第一作者：李晓炎
通讯作者：刘贤哲、罗坚义
背景介绍及内容概述
随着科技的不断进步，可穿戴电子产品因其便携性、灵活性和重量轻等优点可以实时高效地监测各种生理信号，在人体健康监测、医疗和人机界面等众多领域受到广泛关注。步态分析包含大量有关人体健康和运动的信息，对了解人体健康状况和量化活动具有重要意义。然而，传统的步态分析主要依赖大型仪器监测如三维光学运动捕捉系统和压敏行人检测，存在时空限制，无法满足日常快速、便捷的步态分析。目前，集成压敏传感器的智能鞋垫被认为是一种可行且有效的步态监测策略，但存在压力检测范围窄、传感器集成度较低等问题，难以获得准确的步态信息，导致其在步态分析领域应用受限。
近日，五邑大学应用物理与材料学院、柔性传感材料与器件研究开发中心刘贤哲博士、罗坚义教授团队报道了一种高集成度且工艺简单的可穿戴碳纤维智能鞋垫系统，实现高分辨率足底压力分布的实时监测，可供于步态分析和动作识别。其中，压力传感器利用导电碳纤维的柔韧性、自支撑等特性，通过交叉结构设计实现宽检测范围（0-1600kPa）和高灵敏度（0.01kPa-1@500-1600kPa）等性能。开发出单只鞋垫集成104个高性能碳纤维压力传感器，可以提供高分辨率的足底压力热力学分布图，不仅可精准监测出身体重心的细微偏移，为姿势调整提供参考，而且还可以实时监测活动过程中足底压力分布的演变。更重要的是，根据运动过程中足底压力分布的变化规律，将足底压力分布进行区域化和数字化，进而实现运动识别功能。6种预设动作（如走路、太极、打高尔夫、跳远、跳绳和向后摔倒）的平均识别准确率为83.32%。这些结果表明，具有步态分析和运动识别功能的智能鞋垫在未来的智能生活中展示出巨大的应用潜力。
本文以“Carbon Fiber-Based Smart Plantar Pressure Mapping Insole System for Remote Gait Analysis and Motion Identification”为题发表在Advanced Materials Technologies期刊。
图1. (a) 智能鞋垫系统的说明示意图；(b) 碳纤维束的扫描电镜图；(c) 碳纤维压力传感器单元的结构示意图；(d) 碳纤维压力传感器的传感机构示意图；(e) 行走过程中足底压力分布的变化情况；(f) 用于运动识别的足底压力分布数字化概念图
论文具体内容
图2. (a) 碳纤维压力传感器的压力-∆R/R0曲线；(b) 碳纤维压力传感器电阻的时间响应； (c) 碳纤维压力传感器的抗过载性测试；(d) 碳纤维压力传感器机械循环耐久性测试；(e) 碳纤维压力传感器的光学照片及防水性测试；(f) 碳纤维压力传感器浸泡不同时间的压力响应
图3. (a) 智能鞋垫系统电路图；(b) 智能鞋垫系统照片；(c) 智能鞋垫力学均匀性测试
图4. (a) 太极招式—白鹤展翼的足底压力分布变化；不同气步枪射击姿势下足底压力分布情况：(b) 姿势A和 (c) 姿势B；(d) 从姿势A到姿势B的重心偏移量
图5. (a) 行走的瞬态照片；(b) 不同足底区域的平均足底压力-时间曲线；不同运动的足底压力分布演变图：(c) 行走，(d) 跳绳，(e)长跳，(f) 打高尔夫球，(g) 向后跌倒
图6. (a) 鞋垫区域化示意图；(b) 运动识别的逻辑框图；(c) 碳纤维智能鞋垫对不同运动的快速识别；(d) 不同运动的识别准确性
总结与展望
本文采用导电碳纤维束为传感材料，利用其固有的自支撑、轻量、柔软等特点，结合交叉结构设计，获得宽检测范围(0~1600 kPa)、优异的抗过载能力(≈36 MPa)、快速响应、低迟滞、良好均匀性、高耐水性和长期耐久性等优良传感特性，满足足底压力监测。为实现高精度、便携式步态分析，开发出一种高集成度、高性能碳纤维智能鞋垫系统。该智能鞋垫能够远程实时监测足底压力分布情况。此外，根据不同运动状态下双脚足底压力分布的特点，提出足底压力分布区域化和数字化，建立各种运动的数据集，实现人体运动识别的功能。针对6种预设运动，该智能鞋垫的平均识别准确率高达83.32%。具有步态分析和运动识别能力的智能鞋垫将在未来运动监测、康复和疾病诊断等方面具有广阔的应用前景。
作者及团队介绍
第一作者：李晓炎，女，五邑大学应用物理学院2020级材料与化工硕士研究生。
通讯作者：罗坚义，男，工学博士，教授，博士生导师，现任五邑大学应用物理与材料学院院长，五邑大学柔性传感材料与器件研究开发中心主任（创始人），广东省杰出青年基金获得者，国家重点研发计划智能传感重点专项会评专家，南粤优秀教师, 江门市首届 “侨乡青年榜样”，江门市优秀科技工作者。主要研究领域包括：柔性传感材料与器件应用（柔性触觉传感、温度传感、气压传感和弯曲传感等）；纳米功能材料合成；智能调光变色材料与器件。
通讯作者：刘贤哲，男，工学博士，讲师，硕士生导师，主持广东省基础与应用基础研究基金项目（青年基金项目）1项；主要研究方向为：柔性传感材料和器件及其应用研究、新型光电材料与器件、喷墨印刷柔性电子器件。
附文献及DOI号：
Carbon Fiber-Based Smart Plantar Pressure Mapping Insole System for Remote Gait Analysis and Motion Identification
DOI: 10.1002/admt.202300095
