阿基米德螺旋结构智能鞋垫：集成发电传感，监测足部健康！

导读

全球范围内，每年约有1860万人患糖尿病足溃疡。在糖尿病患者中，80%的下肢截肢案例与足溃疡相关，这种并发症不仅严重影响患者的生活质量，还显著增加患者的死亡风险。因此，多学科综合护理成为糖尿病足溃疡的首选治疗方法。

在临床诊断和早期干预中，可以通过智能鞋垫测量足底压力，进而分析步态、姿势和足部健康。然而，目前的传感器平台体积庞大，仅限于室内或临床环境使用。基于此，开发用于康复和治疗的专用鞋垫已成为重要的发展趋势。

糖尿病足溃疡的形成过程（机械应力和缺血性）（图片版权：JAMA©2024美国医学会）

近期，江南大学魏取福教授团队在Advanced Fiber Materials上发表了题为“Therapeutic Smart Inside Technology with Archimedean Algorithmic Spiral Triboelectric Nanogenerator Based Power System and Sensors”的研究成果，采用“第一性原理指导”的高效电源，开发出柔性便携的多功能智能鞋垫。

正文

该鞋垫的阿基米德螺旋结构如图1所示，其具有摩擦纳米发电机（TENG）功能，将生物聚合物材料用作摩擦电极层的自供电系统；同时，该鞋垫具有优异的电压（VOCVOC）、电流（ISC）、电流密度（JSC）和功率密度（PD）等电性能，可应用于临床和个人足底压力测量，性能优于商用FSR传感器。通过这个系统还可以分析步态、姿势和其他足病，为实现柔性、灵活性、多功能便携式鞋底监测技术奠定了基础。该技术由TENG电源提供动力，未来可集成至物联网系统。

该智能鞋垫的主要功能是自供电和监测，在10 kPa和6 Hz下进行8000次循环接触和释放，结果显示具有稳定的开路电压，展现出优异的长期服役性能和能量输出稳定性；同时，也证明鞋垫的电源系统可以为多种电子设备供电。

图1 用于发电和足压力测量的摩擦电智能鞋垫功能系统示意图和性能评价

图2(a)显示了集成智能鞋垫系统的完整组件，图2(b)显示了TENG鞋垫上产生的电能可以让LED发光。通过实时步态分析和商用力敏电阻器（FSR）测试，表明开发的智能鞋垫可以在实际应用场景中充当传感原件，且传感器鞋垫系统与商业FSR性能相匹配。

图2 （a）集成智能鞋垫系统的完整组件（b）TENG鞋垫上产生的电能让LED发光

图3为TENG传感器系统用于分析足部与传感器接触状态，包括脚底、脚趾、脚跟、脚弓、中脚、前脚掌区域的接触情况与压力分布，以及足部压力信号采集、模拟和系统集成，彰显了其在实际应用中的价值，也预示着它在市场中具有较大的发展潜力。

图3 基于TENG的压力传感器输出和人体物理监测