随着物联网、大数据和人工智能的不断发展，一系列可与布、鞋、手套相结合的可穿戴电子设备应运而生。脚作为人体的重要器官，几乎在所有体育赛事中都发挥着至关重要的作用。通过感知足部姿势，可以快速获取大量运动信息，全面反映运动状态和运动健康状况。尤其是在一些剧烈的运动比赛中，运动员足部的舒适度对其赛场发挥和运动防护至关重要。因此，有必要开发一种与运动鞋集成的多功能传感器系统，既能监测足部的运动参数，又能定量揭示足部舒适度的动态数据。

中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、陈翔宇研究员等人报道了一种集成到鞋面衬里的鞋内传感器垫（ISSP），用于监测足部的实时应力分布。该ISSP上的每个传感器单元都是一个摩擦纳米发电机（AC-TENG），可以实现超宽检测范围，实现监测不同运动过程中的压力变化。作者将无线数据通信模块集成到ISSP中，可以在手机上实时展示各种体育比赛过程中的足部压力动态数据，从而实现计步、显示鞋子舒适度、反馈足部压力集中等。这项工作提供了一种监测鞋子和脚部运动数据的方法，既可以指导运动员的训练，也可以指导鞋子的设计。该研究以题为“MonitoringtheDegreeofComfortofShoesIn-MotionUsingTriboelectricPressureSensorswithanUltrawideDetectionRange”的论文发表在《ACSnano》上。ISSP是一个集成到鞋面衬里并位于脚背上方的自供电传感器系统，信号产生依赖于嵌入的AC-TENG阵列。AC-TENG采用单电极工作模式，以随机堆叠的交叉蜂窝结构AC/PU复合材料作为正摩擦电层，其大比表面积的微孔结构可以保持大量的摩擦电荷。AC-TENG中的输出电极具有微球阵列结构，它由覆盖有一系列微锡球的铜箔组成。聚四氟乙烯（PTFE）作为负电荷材料通过喷涂和热风退火沉积在微球电极阵列的表面上，可以实现大的带电接触面积。AC-TENG的壳体是由超弹性聚氨酯（PU）柔性外壳制成，可在外力作用下实现正负带电材料的连续接触分离过程，从而实现实时感知各种运动过程中脚顶面的压力变化。图1ISSP的结构设计图2ISSP在弯曲变形过程中的输出性能集成到鞋面衬里的ISSP可用于无线监测所有类型运动过程中足部顶部的应力分布。在足部运动过程中，ISSP表面的AC-TENG阵列可以揭示人脚的形状变化以及鞋与脚之间的压力变化等信息。之后通过对输出信号的分析，对每一个脚的动作进行识别。为了探究足部压力与舒适度之间的关系，作者通过五个脚趾的伸展和卷曲引入了足部的两个准静态运动，并采用多通道电路来满足ISSP的信号处理和多路复用数据传输要求。由于鞋子的舒适度不能直接用仪器测量，作者通过视觉模拟量表（VAS）进行评估。随着压力的增加，人们倾向于将运动鞋定性为不舒服。结合准静态运动下的ISSP输出电压信号与VAS表，输出电压与舒适度评价分数之间存在良好的负相关关系，进一步说明了该系统对舒适度表达的可靠性。图3不同足部运动的ISSP实时信号ISSP可用于感知各种运动比赛中鞋子舒适度的变化，为鞋子的智能制造提供参考。随着足部运动的变化，ISSP的每个输出通道可以产生不同的信号，对应足部不同部位的压力变化。视频1显示了ISSP在运动过程中通过无线传输的数据可视化。对于不同的人做同样的动作，ISSP的输出特征信号几乎是相同的，而一些细微的差异也可以被识别以显示不同人的运动习惯。此外，ISSP的测量信号还表明在不同的足部运动下动态舒适度的变化，以表达足部与鞋子的匹配度。因此，在ISSP的帮助下，运动鞋的一些特殊部位可以针对不同的运动形式（如篮球、羽毛球、网球）进行精准调整。特别是可以根据ISSP多通道输出的信号分布，预测出脚部容易损坏的部位，从而做出针对性的预防措施。图4ISSP在运动过程中的应用总结：作者开发了一种集成到鞋面衬里的鞋内传感器垫（ISSP），用于监测足部的实时应力分布。这款多功能ISSP不仅可以实现传统智能鞋的诸多典型功能，还可以反馈足部压力集中以及运动中的鞋子舒适度。该传感器系统既可以有效监测人的足部运动，也可以监测鞋子的运动适应性，从而促进智能运动和大数据采集的发展。此外，根据不同运动员在不同运动比赛中的动态舒适度信息，这项工作可为运动训练和鞋子的定制设计提供参考。原文链接：

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