Kupując buty sportowe, rzadko myślimy o nich jak o złożonym systemie inżynieryjnym. Tymczasem to, co na półce sklepowej wygląda jak efektowny design, w rzeczywistości jest wieloetapowym procesem. Powstanie każdego modelu nie jest jedynie prostym przejściem od szkicu do fabryki, lecz wielomiesięcznym procesem badawczym, w którym każda decyzja projektowa poparta jest serią testów i eliminacją potencjalnych błędów.
W tym artykule:
Skąd bierze się pomysł na nowy but?
Etap 1. Jak problem sportowca zamienia się w dane?
Etap 2. Jak dane o stopie zamieniają się w dopasowanie buta?
Etap 3. Jak dane zamieniają się w projekt i pierwszy prototyp?
Etap 4. Jak prototyp zamienia się w zweryfikowaną konstrukcję?
Etap 5. Jak prototyp sprawdza się w kontakcie ze sportowcem?
Etap 6. Jak wyniki testów zamieniają się w kolejną wersję buta?
Etap 7. Jak zatwierdzony prototyp zamienia się w produkt seryjny?
Skąd bierze się pomysł na nowy but?
Rozwój nowego modelu nie musi rozpoczynać się od nowego materiału czy technologii. Punktem wyjścia jest problem, który producent chce rozwiązać dla określonej grupy użytkowników.
Źródłem mogą być informacje od zawodników i testerów, ograniczenia poprzedniego modelu, nowe materiały, rozwój technologii produkcyjnych, wyniki badań, analiza rynku czy wymagania konkretnej dyscypliny. Znaczenie mogą mieć również przepisy (World Athletics określa między innymi maksymalną grubość podeszwy oraz zasady dotyczące sztywnych elementów konstrukcyjnych w obuwiu używanym podczas zawodów, dlatego w przypadku modeli startowych regulamin staje się jednym z ograniczeń projektowych).
Samo zidentyfikowanie potrzeby nie wskazuje jednak rozwiązania. Informacja, że biegacze oczekują większej stabilności, nie odpowiada jeszcze na pytanie, czy należy zmienić szerokość platformy, geometrię podeszwy, właściwości pianki czy konstrukcję cholewki.
Na początku powstaje więc brief produktowy, który porządkuje założenia projektu. W zależności od producenta może określać grupę docelową, przeznaczenie, oczekiwaną masę, stabilność, trwałość, poziom cenowy czy harmonogram prac. Szczegółowe procedury różnią się między firmami i zazwyczaj nie są publiczne.
Etap 1. Jak problem sportowca zamienia się w dane?
Po określeniu celu projektu zespół musi przełożyć ogólne założenia na parametry, które można zmierzyć. Jeżeli nowa konstrukcja ma zmieniać sposób przetaczania stopy, rozkład nacisku, stabilność albo koszt energetyczny biegu, potrzebne są dane pozwalające porównać ją z wcześniejszym rozwiązaniem. W tym momencie do procesu projektowego wchodzi laboratorium biomechaniczne.
W zależności od problemu wykorzystuje się różne systemy pomiarowe:
• Motion capture — rejestruje położenie segmentów ciała i pozwala odtworzyć ruch zawodnika w przestrzeni, m.in. pracę stawów, ustawienie kończyn czy parametry kroku.
• Platformy dynamometryczne — mierzą siły powstające pomiędzy zawodnikiem a podłożem podczas kontaktu stopy z nawierzchnią.
• Mapowanie nacisku — wkładki pomiarowe lub platformy pokazują, w którym miejscu i momencie kontaktu obciążane są poszczególne obszary stopy.
• Analiza metaboliczna — pozwala porównywać koszt energetyczny biegu w różnych konstrukcjach obuwia w kontrolowanych warunkach.
• Skanowanie 3D i 4D stopy — pozwala analizować jej geometrię oraz, w przypadku pomiarów dynamicznych, zmiany kształtu zachodzące pod obciążeniem i podczas ruchu.
Zestawienie tych pomiarów pozwala lepiej opisać problem zdefiniowany wcześniej w briefie i określić, jakie parametry powinny zostać uwzględnione podczas projektowania. Jeżeli celem jest na przykład zmiana sposobu przetaczania stopy, rozkładu nacisku albo kosztu energetycznego biegu, zespół może określić, jakie zmienne będzie później monitorował podczas oceny kolejnych rozwiązań.
