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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重要的作用，是智能運動數據采集的關鍵。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、運動持續時間、運動健康等。同時，腳也是脆弱的，例如，在快速轉身跑步過程中，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舒適性，直接決定著運動體驗和運動員的表現。此外，鞋子的設計應根據許多因素進行調整，包括腳的大小和形狀、運動習慣、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，開發一種與運動鞋集成的多功能傳感器系統是非常必要的，它不僅可以監測腳的運動參數，還可以定量地揭示緊密性和舒適性的動態數據。

  中科院北京納米能源與系統研究所的王中林院士和陳翔宇研究員于《ACS Nano》期刊上發表了題為“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，鞋內傳感器墊（ISSP）安裝在鞋面襯里上，用于實時監測腳部頂部的應力分布。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構的活性炭/聚氨酯（AC/PU）用作摩擦電材料。AC/PU與氣囊式設計相結合，可以為每個AC-TENG實現超寬的檢測范圍，這使得ISSP能夠應對多尺度的沖擊壓力。然后，將無線數據通信模塊集成到該ISSP中，可以在手機上實時顯示各種運動會期間的壓力動態數據。因此，該ISSP除可以實現傳統智能鞋的許多眾所周知的功能，包括步數計算和人機交互，還能夠揭示鞋子的適合性、腳趾上的應力集中，甚至鞋子的動態舒適度。信號處理電路集成了磁耦合感應無線功率傳輸，可有效延長電池續航時間。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測鞋子和腳的運動數據，可以指導運動員的訓練和鞋子的設計。

圖1：鞋內傳感器墊（ISSP）的結構圖及其在智能運動中的應用。

圖2：AC-TENG的工作機理和特性。

圖3：ISSP系統中輔助設備的工作機理及系統電路的供電策略。

圖4：ISSP的原型設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下多通道信號和舒適度的表達。

圖6：ISSP在運動過程中動態響應多個信息中的應用。

  本文提出了一種附加在鞋面襯里上的ISSP系統，該系統可以實現對各種運動數據的感知，包括足部姿勢和鞋子在運動中的舒適度。ISSP系統由96個AC TENG組成，被整合到8個輸出通道中，用于監測腳部的不同區域。智能設備上的數據可視化是通過信號處理和無線數據傳輸電路實現的，這些電路由MCI-WPT和電池的混合電源供電。ISSP可以實現傳統智能鞋的幾乎所有眾所周知的功能，包括步數和人機交互。更重要的是，該ISSP可以感知和識別鞋子的靜態和動態舒適度。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ISSP收集的數據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研究，包括納米發電機、固液界面電荷轉移機理、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等雜志發表SCI學術論文共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。目前作為項目負責人主持國家自然科學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，科技新星和高創計劃。兩次作為骨干成員參與國家重點研發計劃“納米科技”重點專項。