第一作者：李曉炎
通訊作者：劉賢哲、羅堅(jiān)義
背景介紹及內(nèi)容概述
隨著科技的不斷進(jìn)步，可穿戴電子產(chǎn)品因其便攜性、靈活性和重量輕等優(yōu)點(diǎn)可以實(shí)時(shí)高效地監(jiān)測(cè)各種生理信號(hào)，在人體健康監(jiān)測(cè)、醫(yī)療和人機(jī)界面等眾多領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。步態(tài)分析包含大量有關(guān)人體健康和運(yùn)動(dòng)的信息，對(duì)了解人體健康狀況和量化活動(dòng)具有重要意義。然而，傳統(tǒng)的步態(tài)分析主要依賴(lài)大型儀器監(jiān)測(cè)如三維光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)和壓敏行人檢測(cè)，存在時(shí)空限制，無(wú)法滿(mǎn)足日?？焖?、便捷的步態(tài)分析。目前，集成壓敏傳感器的智能鞋墊被認(rèn)為是一種可行且有效的步態(tài)監(jiān)測(cè)策略，但存在壓力檢測(cè)范圍窄、傳感器集成度較低等問(wèn)題，難以獲得準(zhǔn)確的步態(tài)信息，導(dǎo)致其在步態(tài)分析領(lǐng)域應(yīng)用受限。
近日，五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院、柔性傳感材料與器件研究開(kāi)發(fā)中心劉賢哲博士、羅堅(jiān)義教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種高集成度且工藝簡(jiǎn)單的可穿戴碳纖維智能鞋墊系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高分辨率足底壓力分布的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可供于步態(tài)分析和動(dòng)作識(shí)別。其中，壓力傳感器利用導(dǎo)電碳纖維的柔韌性、自支撐等特性，通過(guò)交叉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)寬檢測(cè)范圍（0-1600kPa）和高靈敏度（0.01kPa-1@500-1600kPa）等性能。開(kāi)發(fā)出單只鞋墊集成104個(gè)高性能碳纖維壓力傳感器，可以提供高分辨率的足底壓力熱力學(xué)分布圖，不僅可精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)出身體重心的細(xì)微偏移，為姿勢(shì)調(diào)整提供參考，而且還可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)活動(dòng)過(guò)程中足底壓力分布的演變。更重要的是，根據(jù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中足底壓力分布的變化規(guī)律，將足底壓力分布進(jìn)行區(qū)域化和數(shù)字化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)識(shí)別功能。6種預(yù)設(shè)動(dòng)作（如走路、太極、打高爾夫、跳遠(yuǎn)、跳繩和向后摔倒）的平均識(shí)別準(zhǔn)確率為83.32%。這些結(jié)果表明，具有步態(tài)分析和運(yùn)動(dòng)識(shí)別功能的智能鞋墊在未來(lái)的智能生活中展示出巨大的應(yīng)用潛力。
本文以“Carbon Fiber-Based Smart Plantar Pressure Mapping Insole System for Remote Gait Analysis and Motion Identification”為題發(fā)表在Advanced Materials Technologies期刊。
圖1. (a) 智能鞋墊系統(tǒng)的說(shuō)明示意圖；(b) 碳纖維束的掃描電鏡圖；(c) 碳纖維壓力傳感器單元的結(jié)構(gòu)示意圖；(d) 碳纖維壓力傳感器的傳感機(jī)構(gòu)示意圖；(e) 行走過(guò)程中足底壓力分布的變化情況；(f) 用于運(yùn)動(dòng)識(shí)別的足底壓力分布數(shù)字化概念圖
論文具體內(nèi)容
圖2. (a) 碳纖維壓力傳感器的壓力-?R/R0曲線(xiàn)；(b) 碳纖維壓力傳感器電阻的時(shí)間響應(yīng)； (c) 碳纖維壓力傳感器的抗過(guò)載性測(cè)試；(d) 碳纖維壓力傳感器機(jī)械循環(huán)耐久性測(cè)試；(e) 碳纖維壓力傳感器的光學(xué)照片及防水性測(cè)試；(f) 碳纖維壓力傳感器浸泡不同時(shí)間的壓力響應(yīng)
