自制鞋垫足底压力成像系统

　　研究人员已基于纳米发电机开发了可穿戴/便携式的高灵敏的传感器，这些传感器可用于监测人类生理信号，在预防和治疗疾病、健康评估，触觉(或触摸)感应甚至用户识别系统具有潜在的应用价值。基于纳米发电机的传感器可以通过检测位于特定位置的生物电信号来诊断或预防疾病，例如，桡动脉的血压可表征动脉硬化程度，身体和眼球的运动可以监测睡眠障碍，而呼吸肌运动状态可用于诊断呼吸疾病。与上述生物电信号一样，足底压力分布状态也是重要的生理信号，不仅可以为鞋类设计提供运动生物学信息，还可以预防可能的足底损伤，预测2型糖尿病患者足部溃疡的发生。具体而言，包括足跟、中足外侧以及跖骨等许多区域在内的压力值，都是表征足底压力分布的重要医学指征。

　　压电纳米发电机可以将机械信号转换为电能输出，基于这一原理，ZnO，锆钛酸铅(PZT)，MoS2，聚偏氟乙烯(PVDF)及其铁电共聚物p(vdf-TrFE)等压电材料制备的传感器都表现出了具有优异的性能。由于其良好的压电和机械性能以及高度的化学稳定性，β相的PVDF薄膜被认为是临床中测量压力的最佳材料之一。

　　【成果简介】

　　近日，中国科学院北京纳米能源与系统所王中林院士和华北电力大学李美成教授课题组(共同通讯作者)在国际顶级期刊 AdvancedFunctional Materials上成功发表 “Self -Powered InsolePlantar Pressure Mapping System”的论文。论文第一作者邓超然。研究者使用压电纳米发电机作为压力传感器(PENG-PS)来测量较大范围内的压力信号。使用在柔性印刷电路板(FPC)上直接安装32片PVDF压电薄膜的方法制备了压力传感器阵列，与多步微结构加工工艺相比，这种方法能够以以较低成本大量制造可集成到智能鞋垫中的压力传感阵列。为了将压力传感器输出的原始信号转换为数字信号，可以将附带有PENG-PS的FPC连接到自行设计的数据采集电路板(DAQ)上进行数据转换，转换后的结果通过蓝牙4.2协议传输到笔记本电脑，平板电脑和智能手机等移动终端上。通过使用配套的Android应用程序，整个足底压力成像系统可以准确监测并可视化地显示行走过程中的实时压力分布。更重要的是，DAQ具有很低的工作电流，这意味之前的工作中设计的纳米发电机可以为着数据采集电路提供电源：通过与摩擦-电磁复合纳米发电机相结合，作者开发了一种自供电的，可连续工作的实时压力分布监测系统。在本文中，作者介绍了一种智能鞋垫来实时监控和显示足底压力，这项工作可以为未来鞋类设计，运动生物力学信息采集，预防运动伤害和足底溃疡提供了一个可行的解决方案。

　　【全文解析】

　　图1 足底压力监测系统的示意图。a)足底压力成像系统示意图。b)包含有PVDF薄片和FPC的传感器的结构示意图。c)压力下单个传感器的工作原理。d)PVDF薄膜的SEM图像。e)整个足底压力成像系统的光学照片。

　　图1a展示了整个系统的三个主要组成部分：带有PENG-PS的、加工成鞋垫形的FPC，DAQ电路和一个可在智能手机上运行的应用软件。用于制备PENG-PS的β相PVDF薄膜可以通过多种技术获得，其中，机械拉伸熔融冷却的PVDF溶液(即α相PVDF薄膜)是工业生产中最常用的方法。鞋垫形状的FPC可以使用Kapton薄膜作为柔性塑料基材批量生产，FPC上焊盘用来安装PVDF压电薄膜，焊盘位置的布局主要考虑了医疗诊断和压力成像的需求。如图1b所示，大小为10×10平方毫米、厚度为100微米的双面镀铝PVDF薄膜通过铜粉导电粘合剂固定在FPC上的信号线焊盘上(图1b中的蓝色焊盘和布线)，同时其下表面与焊盘之间形成可靠的电学连接;而其上表面的电极则使用铜胶带连接到柔性电路板中作为公共接地平面的焊盘上。PVDF作为压电纳米发电机或压力传感器的工作原理为垂直机械变形导致在材料两端产生与压力有关的压电极化电荷。由于这些极化电荷产生的静电势驱动自由电子通过外部负载从一个电极流向另一个电极。

　　图2 PENG-PS的性能测试。a)PENG-PS开路电压(VOC)随压力变化的实时测量。b)开路电压(VOC)与压强之间的变化关系和线性拟合。 c)传感器输出的自由电荷与随压力变化的实时测量。 d)自由电荷随压强之间的变化关系。 e)电荷放大器CAmp的输出电压VCAOUT随施加在PENG-PS上压力变化的实时测量。图中上方的插图部分是CAmp和PVDF的等效电路原理图。 f)压强与VCAOUT测量值和理论计算值的之间变化关系和线性拟合。

　　图3 CAmp的动态响应。 a)压力大小和运动速度相同，但压力保持时间不同时，VCAOUT的实时测量。 b)输出信号VCAOUT压力保持时间之间的关系。 c)压力大小和保持时间相同，但运动速度不同时，VCAOUT的实时测量。 d)输出信号VCAOUT和压力运动速度之间的总结关系。 e)输出电压VCAOUT对锤子击打时压力的脉冲响应。 f)在10.75~11.7秒内，电压VCAOUT的输出。

