中科院纳米能源所王中林院士和陈翔宇研究员《ACS Nano》：使用超宽检测范围的摩擦电压力传感器监测运动中鞋子的舒适度

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脚作为人体的重要器官，在几乎所有的运动项目中都起着至关重要的作用，是智能运动数据采集的关键。通过感知足部姿势，可以快速获取大量的运动信息，从而全面反映运动状态、运动持续时间、运动健康等。同时，脚也是脆弱的，例如，在快速转身跑步过程中，前脚趾的指甲很容易受损，并且由于意外的脚底滑动，脚腱可能会断裂。因此，鞋子的舒适性，尤其是运动过程中的动态舒适性，直接决定着运动体验和运动员的表现。此外，鞋子的设计应根据许多因素进行调整，包括脚的大小和形状、运动习惯、运动类型等。鞋头位于鞋面前部，包裹前掌，这是足部力量的主要部分，可用于研究鞋子的紧密性和舒适性。因此，开发一种与运动鞋集成的多功能传感器系统是非常必要的，它不仅可以监测脚的运动参数，还可以定量地揭示紧密性和舒适性的动态数据。

中科院北京纳米能源与系统研究所的王中林院士和陈翔宇研究员于《ACS Nano》期刊上发表了题为“Monitoring the Degree of Comfort of Shoes In-Motion Using Triboelectric Pressure Sensors with an Ultrawide Detection Range”的文章。在这项工作中，鞋内传感器垫（ISSP）安装在鞋面衬里上，用于实时监测脚部顶部的应力分布。该ISSP上的每个传感器单元都是一个气囊式TENG（AC-TENG），其中具有堆叠交叉蜂窝结构的活性炭/聚氨酯（AC/PU）用作摩擦电材料。AC/PU与气囊式设计相结合，可以为每个AC-TENG实现超宽的检测范围，这使得ISSP能够应对多尺度的冲击压力。然后，将无线数据通信模块集成到该ISSP中，可以在手机上实时显示各种运动会期间的压力动态数据。因此，该ISSP除可以实现传统智能鞋的许多众所周知的功能，包括步数计算和人机交互，还能够揭示鞋子的适合性、脚趾上的应力集中，甚至鞋子的动态舒适度。信号处理电路集成了磁耦合感应无线功率传输，可有效延长电池续航时间。总的来说，针对智能运动的需求，这种附着在鞋面衬里上的ISSP提供了一种新的方法来监测鞋子和脚的运动数据，可以指导运动员的训练和鞋子的设计。

图1：鞋内传感器垫（ISSP）的结构图及其在智能运动中的应用。

图2：AC-TENG的工作机理和特性。

图3：ISSP系统中辅助设备的工作机理及系统电路的供电策略。

图4：ISSP的原型设计及其在弯曲变形过程中的输出性能变化。

图5：不同足部运动时的ISSP实时信号以及准状态下多通道信号和舒适度的表达。

图6：ISSP在运动过程中动态响应多个信息中的应用。

本文提出了一种附加在鞋面衬里上的ISSP系统，该系统可以实现对各种运动数据的感知，包括足部姿势和鞋子在运动中的舒适度。ISSP系统由96个AC TENG组成，被整合到8个输出通道中，用于监测脚部的不同区域。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和电池的混合电源供电。ISSP可以实现传统智能鞋的几乎所有众所周知的功能，包括步数和人机交互。更重要的是，该ISSP可以感知和识别鞋子的静态和动态舒适度。在多层测试验证了ISSP检测和识别不同足部运动的可靠性，同时根据ISSP收集的数据进一步分析了舒适度的变化和根本原因。

原文链接：

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

作者简介：

陈翔宇，研究员，博士生导师。入选北京市特聘专家，北京市青年拔尖人才，北京市科技新星，中科院青年创新促进会。主要从事聚合物功能材料及纳米能源器件的相关研究，包括纳米发电机、固液界面电荷转移机理、智能形变材料与器件、可穿戴传感器件等方向，在Chemical Reviews, Nat Common，Science Advances， EES，Adv Mater，Materials Today，AFM，AEM，ACS Nano，Nano Energy等杂志发表SCI学术论文共50余篇。其中，第一作者(共同一作)和通讯作者的影响因子大于10的文章40余篇。目前作为项目负责人主持国家自然科学基金的青年基金和两项面上基金，主持北京市面上基金，主持中科院青促会项目，科技新星和高创计划。两次作为骨干成员参与国家重点研发计划“纳米科技”重点专项。

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