Żaden pomiar nie opisuje jednak całej interakcji zawodnika z obuwiem. Dlatego zadaniem laboratorium nie jest zebranie możliwie największej liczby parametrów, lecz odpowiedź na konkretne pytanie projektowe. Wyniki stają się podstawą do pozostawienia rozwiązania, jego modyfikacji albo przygotowania kolejnego wariantu.
Etap 2. Jak dane o stopie zamieniają się w dopasowanie buta?
Jednym z parametrów zbieranych na wcześniejszym etapie jest geometria stopy. Skanowanie 3D pozwala dokładnie odwzorować jej kształt, jednak dla projektanta statyczny pomiar jest tylko punktem wyjścia. Stopa nie jest sztywnym obiektem o stałych wymiarach. Jej geometria zmienia się pod wpływem obciążenia i ruchu.
Skala tych zmian może być znacząca. W badaniu opublikowanym w PLOS ONE w 2022 roku szerokość przodostopia zwiększała się pod obciążeniem o około 10 proc., natomiast wysokość śródstopia zmniejszała się nawet o około 18 proc. Oznacza to, że dopasowania nie można projektować wyłącznie na podstawie wymiarów stopy zarejestrowanych w pozycji statycznej.
Dane te trzeba następnie przełożyć na geometrię buta. Podstawowym narzędziem jest kopyto obuwnicze — trójwymiarowa forma, wokół której konstruowana jest cholewka. Kopyto uwzględnia geometrię stopy, ale nie jest jej dokładną kopią. Jego zadaniem jest zapewnienie odpowiedniej przestrzeni dla materiałów, uwzględnienie przeznaczenia produktu i zakładany sposób dopasowania.
Następnie przekłada się model bazowy na pełną rozmiarówkę. Proces ten określa się jako grading. Nie polega on wyłącznie na proporcjonalnym powiększaniu lub zmniejszaniu całego buta. Wraz z długością stopy zmieniają się również jej szerokość, objętość i wzajemne położenie struktur anatomicznych, które trzeba uwzględnić przy projektowaniu.
Na końcu tego etapu dane zebrane podczas pomiarów zaczynają więc przyjmować konkretną postać konstrukcyjną. Zespół wie już nie tylko, dla kogo projektuje but, ale również jakiej przestrzeni i geometrii wymaga stopa użytkownika. Te założenia mogą zostać wykorzystane podczas projektowania pierwszej cyfrowej wersji produktu.
Etap 3. Jak dane zamieniają się w projekt i pierwszy prototyp?
Po zebraniu danych o użytkowniku i określeniu wymagań dotyczących dopasowania zespół może przełożyć wcześniejsze założenia na konkretną konstrukcję. W środowisku CAD powstają cyfrowe modele podeszwy, cholewki i pozostałych elementów buta. Na tym etapie można zmieniać między innymi geometrię podeszwy (jej grubość i szerokość), profil przetoczenia, rozmieszczenie materiałów czy konstrukcję poszczególnych komponentów.
Po zakończonym projektowaniu zaczyna się prototypowanie. W zależności od pytania projektowego nie musi od razu powstać kompletny but. Prototyp może obejmować pojedynczy element, fragment podeszwy, bieżnik lub konstrukcję przygotowaną do sprawdzenia dopasowania. Szybkie metody wytwarzania, w tym druk 3D, pozwalają wcześniej ocenić wybrane rozwiązania i wprowadzić poprawki przed wykonaniem pełnego prototypu funkcjonalnego.
Dopiero po połączeniu najważniejszych elementów powstaje konstrukcja, którą można poddać szerszej weryfikacji. Hipoteza zapisana wcześniej w briefie i rozwijana na podstawie danych przyjmuje wtedy fizyczną postać.
Etap 4. Jak prototyp zamienia się w zweryfikowaną konstrukcję?
Kiedy powstaje funkcjonalny prototyp, proces wchodzi w kolejną fazę weryfikacji w laboratorium, które sprawdza, czy poszczególne decyzje projektowe dają oczekiwany rezultat i czy poprawa jednego parametru nie powoduje problemów w innym obszarze.
Zakres badań zależy od rodzaju produktu i hipotezy projektowej, ale testy można podzielić na kilka głównych obszarów:
1. Podeszwa i pianka — bada się m.in. odkształcenie pod obciążeniem, zachowanie podczas wielokrotnego ściskania, zmęczenie materiału oraz wpływ temperatury. Pozwala to ocenić nie tylko początkowe właściwości konstrukcji, ale również ich zmianę wraz z użytkowaniem.
