中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
近年來，可穿戴技術(shù)與人工智能融合為個性化、實時、精準(zhǔn)的智慧醫(yī)療發(fā)展帶來了新契機。步態(tài)作為人體神經(jīng)、骨骼和肌肉系統(tǒng)協(xié)同作用的綜合體現(xiàn)，能夠反映個體的運動狀態(tài)、健康水平及潛在病變風(fēng)險。連續(xù)、動態(tài)的步態(tài)監(jiān)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(fù)評估中具有廣泛應(yīng)用，也為運動姿態(tài)糾正、跌倒預(yù)警、老年人健康管理等提供了科學(xué)依據(jù)，具有顯著的臨床價值與社會意義。以智能鞋墊為載體的足底壓力傳感監(jiān)測系統(tǒng)因其便攜性與易集成性，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)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、無線智能鞋墊，旨在用于足底壓力監(jiān)測以及步態(tài)的實時可視化分析。該鞋墊由柔性太陽能電池供電，集成了22路壓力傳感器，可實現(xiàn)高空間分辨率的壓力映射，并在智能手機端上可進(jìn)行實時動態(tài)可視化展示，非常直觀、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性協(xié)同策略，從而實現(xiàn)了優(yōu)異的線性度（R2 > 0.999）和高穩(wěn)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(xí)模型）實現(xiàn)了對八種運動狀態(tài)的準(zhǔn)確識別，包括靜態(tài)（例如坐姿和站姿）和動態(tài)（例如行走、跑步和下蹲）活動。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(jié)構(gòu)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能電池模組，將太陽能轉(zhuǎn)換成電能并儲存在鋰電池中，為智能鞋墊持續(xù)供能。雙非線性協(xié)同策略的采用，降低了數(shù)據(jù)處理復(fù)雜度，并提升了穩(wěn)定性和測量精度。采集到的高質(zhì)量傳感數(shù)據(jù)，蘊含了豐富的人體運動特征，因此能夠通過機器學(xué)習(xí)模型加持，以低數(shù)據(jù)集輸入的情況下，實現(xiàn)多狀態(tài)和高準(zhǔn)確率的識別。
圖1 用于足底壓力監(jiān)測與運動識別的自供能無線智能鞋墊
相比依賴昂貴設(shè)備與復(fù)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(gòu)建三維多孔網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，顯著降低了制備成本與技術(shù)門檻，為快速、規(guī)?；a(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。此外，器件結(jié)構(gòu)設(shè)計簡潔，僅通過優(yōu)化導(dǎo)電材料的配比，即實現(xiàn)了高靈敏度與高線性度的傳感輸出。該性能提升得益于傳感器中機械與電學(xué)非線性特性的協(xié)同抵消，使其在0–225?kPa范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)于0.999的線性響應(yīng)。不僅如此，器件還擁有優(yōu)異的動態(tài)響應(yīng)和長期穩(wěn)定性，在0.1至2.0赫茲頻率下響應(yīng)基本一致，且十八萬次循環(huán)壓縮測試后無明顯性能衰減。
圖2 基于非線性協(xié)同策略的壓力傳感器性能表征
為實現(xiàn)可穿戴設(shè)備的持續(xù)穩(wěn)定供能，研究人員開發(fā)了一種柔性鈣鈦礦太陽能電池。該電池采用柔性基底與多層薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過低溫工藝制備，在保證16.95%光電轉(zhuǎn)換效率的同時，展現(xiàn)出優(yōu)異的機械柔性。測試結(jié)果表明，在2.75毫米彎曲半徑條件下太陽能電池仍能保持90%以上的初始性能。研究團隊進(jìn)一步構(gòu)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景，實驗表明在10,000（陰天）至90,000（晴天）勒克斯光照條件下，器件能夠穩(wěn)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(chǔ)。
圖3 柔性鈣鈦礦太陽能電池的設(shè)計與性能表征
為了實現(xiàn)智能鞋墊在自供能情況下實現(xiàn)腳底壓力的高精度和高時空分辨率采集，研究人員對該系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了充分優(yōu)化設(shè)計，包括傳感器的低電壓供能、低功率藍(lán)牙和信號采集模塊只在信號發(fā)送和采集時被激活，以降低整體系統(tǒng)的功耗，最終實現(xiàn)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(nèi)弱光環(huán)境下工作1小時。智能鞋墊中的傳感器陣列針對足部關(guān)鍵壓力區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化布局，可精確采集靜態(tài)與動態(tài)足底壓力信息。正常站立、腳尖或腳跟受力站立，以及內(nèi)八字與外八字姿勢均展現(xiàn)出各自特有的壓力分布特征。依托于高時空分辨率的采集能力，該系統(tǒng)深入分析了步行與跑步過程中的足底壓力分布規(guī)律。結(jié)果顯示，步行時重心從腳跟緩慢過渡至腳尖，腳部在整個步態(tài)周期中約有一半時間與地面接觸；而在跑步時，腳掌幾乎同時著地并迅速離地，接觸時間不足整個周期的四分之一。
圖4 用于足底壓力實時監(jiān)測與動態(tài)步態(tài)分析的智能鞋墊設(shè)計與性能表征
優(yōu)異的傳感性能與采集電路設(shè)計為機器學(xué)習(xí)模型的集成提供了堅實基礎(chǔ)。所采集的數(shù)據(jù)具有穩(wěn)定且區(qū)分度高的運動特征，使得在較小模型規(guī)模下即可實現(xiàn)對八種運動狀態(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間邊界的有效利用，尤其適用于本場景，主成分分析結(jié)果亦驗證了不同運動狀態(tài)之間的良好可分性。
圖5 智能鞋墊結(jié)合機器學(xué)習(xí)模型實現(xiàn)多種運動狀態(tài)精準(zhǔn)分類
總之，本研究通過材料選擇、器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化及軟硬件協(xié)同設(shè)計，構(gòu)建了一套涵蓋能量采集、存儲與供應(yīng)，信號感知、傳輸與可視化，以及器件制備、集成與應(yīng)用的多維度可穿戴系統(tǒng)解決方案。該系統(tǒng)在步態(tài)分析、疾病預(yù)警、姿勢矯正與疲勞監(jiān)測等醫(yī)療、健康管理與運動科學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用潛力。未來，通過集成多模態(tài)傳感器，有望進(jìn)一步拓展足部生理信號的監(jiān)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(xiàn)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)基金重點項目、甘肅省聯(lián)合基金項目、甘肅省重點研發(fā)計劃、柔性電子技術(shù)國家重點實驗室以及蘭州大學(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(tǒng)、人機界面元器件、柔性導(dǎo)電膜等方向持續(xù)開展深入研究，取得了多項代表性研究成果。在柔性儲能方面，團隊深入探索了應(yīng)用于可植入生物體和綠色環(huán)保場景的可降解電池與超級電容器的材料與器件；開發(fā)了具備無線充電與按需釋放功能的可拉伸柔性供能系統(tǒng)；在人機界面元器件方面，構(gòu)建了具備整流與邏輯運算能力的電容式離子二極管，可應(yīng)用于腦機接口等領(lǐng)域；在柔性導(dǎo)電膜方面，設(shè)計開發(fā)了高透明、低電阻的熱療貼片，應(yīng)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，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
