研究背景

随着物联网(IoT)、大数据和人工智能的出现，与运动和健康相关的产品在数字化和智能化的道路上迅速发展。数据采集和分析是智能运动的核心方法，相应地，一系列可与布、鞋、手套结合的可穿戴式传感设备也应运而生。作为人类的一个重要器官，脚在几乎所有体育赛事中都扮演着重要角色，是智能运动的数据采集关键点。通过对脚部姿势的感知，可以快速获得大量的运动信息，全面反映运动状态、运动时长和运动健康。因此，鞋子的舒适度，尤其是运动过程中的动态舒适度，直接决定了运动体验和运动员的表现。因此，有必要开发一个与运动鞋集成的多功能传感器系统，不仅可以监测脚部的运动参数，还可以定量地揭示松紧度和舒适度的动态数据。

研究成果

中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、陈翔宇研究员等人基于摩擦纳米发电机设计了一个附着在鞋面衬里上的鞋内传感器垫（ISSP），用于监测脚面上的实时应力分布。该ISSP上的每个传感器单元都是由活性炭/聚氨酯(AC/PU)和微球阵列电极组成的空气囊式TENG(AC-TENG)。每个ACTENG的检测范围达到7.27 MPa，这足以监测不同运动中的压力变化。这种多功能的ISSP可以实现传统智能鞋的许多典型功能，包括计步和人机互动。此外，它还可以揭示特殊信息，包括鞋子的适用性、脚趾上的应力集中和运动中的舒适程度。该系统中的信号处理和数据传输模块有一个混合电源，采用无线电力传输，而关于脚的实时信息可以在手机上观察到。因此，该ISSP为研究长期运行中的脚部运动和鞋子的舒适度提供了一种潜在的方法，可以指导运动员训练和鞋子的定制设计。相关研究以“Monitoring the Degree of Comfort of Shoes In-Motion Using Triboelectric Pressure Sensors with an Ultrawide Detection Range”为题发表在ACS Nano期刊上。

研究亮点

1、提出了一种附着在鞋面衬里上的鞋内传感器垫(ISSP)， 用于监测脚顶部的实时应力分布。2、该ISSP可以实现括计步和人机交互，以及显示鞋子的健康状况、脚趾上的应力集中，甚至鞋子的运动中的舒适程度。3、信号处理电路集成了磁耦合感应式无线电力传输(MCI-WPT)， 可有效延长电池续航时间。

图文导读

Figure 1. Construction drawing of the in-shoe sensor pad (ISSP) and its application in smart sports.

Figure 2. Working mechanism and characterization of the AC-TENG.

Figure 3. Operation mechanism of auxiliary devices in ISSP system and power supply strategy of system circuit.

Figure 4. Prototype design of ISSP and its output performance changing while undergoing bending deformation.

Figure 5. Real-time signal of ISSP at different foot movements and the expression of multichannel signal and comfort degree under quasi[1]state.

Figure 6. Application of the ISSP in dynamic responding multiple information during the motions.

总结展望

综上所述，本工作提出了一种附着在鞋面衬里上的ISSP系统，它可以实现对各种运动数据的感知，包括脚的姿态和鞋子的运动舒适度。ISSP系统由96个AC-TENGs组成，它们被纳入8个输出通道，用于监测脚上的不同区域。每个AC-TENG都是用AC/PU薄膜制作的，具有堆叠的交叉蜂巢结构和由PTFE电气化材料覆盖的微球电极阵列。这些AC-TENG的探测范围可以达到7.27 MPa，这是迄今为止TENG传感器报告的最大探测范围。智能设备上的数据可视化是通过信号处理和无线数据传输电路实现的，这些电路由MCI-WPT和电池的混合电源提供。ISSP可以实现传统智能鞋的几乎所有知名功能，包括计步和人机互动。且这个ISSP可以感知和识别鞋子的静态和运动中的舒适程度。在脚的准静态运动下，在VAS的帮助下，脚的压力和鞋子的舒适度之间的相关性被建立。然后，同样的相关性被进一步扩展到脚的动态过程中，可用于分析所有类型运动中鞋子的动态舒适度。多人测试验证了ISSP检测和识别不同脚部运动的可靠性，同时在ISSP收集的数据基础上进一步分析 了舒适度的变化和根本原因。本工作提出的传感器系统既能有效监测人脚的运动,又能监测鞋子的运动中的舒适度，可以促进智能运动和大数据采集的发展。不同人在不同运动比赛中对鞋子的动态舒适度信息，为运动训练和鞋 子的定制设计都提供了参考。

文献链接

Monitoring the Degree of Comfort of Shoes In-Motion Using Triboelectric Pressure Sensors with an Ultrawide Detection Range.DOI: 10.1021/acsnano.1c11321

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c11321