2. Konstrukcja — analizowana może być sztywność podczas zginania i skręcania, trwałość połączeń czy odporność na rozwarstwienie. Dzięki temu można sprawdzić, jak materiały zachowują się po połączeniu w jeden system.
3. Trakcja i zużycie — testuje się odporność gumy i bieżnika na ścieranie oraz przyczepność na określonych nawierzchniach i w różnych warunkach. Nie istnieje jedna uniwersalna wartość „dobrej przyczepności” dla wszystkich zastosowań sportowych.
4. Cholewka — badania obejmują m.in. rozciąganie, przetarcia, trwałość szwów i otworów sznurowania oraz wpływ wilgotności i temperatury. Pozwalają wykryć problemy, które mogą ujawnić się dopiero podczas dłuższego użytkowania.
Jednym z parametrów badanych w obuwiu sportowym może być również zwrot energii. Procedury takie jak ASTM F1976 pozwalają ocenić zachowanie systemu amortyzacji w kontrolowanych warunkach. Wyniku takiego testu nie należy jednak utożsamiać z ilością energii, którą sportowiec wykorzysta podczas biegu. Na końcowy efekt wpływają również geometria konstrukcji i sposób, w jaki współpracuje ona z konkretnym zawodnikiem.
Wyniki badań laboratoryjnych trzeba również interpretować na właściwym poziomie. Dobry wynik pojedynczego materiału nie gwarantuje dobrego wyniku kompletnego buta. Jeżeli konstrukcja nie zachowuje się zgodnie z założeniami, powstaje kolejny wariant. Następnie zmodyfikowany prototyp ponownie trafia do testów. Dopiero but gdy przejdzie wszystkie testy pozytywnie, przechodzi na kolejny etap.
Etap 5. Jak prototyp sprawdza się w kontakcie ze sportowcem?
Po testach laboratoryjnych zespół wie już znacznie więcej o właściwościach materiałów i zachowaniu całej konstrukcji. Nadal nie oznacza to jednak, że wiadomo, jak but będzie współpracował z człowiekiem podczas rzeczywistego ruchu.
Dlatego kolejnym poziomem są testy z udziałem sportowców. W zależności od celu projektu mogą obejmować kilka uzupełniających się obszarów:
• testy biomechaniczne — pozwalają sprawdzić, czy konstrukcja wpływa na ruch w sposób zgodny z założeniami;
• testy fizjologiczne — mogą służyć m.in. do porównania kosztu energetycznego biegu w różnych wariantach obuwia;
• testy użytkowe — pokazują, jak prototyp zachowuje się podczas treningu i dłuższego użytkowania;
• ocenę subiektywną — dostarcza informacji o dopasowaniu, komforcie, punktach ucisku, stabilności, przesuwaniu pięty czy odczuwaniu konstrukcji podczas ruchu.
Znaczenie tego etapu wynika z różnic pomiędzy użytkownikami. Ta sama konstrukcja nie musi wywoływać identycznej odpowiedzi u każdego zawodnika. W badaniu Hébert-Losier i wsp. różnice w odpowiedzi metabolicznej na testowane obuwie zależały między innymi od sposobu kontaktu stopy z podłożem. Wynik uzyskany dla całej grupy nie oznacza więc automatycznie takiego samego efektu u konkretnego biegacza.
Podobnie dane laboratoryjne i opinie testerów nie muszą prowadzić do identycznych wniosków. Konstrukcja może spełniać założenia mechaniczne, a jednocześnie powodować problemy z dopasowaniem, stabilnością lub komfortem podczas dłuższego użytkowania. Z drugiej strony pozytywna ocena testera nie zastępuje pomiaru parametrów, które zespół chce kontrolować.
Dlatego testy z udziałem ludzi nie zastępują laboratorium, lecz dodają kolejny poziom weryfikacji. Jeżeli wyniki pomiarów i doświadczenia użytkowników wskazują na ten sam kierunek, zespół zyskuje mocniejsze podstawy do utrzymania rozwiązania. Jeżeli są sprzeczne, trzeba ustalić, czy problem dotyczy konstrukcji, zastosowanej metody pomiarowej, warunków testu czy różnic pomiędzy użytkownikami.
