01 研究背景

足底壓力和步態(tài)是測量人體日常生理信息的關(guān)鍵參數(shù)，是下肢骨骼和肌肉結(jié)構(gòu)、周圍神經(jīng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)協(xié)調(diào)運動的最終結(jié)果。

然而，由于現(xiàn)有足底壓力傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性的限制，難以準(zhǔn)確監(jiān)測，導(dǎo)致發(fā)病率高，治療困難，致殘率和死亡率高。

便攜式足底壓力柔性傳感系統(tǒng)（FSSs）可以實時顯示足部患者的運動狀態(tài)、姿勢及相關(guān)生理信息，促進個性化康復(fù)和醫(yī)療治療，近年來備受關(guān)注。（參考文獻6、7）

現(xiàn)有的研究表明，增加傳感器的尺寸、增加支撐框架或增強結(jié)構(gòu)的可變形性，可以產(chǎn)生具有足底壓力檢測功能的柔性傳感器。（參考文獻8~10）

在正常的日?；顒又?，人的腳受到壓縮壓力、切向力或兩種復(fù)雜耦合力和長期動態(tài)條件的影響。為滿足復(fù)雜動態(tài)條件下足底壓力傳感的高精度要求，設(shè)備小型化是必然趨勢。因為需要通過減小裝置尺寸來實現(xiàn)足底壓力的空間分辨率，以準(zhǔn)確識別足底壓力的細微變化，這就要求傳感器具有更高的靈敏度、更寬的傳感范圍、更快的響應(yīng)時間以及優(yōu)異的長期使用穩(wěn)定性。

本文介紹了一種由聚酰亞胺（PI）材料體系和高孔隙率層壓離子纖維結(jié)構(gòu)組成的集成離子電子柔性壓力傳感器。通過調(diào)整PI的聚集結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了內(nèi)部纖維和功能層的大量自粘合。該傳感器可以在極高的壓力下保持變形，類似于桁架網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)變形。因此，該傳感器可承受高達4000 kPa的超高壓力，具有出色的靈敏度（158.67 kPa?1），超低檢測限（0.25 Pa），快速響應(yīng)時間/弛化時間（2.4 ms/4.7 ms），出色的循環(huán)穩(wěn)定性（1500 kPa壓力下150000次循環(huán)）和高環(huán)境適應(yīng)性（超高和復(fù)雜壓縮應(yīng)力（1969.6 kPa）和剪切應(yīng)力（347.3 kPa）下10000次循環(huán)）。此外，證明了FSS有助于機器系統(tǒng)準(zhǔn)確的智能識別足型。準(zhǔn)確識別率可達99.8%，在健康檢測、機器交互、醫(yī)療康復(fù)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，為制備復(fù)雜應(yīng)力條件下高性能、穩(wěn)定的傳感電子皮膚提供了有效策略。

02 集成式柔性壓力傳感器的設(shè)計原理

在這項工作中開發(fā)的集成傳感結(jié)構(gòu)由聚酰亞胺材料系統(tǒng)制成。

確定10 wt %的多壁碳納米管（CNTs）是添加到聚酰亞胺基質(zhì)中的最佳濃度。通過在聚酰亞胺基體中加入離子液體（IL）得到離子光纖介質(zhì)層，提高傳感器的傳感性能。PI材料不僅可以作為傳感器的結(jié)構(gòu)骨干，具有優(yōu)越的力學(xué)性能，還可以通過控制材料的聚集結(jié)構(gòu)，形成大量的自粘合接頭，有效地防止功能層之間的力學(xué)不匹配。

該電極層的厚度為20 μm，采用刮削工藝制備，以確保最佳的導(dǎo)電性和柔韌性。采用吹絲技術(shù)制備了孔隙率高達94.2%的層狀離子纖維介電層，并在纖維-纖維之間以及纖維-電極之間建立了自粘合接頭。PI矩陣優(yōu)越的力學(xué)性能使傳感器結(jié)構(gòu)能夠承受高外部壓力，而層壓離子纖維結(jié)構(gòu)的高孔隙率使其在壓力作用下具有更大的變形范圍和敏感性。大量的自粘接頭內(nèi)部保證了傳感器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

