研究用于人體足底壓力和步態(tài)分析的高靈敏度壓力傳感器

01 研究背景

足底壓力和步態(tài)是測(cè)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(yùn)動(dòng)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(cè)，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(shí)時(shí)顯示足部患者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、姿勢(shì)及相關(guān)生理信息，促進(jìn)個(gè)性化康復(fù)和醫(yī)療治療，近年來(lái)備受關(guān)注。（參考文獻(xiàn)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(qiáng)結(jié)構(gòu)的可變形性，可以產(chǎn)生具有足底壓力檢測(cè)功能的柔性傳感器。（參考文獻(xiàn)8~10）

在正常的日?；顒?dòng)中，人的腳受到壓縮壓力、切向力或兩種復(fù)雜耦合力和長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)條件的影響。為滿足復(fù)雜動(dòng)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(shì)。因?yàn)樾枰ㄟ^減小裝置尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)足底壓力的空間分辨率，以準(zhǔn)確識(shí)別足底壓力的細(xì)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(shí)間以及優(yōu)異的長(zhǎng)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(shí)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(dá)4000 kPa的超高壓力，具有出色的靈敏度（158.67 kPa?1），超低檢測(cè)限（0.25 Pa），快速響應(yīng)時(shí)間/弛化時(shí)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(jī)器系統(tǒng)準(zhǔn)確的智能識(shí)別足型。準(zhǔn)確識(shí)別率可達(dá)99.8%，在健康檢測(cè)、機(jī)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(jì)原理

在這項(xiàng)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(dá)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(jì)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(wú)應(yīng)力壓力下的電容信號(hào)，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(dá)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(dá)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(shí)實(shí)現(xiàn)了高靈敏度和超寬探測(cè)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(hào)相對(duì)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(jī)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(yáng)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(qiáng)。同樣，IL含量越高，可以構(gòu)建的微電容器越多，電容信號(hào)越高，靈敏度性能越好。 圖3：傳感器的傳感特性、傳感機(jī)理和信號(hào)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(cè)的最極端條件是足底壓力分布監(jiān)測(cè)，這在個(gè)性化醫(yī)療和康復(fù)計(jì)劃的設(shè)計(jì)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(wú)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(qiáng)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(gè)柔性傳感鞋墊組成，每個(gè)鞋墊有28個(gè)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(hào)轉(zhuǎn)換單元，用于制備柔性電路板。

該系統(tǒng)采用無(wú)線保真度（WIFI）來(lái)傳輸數(shù)據(jù)從檢測(cè)單元到彈性計(jì)算服務(wù)的感應(yīng)電容信號(hào)。用戶界面便于測(cè)試儀實(shí)時(shí)捕捉用戶足底壓力分布情況。

該FSS有助于收集和實(shí)時(shí)捕獲靜態(tài)和動(dòng)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(cè)試并比較了使用相同頻率（1 kHz）的絕對(duì)變化電容和壓力曲線。信號(hào)變化的一致性表明，研制的FSS可以進(jìn)行準(zhǔn)確的檢測(cè)，信號(hào)可靠性高。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為三名體重約70公斤的成年男性，運(yùn)動(dòng)時(shí)足底壓力最大約為1.4 MPa。FSS用于檢測(cè)靜態(tài)站立和動(dòng)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(lái)看，行走時(shí)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(yùn)動(dòng)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(shí)別不同的足部類型和壓力分布，可以成為各個(gè)領(lǐng)域的專業(yè)人員的有用工具，包括運(yùn)動(dòng)科學(xué)，康復(fù)工程和生物力學(xué)，用于精確可靠地評(píng)估足底壓力分布和步態(tài)模式。

圖4：無(wú)線檢測(cè)足底壓力的FSS的實(shí)際應(yīng)用

圖5：FSS在機(jī)械系統(tǒng)自主識(shí)別中的應(yīng)用

圖6：FSS在機(jī)械系統(tǒng)自主識(shí)別中的應(yīng)用

03. 分析展望

綜上所述，受人體皮膚無(wú)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(cè)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(wàn)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(jìn)步促進(jìn)了足底類型的高精度智能識(shí)別，用于潛在的臨床和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，增強(qiáng)了可穿戴設(shè)備在健康檢測(cè)、人機(jī)交互和醫(yī)療康復(fù)方面的能力。

審核編輯 黃宇