中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近年來(lái)，可穿戴技術(shù)與人工智能融合為個(gè)性化、實(shí)時(shí)、精準的智慧醫療發(fā)展帶來(lái)了新契機。步態(tài)作為人體神經(jīng)、骨骼和肌肉系統協(xié)同作用的綜合體現，能夠反映個(gè)體的運動(dòng)狀態(tài)、健康水平及潛在病變風(fēng)險。連續、動(dòng)態(tài)的步態(tài)監測不僅在心力衰竭、帕金森病、腦卒中、扁平足、糖尿病足等疾病的早期篩查和康復評估中具有廣泛應用，也為運動(dòng)姿態(tài)糾正、跌倒預警、老年人健康管理等提供了科學(xué)依據，具有顯著(zhù)的臨床價(jià)值與社會(huì )意義。以智能鞋墊為載體的足底壓力傳感監測系統因其便攜性與易集成性，展現出巨大的應用潛力。
近日，蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院蘭偉教授領(lǐng)銜的柔性電子科研團隊，聯(lián)合同院靳志文教授及美國俄亥俄州立大學(xué)李婧華教授，研制出一種高集成度、自供能、無(wú)線(xiàn)智能鞋墊，旨在用于足底壓力監測以及步態(tài)的實(shí)時(shí)可視化分析。該鞋墊由柔性太陽(yáng)能電池供電，集成了22路壓力傳感器，可實(shí)現高空間分辨率的壓力映射，并在智能手機端上可進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)可視化展示，非常直觀(guān)、方便快捷。集成到智能鞋墊中的這些壓力傳感器采用了雙非線(xiàn)性協(xié)同策略，從而實(shí)現了優(yōu)異的線(xiàn)性度（R2 > 0.999）和高穩定性（>180,000次壓縮循環(huán)）。進(jìn)一步采用AI模型（支持向量機機器學(xué)習模型）實(shí)現了對八種運動(dòng)狀態(tài)的準確識別，包括靜態(tài)（例如坐姿和站姿）和動(dòng)態(tài)（例如行走、跑步和下蹲）活動(dòng)。該成果以“A wireless, self-powered smart insole for gait monitoring and recognition via nonlinear synergistic pressure sensing”為題，發(fā)表于國際期刊《Science Advances》上。
該智能鞋墊由多層結構組成，包括封裝層，上下電極，碳納米管/乙炔黑傳感層，PDMS支撐層和嵌入在其中的印刷電路板組成。貼附在鞋子頂部的柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池模組，將太陽(yáng)能轉換成電能并儲存在鋰電池中，為智能鞋墊持續供能。雙非線(xiàn)性協(xié)同策略的采用，降低了數據處理復雜度，并提升了穩定性和測量精度。采集到的高質(zhì)量傳感數據，蘊含了豐富的人體運動(dòng)特征，因此能夠通過(guò)機器學(xué)習模型加持，以低數據集輸入的情況下，實(shí)現多狀態(tài)和高準確率的識別。
圖1 用于足底壓力監測與運動(dòng)識別的自供能無(wú)線(xiàn)智能鞋墊
相比依賴(lài)昂貴設備與復雜工藝的光刻等微納加工技術(shù)，研究人員采用方糖模板構建三維多孔網(wǎng)絡(luò )結構，顯著(zhù)降低了制備成本與技術(shù)門(mén)檻，為快速、規?；a(chǎn)奠定了基礎。此外，器件結構設計簡(jiǎn)潔，僅通過(guò)優(yōu)化導電材料的配比，即實(shí)現了高靈敏度與高線(xiàn)性度的傳感輸出。該性能提升得益于傳感器中機械與電學(xué)非線(xiàn)性特性的協(xié)同抵消，使其在0–225?kPa范圍內表現出優(yōu)于0.999的線(xiàn)性響應。不僅如此，器件還擁有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)響應和長(cháng)期穩定性，在0.1至2.0赫茲頻率下響應基本一致，且十八萬(wàn)次循環(huán)壓縮測試后無(wú)明顯性能衰減。
圖2 基于非線(xiàn)性協(xié)同策略的壓力傳感器性能表征
為實(shí)現可穿戴設備的持續穩定供能，研究人員開(kāi)發(fā)了一種柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池。該電池采用柔性基底與多層薄膜結構設計，通過(guò)低溫工藝制備，在保證16.95%光電轉換效率的同時(shí)，展現出優(yōu)異的機械柔性。測試結果表明，在2.75毫米彎曲半徑條件下太陽(yáng)能電池仍能保持90%以上的初始性能。研究團隊進(jìn)一步構建了12平方厘米的柔性組件，并研究了其在不同光照情況下的能量采集性能，以證明其兼容各種使用場(chǎng)景，實(shí)驗表明在10,000（陰天）至90,000（晴天）勒克斯光照條件下，器件能夠穩定輸出功率10至102毫瓦能量，這為智能鞋墊的自供能運行奠定了基礎。
