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  腳作為人體的重要器官，在幾乎所有的運動項目中都起著至關(guān)重要的作用，是智能運動數(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動信息，從而全面反映運動狀態(tài)、運動持續(xù)時間、運動健康等。同時，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，腳腱可能會斷裂。因此，鞋子的舒適性，尤其是運動過程中的動態(tài)舒適性，直接決定著運動體驗和運動員的表現(xiàn)。此外，鞋子的設(shè)計應(yīng)根據(jù)許多因素進行調(diào)整，包括腳的大小和形狀、運動習(xí)慣、運動類型等。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)一種與運動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)測腳的運動參數(shù)，還可以定量地揭示緊密性和舒適性的動態(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。在這項工作中，鞋內(nèi)傳感器墊（ISSP）安裝在鞋面襯里上，用于實時監(jiān)測腳部頂部的應(yīng)力分布。該ISSP上的每個傳感器單元都是一個氣囊式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)計相結(jié)合，可以為每個AC-TENG實現(xiàn)超寬的檢測范圍，這使得ISSP能夠應(yīng)對多尺度的沖擊壓力。然后，將無線數(shù)據(jù)通信模塊集成到該ISSP中，可以在手機上實時顯示各種運動會期間的壓力動態(tài)數(shù)據(jù)。因此，該ISSP除可以實現(xiàn)傳統(tǒng)智能鞋的許多眾所周知的功能，包括步數(shù)計算和人機交互，還能夠揭示鞋子的適合性、腳趾上的應(yīng)力集中，甚至鞋子的動態(tài)舒適度。信號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)航時間。總的來說，針對智能運動的需求，這種附著在鞋面襯里上的ISSP提供了一種新的方法來監(jiān)測鞋子和腳的運動數(shù)據(jù)，可以指導(dǎo)運動員的訓(xùn)練和鞋子的設(shè)計。

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

圖2：AC-TENG的工作機理和特性。

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

圖4：ISSP的原型設(shè)計及其在彎曲變形過程中的輸出性能變化。

圖5：不同足部運動時的ISSP實時信號以及準狀態(tài)下多通道信號和舒適度的表達。

圖6：ISSP在運動過程中動態(tài)響應(yīng)多個信息中的應(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)可以實現(xiàn)對各種運動數(shù)據(jù)的感知，包括足部姿勢和鞋子在運動中的舒適度。ISSP系統(tǒng)由96個AC TENG組成，被整合到8個輸出通道中，用于監(jiān)測腳部的不同區(qū)域。智能設(shè)備上的數(shù)據(jù)可視化是通過信號處理和無線數(shù)據(jù)傳輸電路實現(xiàn)的，這些電路由MCI-WPT和電池的混合電源供電。ISSP可以實現(xiàn)傳統(tǒng)智能鞋的幾乎所有眾所周知的功能，包括步數(shù)和人機交互。更重要的是，該ISSP可以感知和識別鞋子的靜態(tài)和動態(tài)舒適度。在多層測試驗證了ISSP檢測和識別不同足部運動的可靠性，同時根據(jù)ISSP收集的數(shù)據(jù)進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)新促進會。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、固液界面電荷轉(zhuǎn)移機理、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。目前作為項目負責(zé)人主持國家自然科學(xué)基金的青年基金和兩項面上基金，主持北京市面上基金，主持中科院青促會項目，科技新星和高創(chuàng)計劃。兩次作為骨干成員參與國家重點研發(fā)計劃“納米科技”重點專項。