圖3. (a) 智能鞋墊系統(tǒng)電路圖；(b) 智能鞋墊系統(tǒng)照片；(c) 智能鞋墊力學(xué)均勻性測(cè)試
圖4. (a) 太極招式—白鶴展翼的足底壓力分布變化；不同氣步槍射擊姿勢(shì)下足底壓力分布情況：(b) 姿勢(shì)A和 (c) 姿勢(shì)B；(d) 從姿勢(shì)A到姿勢(shì)B的重心偏移量
圖5. (a) 行走的瞬態(tài)照片；(b) 不同足底區(qū)域的平均足底壓力-時(shí)間曲線(xiàn)；不同運(yùn)動(dòng)的足底壓力分布演變圖：(c) 行走，(d) 跳繩，(e)長(zhǎng)跳，(f) 打高爾夫球，(g) 向后跌倒
圖6. (a) 鞋墊區(qū)域化示意圖；(b) 運(yùn)動(dòng)識(shí)別的邏輯框圖；(c) 碳纖維智能鞋墊對(duì)不同運(yùn)動(dòng)的快速識(shí)別；(d) 不同運(yùn)動(dòng)的識(shí)別準(zhǔn)確性
總結(jié)與展望
本文采用導(dǎo)電碳纖維束為傳感材料，利用其固有的自支撐、輕量、柔軟等特點(diǎn)，結(jié)合交叉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，獲得寬檢測(cè)范圍(0~1600 kPa)、優(yōu)異的抗過(guò)載能力(≈36 MPa)、快速響應(yīng)、低遲滯、良好均勻性、高耐水性和長(zhǎng)期耐久性等優(yōu)良傳感特性，滿(mǎn)足足底壓力監(jiān)測(cè)。為實(shí)現(xiàn)高精度、便攜式步態(tài)分析，開(kāi)發(fā)出一種高集成度、高性能碳纖維智能鞋墊系統(tǒng)。該智能鞋墊能夠遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)足底壓力分布情況。此外，根據(jù)不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下雙腳足底壓力分布的特點(diǎn)，提出足底壓力分布區(qū)域化和數(shù)字化，建立各種運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)集，實(shí)現(xiàn)人體運(yùn)動(dòng)識(shí)別的功能。針對(duì)6種預(yù)設(shè)運(yùn)動(dòng)，該智能鞋墊的平均識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)83.32%。具有步態(tài)分析和運(yùn)動(dòng)識(shí)別能力的智能鞋墊將在未來(lái)運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、康復(fù)和疾病診斷等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
作者及團(tuán)隊(duì)介紹
第一作者：李曉炎，女，五邑大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)院2020級(jí)材料與化工碩士研究生。
通訊作者：羅堅(jiān)義，男，工學(xué)博士，教授，博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任五邑大學(xué)應(yīng)用物理與材料學(xué)院院長(zhǎng)，五邑大學(xué)柔性傳感材料與器件研究開(kāi)發(fā)中心主任（創(chuàng)始人），廣東省杰出青年基金獲得者，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃智能傳感重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)會(huì)評(píng)專(zhuān)家，南粵優(yōu)秀教師, 江門(mén)市首屆 “僑鄉(xiāng)青年榜樣”，江門(mén)市優(yōu)秀科技工作者。主要研究領(lǐng)域包括：柔性傳感材料與器件應(yīng)用（柔性觸覺(jué)傳感、溫度傳感、氣壓傳感和彎曲傳感等）；納米功能材料合成；智能調(diào)光變色材料與器件。
通訊作者：劉賢哲，男，工學(xué)博士，講師，碩士生導(dǎo)師，主持廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目（青年基金項(xiàng)目）1項(xiàng)；主要研究方向?yàn)椋喝嵝詡鞲胁牧虾推骷捌鋺?yīng)用研究、新型光電材料與器件、噴墨印刷柔性電子器件。
附文獻(xiàn)及DOI號(hào)：
Carbon Fiber-Based Smart Plantar Pressure Mapping Insole System for Remote Gait Analysis and Motion Identification
DOI: 10.1002/admt.202300095