Etap 6. Jak wyniki testów zamieniają się w kolejną wersję buta?
Po zakończeniu testów laboratoryjnych i użytkowych zespół porównuje wyniki z założeniami określonymi wcześniej w projekcie. Jeżeli prototyp nie zachowuje się zgodnie z oczekiwaniami, informacje wracają do projektantów i inżynierów rozpoczynając kolejną iteracje.
Tak powstaje kolejny wariant, który ponownie przechodzi odpowiednie testy.:
Projekt → prototyp → pomiar → analiza → modyfikacja → kolejny prototyp → ponowny pomiar.
Nie każda poprawka prowadzi jednak do jednoznacznie lepszego produktu. Zmiana jednego elementu może wpływać na kilka właściwości konstrukcji jednocześnie. Zmniejszenie ilości materiału może obniżyć masę, ale jednocześnie zmienić trwałość. Modyfikacja geometrii podeszwy może wpływać zarówno na sposób przetaczania stopy, jak i zachowanie buta podczas obciążenia. Inny bieżnik może sprawdzać się lepiej na jednej nawierzchni, ale nie musi zapewniać takich samych właściwości w innych warunkach.
Dlatego celem iteracji nie jest maksymalizacja wszystkich parametrów jednocześnie. Zespół musi określić, które właściwości są najważniejsze dla użytkownika i zastosowania zdefiniowanego na początku procesu. Inne kompromisy będą akceptowalne w lekkim bucie startowym, inne w modelu przeznaczonym do codziennego treningu, a jeszcze inne w obuwiu terenowym.
Proces może powtarzać się wielokrotnie, jednak publiczne dane nie pozwalają określić jednej typowej liczby iteracji dla branży. Nie należy również utożsamiać jednej iteracji z jedną parą butów — w ramach tego samego cyklu mogą powstawać różne warianty konstrukcji lub prototypy pojedynczych komponentów.
Dopiero gdy kolejne wyniki wskazują, że konstrukcja spełnia przyjęte wymagania, projekt może przejść dalej. Zatwierdzony prototyp nadal nie jest jednak gotowym produktem seryjnym — kolejnym zadaniem jest odtworzenie jego właściwości w powtarzalnym procesie produkcyjnym.
Etap 7. Jak zatwierdzony prototyp zamienia się w produkt seryjny?
Po kolejnych iteracjach zespół może dojść do konstrukcji, która spełnia przyjęte wymagania w testach laboratoryjnych i użytkowych. Następnym krokiem będzie przełożenie go na proces, który pozwoli odtwarzać jego właściwości w kolejnych egzemplarzach.
Ten etap określa się jako industrializację. Projekt zostaje przełożony na dokumentację techniczną i docelowe procesy produkcyjne. Przygotowywane są między innymi narzędzia i formy potrzebne do wykonywania poszczególnych komponentów, a materiały używane wcześniej podczas prototypowania muszą zostać zastąpione lub potwierdzone w wariantach przeznaczonych do produkcji seryjnej.
Znaczenie ma również pełna rozmiarówka. Konstrukcja rozwijana wokół określonego rozmiaru bazowego musi zostać przełożona na pozostałe rozmiary przy zachowaniu założonego dopasowania i właściwości produktu.
Po uzyskaniu dokumentacji powstają próbki wykonane przy użyciu docelowych procesów produkcyjnych. Zespół sprawdza już nie tylko, czy but działa zgodnie z założeniami, ale również czy kolejne egzemplarze można wykonywać powtarzalnie zgodnie z określoną specyfikacją.
To podstawowa różnica między prototypem a produktem seryjnym. Pojedynczy prototyp może zostać wykonany i dopracowany przez specjalistów. W produkcji podobny rezultat musi być osiągany powtarzalnie w dużej liczbie egzemplarzy. Jeżeli na tym etapie pojawiają się problemy z wykonaniem konstrukcji, jakością lub powtarzalnością, konieczne mogą być kolejne zmiany projektu albo procesu produkcyjnego. Industrializacja pozostaje więc częścią procesu rozwoju produktu, a nie wyłącznie przygotowaniem fabryki do rozpoczęcia produkcji.
Dopiero po zakończeniu tego etapu zatwierdzona konstrukcja może przejść do produkcji seryjnej. Proces rozpoczęty od potrzeby użytkownika kończy się więc nie wtedy, gdy powstaje działający prototyp, lecz wtedy, gdy jego właściwości można powtarzalnie odtworzyć w gotowym produkcie.