圖3 柔性鈣鈦礦太陽(yáng)能電池的設計與性能表征
為了實(shí)現智能鞋墊在自供能情況下實(shí)現腳底壓力的高精度和高時(shí)空分辨率采集，研究人員對該系統的硬件和軟件進(jìn)行了充分優(yōu)化設計，包括傳感器的低電壓供能、低功率藍牙和信號采集模塊只在信號發(fā)送和采集時(shí)被激活，以降低整體系統的功耗，最終實(shí)現了10.7mW的整機功耗?；诖?，智能鞋墊在強光下照射6分鐘，即可在室內弱光環(huán)境下工作1小時(shí)。智能鞋墊中的傳感器陣列針對足部關(guān)鍵壓力區域進(jìn)行優(yōu)化布局，可精確采集靜態(tài)與動(dòng)態(tài)足底壓力信息。正常站立、腳尖或腳跟受力站立，以及內八字與外八字姿勢均展現出各自特有的壓力分布特征。依托于高時(shí)空分辨率的采集能力，該系統深入分析了步行與跑步過(guò)程中的足底壓力分布規律。結果顯示，步行時(shí)重心從腳跟緩慢過(guò)渡至腳尖，腳部在整個(gè)步態(tài)周期中約有一半時(shí)間與地面接觸；而在跑步時(shí)，腳掌幾乎同時(shí)著(zhù)地并迅速離地，接觸時(shí)間不足整個(gè)周期的四分之一。
圖4 用于足底壓力實(shí)時(shí)監測與動(dòng)態(tài)步態(tài)分析的智能鞋墊設計與性能表征
優(yōu)異的傳感性能與采集電路設計為機器學(xué)習模型的集成提供了堅實(shí)基礎。所采集的數據具有穩定且區分度高的運動(dòng)特征，使得在較小模型規模下即可實(shí)現對八種運動(dòng)狀態(tài)的高精度識別。相較于隨機深林和積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型，支持向量機（SVM）憑借其對特征空間中類(lèi)間邊界的有效利用，尤其適用于本場(chǎng)景，主成分分析結果亦驗證了不同運動(dòng)狀態(tài)之間的良好可分性。
圖5 智能鞋墊結合機器學(xué)習模型實(shí)現多種運動(dòng)狀態(tài)精準分類(lèi)
總之，本研究通過(guò)材料選擇、器件結構優(yōu)化及軟硬件協(xié)同設計，構建了一套涵蓋能量采集、存儲與供應，信號感知、傳輸與可視化，以及器件制備、集成與應用的多維度可穿戴系統解決方案。該系統在步態(tài)分析、疾病預警、姿勢矯正與疲勞監測等醫療、健康管理與運動(dòng)科學(xué)等領(lǐng)域展現出廣泛的應用潛力。未來(lái)，通過(guò)集成多模態(tài)傳感器，有望進(jìn)一步拓展足部生理信號的監測維度與深度。
蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院蘭偉教授為該論文的通訊作者，同院靳志文教授和美國俄亥俄州立大學(xué)李婧華教授為共同通訊作者。論文第一作者為蘭州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院碩士畢業(yè)生王齊（現為美國俄亥俄州立大學(xué)在讀博士生），碩士畢業(yè)生關(guān)輝與王辰為共同第一作者。本研究得到了國家自然科學(xué)基金、甘肅省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目、甘肅省聯(lián)合基金項目、甘肅省重點(diǎn)研發(fā)計劃、柔性電子技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室以及蘭州大學(xué)青年科研人員支持基金的共同資助。
近五年，蘭偉教授領(lǐng)銜的柔性電子科研團隊深耕柔性電子學(xué)領(lǐng)域研究，在柔性能源系統、人機界面元器件、柔性導電膜等方向持續開(kāi)展深入研究，取得了多項代表性研究成果。在柔性?xún)δ芊矫?，團隊深入探索了應用于可植入生物體和綠色環(huán)保場(chǎng)景的可降解電池與超級電容器的材料與器件；開(kāi)發(fā)了具備無(wú)線(xiàn)充電與按需釋放功能的可拉伸柔性供能系統；在人機界面元器件方面，構建了具備整流與邏輯運算能力的電容式離子二極管，可應用于腦機接口等領(lǐng)域；在柔性導電膜方面，設計開(kāi)發(fā)了高透明、低電阻的熱療貼片，應用于皮下腫瘤治療，2024年獲得華為難題揭榜“火花獎”，被邀參加了深圳總部“火花獎”頒獎大會(huì )，并與華為任正非先生進(jìn)行座談。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu1598
