第一作者：李曉炎
通訊作者：劉賢哲、羅堅義
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)點可以實時高效地監(jiān)測各種生理信號，在人體健康監(jiān)測、醫(yī)療和人機界面等眾多領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。步態(tài)分析包含大量有關(guān)人體健康和運動的信息，對了解人體健康狀況和量化活動具有重要意義。然而，傳統(tǒng)的步態(tài)分析主要依賴大型儀器監(jiān)測如三維光學(xué)運動捕捉系統(tǒng)和壓敏行人檢測，存在時空限制，無法滿足日常快速、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)測策略，但存在壓力檢測范圍窄、傳感器集成度較低等問題，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發(fā)中心劉賢哲博士、羅堅義教授團隊報道了一種高集成度且工藝簡單的可穿戴碳纖維智能鞋墊系統(tǒng)，實現(xiàn)高分辨率足底壓力分布的實時監(jiān)測，可供于步態(tài)分析和動作識別。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，通過交叉結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)寬檢測范圍（0-1600kPa）和高靈敏度（0.01kPa-1@500-1600kPa）等性能。開發(fā)出單只鞋墊集成104個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)測出身體重心的細(xì)微偏移，為姿勢調(diào)整提供參考，而且還可以實時監(jiān)測活動過程中足底壓力分布的演變。更重要的是，根據(jù)運動過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)而實現(xiàn)運動識別功能。6種預(yù)設(shè)動作（如走路、太極、打高爾夫、跳遠(yuǎn)、跳繩和向后摔倒）的平均識別準(zhǔn)確率為83.32%。這些結(jié)果表明，具有步態(tài)分析和運動識別功能的智能鞋墊在未來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構(gòu)示意圖；(e) 行走過程中足底壓力分布的變化情況；(f) 用于運動識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；(b) 碳纖維壓力傳感器電阻的時間響應(yīng)； (c) 碳纖維壓力傳感器的抗過載性測試；(d) 碳纖維壓力傳感器機械循環(huán)耐久性測試；(e) 碳纖維壓力傳感器的光學(xué)照片及防水性測試；(f) 碳纖維壓力傳感器浸泡不同時間的壓力響應(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下足底壓力分布情況：(b) 姿勢A和 (c) 姿勢B；(d) 從姿勢A到姿勢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-時間曲線；不同運動的足底壓力分布演變圖：(c) 行走，(d) 跳繩，(e)長跳，(f) 打高爾夫球，(g) 向后跌倒
圖6. (a) 鞋墊區(qū)域化示意圖；(b) 運動識別的邏輯框圖；(c) 碳纖維智能鞋墊對不同運動的快速識別；(d) 不同運動的識別準(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，結(jié)合交叉結(jié)構(gòu)設(shè)計，獲得寬檢測范圍(0~1600 kPa)、優(yōu)異的抗過載能力(≈36 MPa)、快速響應(yīng)、低遲滯、良好均勻性、高耐水性和長期耐久性等優(yōu)良傳感特性，滿足足底壓力監(jiān)測。為實現(xiàn)高精度、便攜式步態(tài)分析，開發(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)程實時監(jiān)測足底壓力分布情況。此外，根據(jù)不同運動狀態(tài)下雙腳足底壓力分布的特點，提出足底壓力分布區(qū)域化和數(shù)字化，建立各種運動的數(shù)據(jù)集，實現(xiàn)人體運動識別的功能。針對6種預(yù)設(shè)運動，該智能鞋墊的平均識別準(zhǔn)確率高達(dá)83.32%。具有步態(tài)分析和運動識別能力的智能鞋墊將在未來運動監(jiān)測、康復(fù)和疾病診斷等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。
作者及團隊介紹
第一作者：李曉炎，女，五邑大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)院2020級材料與化工碩士研究生。
通訊作者：羅堅義，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，五邑大學(xué)柔性傳感材料與器件研究開發(fā)中心主任（創(chuàng)始人），廣東省杰出青年基金獲得者，國家重點研發(fā)計劃智能傳感重點專項會評專家，南粵優(yōu)秀教師, 江門市首屆 “僑鄉(xiāng)青年榜樣”，江門市優(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)研究基金項目（青年基金項目）1項；主要研究方向為：柔性傳感材料和器件及其應(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：
Carbon Fiber-Based Smart Plantar Pressure Mapping Insole System for Remote Gait Analysis and Motion Identification
DOI: 10.1002/admt.202300095