圖1：足底壓力綜述

圖2：集成式離子柔性壓力傳感器的設(shè)計原理及結(jié)構(gòu)表征

03 傳感特性

電容式傳感器的靈敏度定義為S = δ（ΔC/C0）/δ p，其中，C0表示傳感器在無應(yīng)力壓力下的電容信號，ΔC表示壓力下的電容變化，δ p表示從面積為7mm × 7mm的傳感器接收到的壓力。 在0 ~ 1000 kPa的壓力范圍內(nèi)，靈敏度達到158.67 kPa?1。此外，該傳感器即使在較高的壓力下也表現(xiàn)出出色的靈敏度，在1000 ~ 2000 kPa的壓力范圍內(nèi)達到78.4 kPa?1，在2000 ~ 4000 kPa的超高壓區(qū)域保持40.44 kPa?1的靈敏度，并具有出色的線性。 值得注意的是，該傳感器同時實現(xiàn)了高靈敏度和超寬探測范圍，這是由于吹絲技術(shù)收集的層流離子纖維總體分布均勻，導(dǎo)致初始和最大電容信號相對均勻。 優(yōu)異的靈敏度和傳感壓力范圍是由于其離子電容式壓力傳感機制和高模量的高孔隙結(jié)構(gòu)。一方面，在電流的影響下，介電層中IL的陰離子和陽離子分別產(chǎn)生許多帶正極和負(fù)極的微電容器。隨著電極與介電層之間接觸面積的增加，微電容器的數(shù)量增加，導(dǎo)致電容顯著增強。同樣，IL含量越高，可以構(gòu)建的微電容器越多，電容信號越高，靈敏度性能越好。 圖3：傳感器的傳感特性、傳感機理和信號穩(wěn)定性 ?

04 足底壓力傳感與步態(tài)分析的FSS

人體健康監(jiān)測的最極端條件是足底壓力分布監(jiān)測，這在個性化醫(yī)療和康復(fù)計劃的設(shè)計中起著至關(guān)重要的作用，旨在優(yōu)化步態(tài)，減少疼痛和預(yù)防損傷。人體足底的任何區(qū)域都承受著復(fù)雜的壓力（壓縮、剪切或兩種耦合力），成人承受的壓力最高約為1.5 MPa，這就要求足底壓力傳感器具有足夠的感應(yīng)范圍、靈敏度和使用穩(wěn)定性。此外，人體足底區(qū)復(fù)雜的壓力環(huán)境也要求傳感器具有足夠高的空間分辨率、高壓力分辨率和快速響應(yīng)速度。

因此，開發(fā)了一種基于無線通信的足底壓力傳感和步態(tài)分析FSS，它需要在具有挑戰(zhàn)性和苛刻的工作環(huán)境中具有強大的傳感性能。

在聚酰亞胺矩陣（FPC-PI）的柔性印刷電路上，由兩個柔性傳感鞋墊組成，每個鞋墊有28個傳感單元，其中FPC-PI工藝成熟，成本低，柔韌性好，穩(wěn)定性好，具有信號轉(zhuǎn)換單元，用于制備柔性電路板。

該系統(tǒng)采用無線保真度（WIFI）來傳輸數(shù)據(jù)從檢測單元到彈性計算服務(wù)的感應(yīng)電容信號。用戶界面便于測試儀實時捕捉用戶足底壓力分布情況。

該FSS有助于收集和實時捕獲靜態(tài)和動態(tài)足底壓力數(shù)據(jù)，以生成壓力分布圖，包括各種步態(tài)。此外，分別使用FSS和LCR表測試并比較了使用相同頻率（1 kHz）的絕對變化電容和壓力曲線。信號變化的一致性表明，研制的FSS可以進行準(zhǔn)確的檢測，信號可靠性高。

實驗對象為三名體重約70公斤的成年男性，運動時足底壓力最大約為1.4 MPa。FSS用于檢測靜態(tài)站立和動態(tài)行走狀態(tài)下的足底壓力分布，足底壓力表現(xiàn)為中性足、旋前足和旋后足。

從結(jié)果來看，行走時異常足的足底壓力映射比中性足行走的足底壓力映射更明顯。這可以歸因于在運動過程中，與正常足相比，異常足的足底表面的整體承載面積減少。因此，在相同體重下，異常足的足底表面感應(yīng)區(qū)承受更大的壓力，在壓力圖上用較深的陰影視覺上表示。

總體而言，由于傳感器的寬傳感范圍，高靈敏度和高空間分辨率，F(xiàn)SS可以準(zhǔn)確識別不同的足部類型和壓力分布，可以成為各個領(lǐng)域的專業(yè)人員的有用工具，包括運動科學(xué)，康復(fù)工程和生物力學(xué)，用于精確可靠地評估足底壓力分布和步態(tài)模式。

圖4：無線檢測足底壓力的FSS的實際應(yīng)用

圖5：FSS在機械系統(tǒng)自主識別中的應(yīng)用

圖6：FSS在機械系統(tǒng)自主識別中的應(yīng)用

03. 分析展望

綜上所述，受人體皮膚無界面特性的啟發(fā)，開發(fā)了一種集成柔性壓力傳感器。該傳感器在0 ~ 4000 kPa的檢測范圍內(nèi)具有高靈敏度和高穩(wěn)定性，在1500 kPa下可承受15萬次以上的循環(huán)，并能在復(fù)雜應(yīng)力條件下抗疲勞。這些進步促進了足底類型的高精度智能識別，用于潛在的臨床和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，增強了可穿戴設(shè)備在健康檢測、人機交互和醫(yī)療康復(fù)方面的能力。

審核編輯 黃宇