　　图4 PENG-PS和CAmp组成的传感单元的耐久性测试。 a)连续压力加载-卸载72，000次周期，传感单元输出的稳定性测试，期间压力保持不变，压力加载-卸载频率为3.3Hz。 b)带有PVDF的FPC在连续弯曲-拉伸80 000次循环周期中的拉伸耐久性测试，每隔2,000个弯曲-拉伸周期，测试恒定压力下输出电压VCAOUT。 c)VCAOUT随环境湿度的测量，测试压力为22.5N。d)VCAOUT随环境温度的测量，测试压力为22.5N。

　　图5 智能鞋垫：基于压电纳米发电机制备的压力传感阵列。 a)所选八个传感器节点的布局示意图。 b)圆柱体沿着不同的传感器节点滚动的示意图。 c)圆柱体滚动过程中，所选八个传感器节点的输出电压VCAOUT的实时测量。 d)步行时，所选八个传感器节点输出电压VCAOUT的实时测量，插图部分表示行走中不同的阶段， e)是由 d)所绘制的强度图。

　　图6 用于足底压力成像系统的智能鞋垫。 a)足底压力成像系统单点压力接触照片。 b)对应图(a)的动作，应用软件执行结果压力分布重建的结果。 c)足底压力成像系统两点压力接触照片。 d)对应图(c)的动作，应用软件的运行效果。 e)数据采集电路DAQ ，4 F电容和纽扣电池的光学照片。 f)工作电流随DAQ工作时序的变化：分别以包括广播阶段，连接阶段和数据传输阶段。插图为数据传输阶段峰值电流的局部放大。 g)使用摩擦-电磁复合纳米发电机驱动DAQ，4 mF电容的充电和放电曲线。 h)分别使用摩擦-电磁复合纳米发电机和4 mF电容、预充电的4 F电容驱动DAQ。插图部分表示了DAQ中每个功能单元的电流消耗情况。

　　考虑到便携式应用的需求，DAQ是一款紧凑且低功耗的设计，蓝牙模块，模拟信号调理和模拟-数字转换等功能信号都集成在一块尺寸为27.5×27.5 mm2的电路板中，其大小类似于纽扣电池，如图e所示。DAQ的结构包括电荷放大器，模拟开关，混合信号微控制器(MS-MCU)和蓝牙模块。在MS-MCU的控制下，32通道模拟信号被16个模拟开关分成两组;然后，MS-MCU内部集成的模拟-数字转换器(ADC)将这些分组的模拟信号按照通道顺序转换为数字信号;转换后的数字信号通过蓝牙模块发送至智能手机。图6f中展示了电路不同工作状态下的工作电流：图中分别使用黄色，绿色和蓝色作为背景色表示电路工作的广播阶段，连接阶段和数据传输阶段。在广播期间，DAQ电路处于低功耗模式，静态电流低于100 μA，这一期间蓝牙模块进行不间断的广播，广播时的峰值电流为4.5 mA;当客户端设备发出连接请求时，DAQ进行蓝牙连接，同时整个电路将被唤醒并开始处理和采集信号;连接后，DAQ进入数据传输阶段，从32个模拟通道转换而来的数据通过低功耗蓝牙(BLE)无线传输，每秒钟发送一次数据。在此期间，DAQ的平均电流为260 μA，发送数据时的峰值电流为6.7 mA，这一峰值持续的时间为9 ms，如图6f中插图所示。电路处于数据传输阶段时，平均电流为260 μA，平均功率为0.47 mW。同时考虑到摩擦纳米发电机作为一种将低频机械能高效地转化为电能的技术，能够从步行等日常运动以及周围环境中收集能量，其功率密度可高达到500 W m-2。在本文中，DAQ可以和一个摩擦-电磁复合纳米发电机相结合，组成一个可长时间连续工作的、自供电压力成像系统。图6g展示了使用摩擦-电磁复合式纳米发电机作为电源时，DAQ各个工作阶段中的电容充电-放电曲线：首先，混合纳米发电机向电容器预充电，当电容器两端的电压达到3.5V时，接入DAQ，此时电容两端的电压迅速下降，消耗的能量用于蓝牙广播和连接;随后，DAQ继续进入数据传输阶段，电容器两端电压为保持1.8 V不变，整个电路仅由复合式纳米发电机驱动;当发电机与电路断开连接时，电容两端电压下降，DAQ停止工作。图6h中，也可以看出，使用摩擦-电磁复合式纳米发电机作为能量收集器、选用4 mF电容作为能存储器时，DAQ可以维持长时间持续工作，期间电容两端的电压保持1.8 V不变;此外，若使用一个预充电的4F电容器可以单独供电，DAQ可以在数据传输阶段连续工作约76分钟。在图6h的插图部分中展示了DAQ中每个功能模块的电流消耗。

　　【总结与展望】

　　基于压电和摩擦-电磁复合式纳米发电机，作者提出了一种自供能足底压力成像系统。由PVDF的压力传感器和电荷放大器组成的压力传感单元表现出响应速度快，线性关系好，测量范围广等优点。安装有压力传感器的智能鞋垫经过压力加载-卸载测试和弯曲-拉伸测试，其耐久性也得到证实。更具吸引力的是，通过集成有蓝牙模块数据采集电路可以将压力测试数据无线地传输到智能手机上，并且这一电路可以在摩擦-电磁纳米复合式纳米发电机的驱动下连续工作，实现自供能足底压力的实时监测。这项工作为鞋类设计，运动生物力学信息获取，避免运动伤害以及预防糖尿病引起的溃疡提供了一个可行的解决方案。

　　Chaoran Deng, Wei Tang, Long Liu, Baodong Chen, Meicheng Li, Zhong Lin Wang, Self -Powered Insole Plantar Pressure Mapping System, Adv. Funct. Mater., DOI:10.1002/adfm.201801606

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