Footwear Innovation Science & Research: Aspects of Data Collection Methodology, Sub-Group Requirements and Functional Threshold Implications

Running shoes are the main interface between the athlete and the road. Since the 1980’s significant effort has been put into understanding running mechanics and the influence a shoe can have on performance, incidence of injury and comfort. However, there is limited knowledge on whether the predominant research methodology is useful in analyzing an activity that is mainly characterized by continuous motion. In addition, the majority of research has been conducted on Western runners, with little knowledge on whether previous findings can be related to runners of different ethnicity. Finally, when assessing the influence of running shoes on objective running biomechanics and subjective perception, the majority of studies have used shoes outside the commercial market range. This makes it difficult to know the minimum requirements to trigger changes in biomechanics and perception. The first study investigated running biomechanics and running shoe characterization during discontinuous runway running along a 20 m runway and continuous loop running around a 140 m concrete running loop in three different shoe conditions. It was found that running mode influenced running biomechanics, with reductions seen in ground contact time and peak braking force during continuous loop running. Furthermore, continuous loop running induced a flatter and more inverted foot-strike at touchdown, shown by a reduced sagittal plane shoe-ground angle and increased ankle inversion angle. Shoe classification remained similar across the two modes, with similar kinetic and kinematic effects seen in both discontinuous runway running and continuous loop running. The findings indicate that when precise variable magnitudes are required continuous loop running should be used but discontinuous runway running is sufficient for comparative shoe functionality evaluations. The second study assessed the running biomechanics and perception of Chinese men and women. The results showed differences in running mechanics, with females exhibiting increased hip internal rotation, knee flexion and abduction, as well as reduced sagittal plane shoe-ground angle and ankle inversion at touchdown in comparison to Chinese male runners. Females also exhibited increased maximal and mean vertical loading rates in comparison to their male counterparts. Despite the differences in loading, females did not perceive shoe cushioning to be worse than males. Differences between Chinese men and women followed similar trends to that of Western men and women, with Chinese females showing increased joint ranges of motion. This indicates that shoe design should focus on creating a shoe which provides gender specific performance and comfort. The third study examined the influence of mechanically different midsole hardness’s that are within a commercial range on running biomechanics and subjective perception. The findings showed no differences in lower limb kinematics. Softer shoes reduced the maximal vertical loading rate in comparison to a medium and harder shoe. Subjectively, runners were able to perceive a difference between the softer and harder shoe models. This suggests that a smaller difference in material hardness is required to elicit differences in biomechanical loading than is required to trigger differences in subjective perception. This thesis has revealed that there are differences in running biomechanics depending on the methodology used as well as providing knowledge on an under researched population. It has also provided information regarding a minimum threshold required to trigger differences in running biomechanics and subjective perception. Findings will benefit the running shoe industry by providing a methodology which can improve shoe design, and thresholds which can improve the manufacturing process of running shoes.