Podsumowanie
Nowoczesne obuwie sportowe nie powstaje w wyniku pojedynczej decyzji projektowej, lecz w ramach iteracyjnego procesu, w którym realne potrzeby użytkownika są precyzyjnie przekładane na mierzalne wymagania techniczne, geometrię oraz docelową konstrukcję.
Finalny produkt stanowi więc rezultat wieloetapowej weryfikacji obejmującej tworzenie prototypów, specjalistyczne testy laboratoryjne oraz badania w warunkach rzeczywistych z udziałem sportowców, gdzie kluczowym wyzwaniem pozostaje harmonijne połączenie oczekiwań funkcjonalnych z ograniczeniami technologicznymi i produkcyjnymi.
ŹRÓDŁA
World Athletics, Athletic Shoe Regulations — przepisy dotyczące obuwia używanego w zawodach lekkoatletycznych: https://worldathletics.org/about-iaaf/documents/book-of-rules
Zhang L. i wsp., Foot deformation analysis with different load-bearing conditions to enhance diabetic footwear designs, PLOS ONE, 2022 — zmiany geometrii stopy pod wpływem obciążenia: https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0264233
Zhang L.Y. i wsp., An exploratory study of dynamic foot shape measurements with 4D scanning system, Scientific Reports, 2023 — dynamiczne skanowanie 4D i zmiany geometrii stopy podczas ruchu: https://www.nature.com/articles/s41598-023-35822-0
Hébert-Losier K. i wsp., Metabolic and performance responses of male runners wearing 3 types of footwear, Journal of Sport and Health Science, 2022 — ekonomia biegu i zróżnicowana odpowiedź zawodników na konstrukcję obuwia: https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9189709/
ASTM International, ASTM F1976-24, Standard Test Method for Impact Attenuation of Athletic Shoe Cushioning Systems and Materials — laboratoryjna ocena tłumienia uderzenia systemów amortyzacji, materiałów i komponentów obuwia: https://store.astm.org/f1976-24.html
Liverpool John Moores University, Biomechanics Research Group — biomechanika sportowa i biomechanika obuwia; źródło zdjęcia do etapu badań biomechanicznych: https://www.ljmu.ac.uk/research/centres-and-institutes/research-institute-for-sport-and-exercise-sciences/expertise/biomechanics-research-group
ATOM Shoemaster, Custom Orthopedic Production — skanowanie stopy, porównywanie skanu z cyfrowym kopytem, modyfikacja jego geometrii i projektowanie CAD; źródło grafiki do etapu dopasowania: https://atom-shoemaster.com/en/p/custom-production/custom-orthopedic-production/
ATOM Shoemaster, Custom Tailor Made Production — skanowanie 3D, projektowanie kopyta, grading, CAD i przygotowanie konstrukcji obuwia: https://atom-shoemaster.com/en/p/custom-production/custom-tailor-made-production/
Nike, Designed to Run Beyond: the Nike Vomero Premium is pushing boundaries to build miles — przykład procesu projektowania, prototypowania i testowania kolejnych wersji obuwia; źródło zdjęcia do etapu prototypowania: https://www.nike.com/gb/a/vomero-premium-release-info/
ZwickRoell, Sportmaster LTM — mechaniczne i zmęczeniowe testowanie elementów obuwia; źródło zdjęcia do etapu testów laboratoryjnych: https://www.zwickroell.com/news-events/case-studies/sportsmaster-ltm/
Nike, The Nike Alphafly 3: marathon speed for all runners — rozwój i testowanie Alphafly 3 z udziałem zawodników; źródło zdjęcia do etapu testów ze sportowcem: https://about.nike.com/en-GB/newsroom/releases/the-nike-alphafly-3-marathon-speed-for-all-runners
Fleet Feet, New Balance Designed the FuelCell 5280 to Conquer the Road Mile — rozwój New Balance FuelCell 5280, testowanie prototypów, analiza danych, feedback zawodników i kolejne iteracje konstrukcji; źródło zdjęcia do etapu iteracji: https://www.fleetfeet.com/blog/new-balance-designs-the-fuelcell-5280-to-conquer-road-miles
Global Economic News — źródło zdjęcia przedstawiającego seryjną produkcję obuwia sportowego: https://www.g-enews.com/article/Global-Biz/2019/11/201911131122007881428b74b45e_1
