre démarche pour ces deux choses », nous obtenons des démarches vraiment réalistes qui correspondent le mieux aux données dont nous disposons », explique Fay. “Cela nous donne l’assurance que le modèle peut prédire comment les gens marcheront réellement, même si nous changeons de chaussure.”
Dans une dernière étape, les chercheurs ont simulé une variété de styles de chaussures et ont utilisé le modèle pour prédire la démarche d’un coureur et déterminer l’efficacité de chaque démarche pour un type de chaussure particulier.
“D’une certaine manière, cela offre une opportunité quantitative de concevoir une chaussure pour un 10 km par rapport à une chaussure de marathon”, explique Hosoi. « Les designers ont un ressenti intuitif à ce sujet. Mais nous avons désormais une compréhension des mathématiques que nous espérons que les concepteurs pourront utiliser comme outil pour faire avancer de nouvelles idées.
Cette recherche est partiellement soutenue par Adidas.