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  腳作為人體的重要器官，在幾乎所有的運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目中都起著至關(guān)重要的作用，是智能運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵。通過感知足部姿勢，可以快速獲取大量的運(yùn)動(dòng)信息，從而全面反映運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)持續(xù)時(shí)間、運(yùn)動(dòng)健康等。同時(shí)，腳也是脆弱的，例如，在快速轉(zhuǎn)身跑步過程中，前腳趾的指甲很容易受損，并且由于意外的腳底滑動(dòng)，腳腱可能會(huì)斷裂。因此，鞋子的舒適性，尤其是運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)態(tài)舒適性，直接決定著運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)和運(yùn)動(dòng)員的表現(xiàn)。此外，鞋子的設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)許多因素進(jìn)行調(diào)整，包括腳的大小和形狀、運(yùn)動(dòng)習(xí)慣、運(yùn)動(dòng)類型等。鞋頭位于鞋面前部，包裹前掌，這是足部力量的主要部分，可用于研究鞋子的緊密性和舒適性。因此，開發(fā)一種與運(yùn)動(dòng)鞋集成的多功能傳感器系統(tǒng)是非常必要的，它不僅可以監(jiān)測腳的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，還可以定量地揭示緊密性和舒適性的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

  中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的王中林院士和陳翔宇研究員于《ACS Nano》期刊上發(fā)表了題為“Monitoring the Degree of Comfort of Shoes In-Motion Using Triboelectric Pressure Sensors with an Ultrawide Detection Range”的文章。在這項(xiàng)工作中，鞋內(nèi)傳感器墊（ISSP）安裝在鞋面襯里上，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測腳部頂部的應(yīng)力分布。該ISSP上的每個(gè)傳感器單元都是一個(gè)氣囊式TENG（AC-TENG），其中具有堆疊交叉蜂窩結(jié)構(gòu)的活性炭/聚氨酯（AC/PU）用作摩擦電材料。AC/PU與氣囊式設(shè)計(jì)相結(jié)合，可以為每個(gè)AC-TENG實(shí)現(xiàn)超寬的檢測范圍，這使得ISSP能夠應(yīng)對(duì)多尺度的沖擊壓力。然后，將無線數(shù)據(jù)通信模塊集成到該ISSP中，可以在手機(jī)上實(shí)時(shí)顯示各種運(yùn)動(dòng)會(huì)期間的壓力動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。因此，該ISSP除可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)智能鞋的許多眾所周知的功能，包括步數(shù)計(jì)算和人機(jī)交互，還能夠揭示鞋子的適合性、腳趾上的應(yīng)力集中，甚至鞋子的動(dòng)態(tài)舒適度。信號(hào)處理電路集成了磁耦合感應(yīng)無線功率傳輸，可有效延長電池續(xù)航時(shí)間�？偟膩碚f，針對(duì)智能運(yùn)動(dòng)的需求，這種附著在鞋面襯里上的ISSP提供了一種新的方法來監(jiān)測鞋子和腳的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，可以指導(dǎo)運(yùn)動(dòng)員的訓(xùn)練和鞋子的設(shè)計(jì)。

圖1：鞋內(nèi)傳感器墊（ISSP）的結(jié)構(gòu)圖及其在智能運(yùn)動(dòng)中的應(yīng)用。

圖2：AC-TENG的工作機(jī)理和特性。

圖3：ISSP系統(tǒng)中輔助設(shè)備的工作機(jī)理及系統(tǒng)電路的供電策略。

圖4：ISSP的原型設(shè)計(jì)及其在彎曲變形過程中的輸出性能變化。

圖5：不同足部運(yùn)動(dòng)時(shí)的ISSP實(shí)時(shí)信號(hào)以及準(zhǔn)狀態(tài)下多通道信號(hào)和舒適度的表達(dá)。

圖6：ISSP在運(yùn)動(dòng)過程中動(dòng)態(tài)響應(yīng)多個(gè)信息中的應(yīng)用。

  本文提出了一種附加在鞋面襯里上的ISSP系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的感知，包括足部姿勢和鞋子在運(yùn)動(dòng)中的舒適度。ISSP系統(tǒng)由96個(gè)AC TENG組成，被整合到8個(gè)輸出通道中，用于監(jiān)測腳部的不同區(qū)域。智能設(shè)備上的數(shù)據(jù)可視化是通過信號(hào)處理和無線數(shù)據(jù)傳輸電路實(shí)現(xiàn)的，這些電路由MCI-WPT和電池的混合電源供電。ISSP可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)智能鞋的幾乎所有眾所周知的功能，包括步數(shù)和人機(jī)交互。更重要的是，該ISSP可以感知和識(shí)別鞋子的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)舒適度。在多層測試驗(yàn)證了ISSP檢測和識(shí)別不同足部運(yùn)動(dòng)的可靠性，同時(shí)根據(jù)ISSP收集的數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析了舒適度的變化和根本原因。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.1c11321

作者簡介：

  陳翔宇，研究員，博士生導(dǎo)師。入選北京市特聘專家，北京市青年拔尖人才，北京市科技新星，中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)。主要從事聚合物功能材料及納米能源器件的相關(guān)研究，包括納米發(fā)電機(jī)、固液界面電荷轉(zhuǎn)移機(jī)理、智能形變材料與器件、可穿戴傳感器件等方向，在Chemical Reviews, Nat Common，Science Advances， EES，Adv Mater，Materials Today，AFM，AEM，ACS Nano，Nano Energy等雜志發(fā)表SCI學(xué)術(shù)論文共50余篇。其中，第一作者(共同一作)和通訊作者的影響因子大于10的文章40余篇。目前作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持國家自然科學(xué)基金的青年基金和兩項(xiàng)面上基金，主持北京市面上基金，主持中科院青促會(huì)項(xiàng)目，科技新星和高創(chuàng)計(jì)劃。兩次作為骨干成員參與國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“納米科技”重點(diǎn)專項(xiàng)。