Laufschuhe sind die Hauptverbindung zwischen dem Athleten und der Straße. Seit den 1980er Jahren wird erheblicher Aufwand betrieben, um die Laufmechanik zu verstehen und den Einfluss eines Schuhs auf Leistung, Verletzungshäufigkeit und Komfort zu erfassen. Es besteht jedoch begrenztes Wissen darüber, ob die vorherrschende Forschungsmethodik das widerspiegelt, was Läufer im Freien tun. Darüber hinaus wurden die meisten Untersuchungen an westlichen Läufern durchgeführt, und es gibt nur wenig Wissen darüber, ob frühere Erkenntnisse auf Läufer unterschiedlicher ethnischer Herkunft übertragen werden können. Auch werden bei der Beurteilung des Einflusses von Laufschuhen auf objektive Laufbiomechanik und dessen subjektiver Wahrnehmung in den meisten Studien Schuhe außerhalb des kommerziellen Markts verwendet. Dies erschwert es, Mindestanforderungen zu erkennen, um Veränderungen in der Biomechanik und der Wahrnehmung auszulösen. Die erste Studie untersuchte die Laufbiomechanik und die Charakterisierung von Laufschuhen beim diskontinuierlichen Laufen auf einer 20 m langen Laufbahn, sowie beim kontinuierlichen Rundenlauf auf einer 140 m langen Betonlaufstrecke in drei verschiedenen Schuhbedingungen. Es wurde festgestellt, dass die Laufbedingung die Laufbiomechanik beeinflusste, wobei während des kontinuierlichen Rundenlaufs Verringerungen der Bodenkontaktzeit und der maximalen Bremskraft festgestellt wurden. Darüber hinaus führte der kontinuierliche Rundenlauf zu einem flacheren und stärker nach innen gerichteten Aufsetzen des Fußes, was durch einen reduzierten Schuh-Boden-Winkel in der Sagittalebene und einen erhöhten Inversionswinkel des Fussgelenks gezeigt wurde. Die Schuhklassifizierung blieb über beide Laufbedingungen hinweg vergleichbar, wobei ähnliche kinetische und kinematische Effekte sowohl beim diskontinuierlichen Laufen auf der Laufbahn als auch beim kontinuierlichen Rundenlauf beobachtet wurden. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass für präzise Variablenwerte der kontinuierliche Rundenlauf verwendet werden sollte, während der diskontinuierliche Laufbahnlauf für vergleichende Bewertungen der Schuhfunktionalität ausreichend ist. Die zweite Studie untersuchte die Laufbiomechanik und deren Wahrnehmung chinesischer Männer und Frauen. Die Ergebnisse zeigten Unterschiede in der Laufmechanik, wobei Frauen eine erhöhte Hüftrotation, Kniebeugung und -abduktion sowie einen reduzierten Schuh-Boden-Winkel in der Sagittalebene und eine reduzierte Inversion des Fussgelenks beim Fussaufsatz aufwiesen. Frauen zeigten auch eine erhöhte maximale und mittlere vertikale Kraftanstiegsrate im Vergleich zu den Männern. Trotz der Unterschiede in der Belastung empfanden Frauen die Dämpfung der Schuhe nicht schlechter als Männer. Die Unterschiede zwischen chinesischen Männern und Frauen folgten ähnlichen Trends wie bei westlichen Männern und Frauen, wobei chinesische Frauen eine erhöhte Gelenkbewegung aufwiesen. Dies deutet darauf hin, dass sich das Schuhdesign auf die Herstellung eines Schuhs darauf konzentrieren könnte, der geschlechtsspezifischen Leistung und Komfort Rechnung zu tragen. Die dritte Studie untersuchte den Einfluss unterschiedlicher mechanischer Härten der Mittelsoshle, welche sich innerhalb des kommerziellen Bereichs befinden, auf die Laufbiomechanik und dessen subjektive Wahrnehmung. Die Ergebnisse zeigten keine Unterschiede in der Kinematik der unteren Extremitäten. Weichere Schuhe reduzierten die maximale vertikale Kraftanstiegsrate im Vergleich zu einem mittleren und einem härteren Schuh. Subjektiv konnten Läufer einen Unterschied zwischen den weicheren und härteren Schuhmodellen wahrnehmen. Dies deutet darauf hin, dass zur Erzielung von Unterschieden in der biomechanischen Belastung eine geringere Materialhärtendifferenz erforderlich ist als zur Erzielung von Unterschieden in der subjektiven Wahrnehmung. Diese Arbeit hat gezeigt, dass es in Abhängigkeit von der Laufbedingung Unterschiede in der Laufbiomechanik gibt, und es wurde Wissen über eine wenig erforschte Bevölkerungsgruppe vermittelt. Sie hat auch Informationen hinsichtlich einer mechanischen Mindestschwelle von Materialeigenschaften geliefert, die zu überschreiten erforderlich ist, um Unterschiede in der Laufbiomechanik und subjektiven Wahrnehmung auszulösen. Die Ergebnisse werden der Laufschuhindustrie zugutekommen, indem sie Methodiken bereitstellen, die das Schuhdesign verbessern , sowie Schwellenwerte, die den Herstellungsprozess von Laufschuhen verbessern können.