研究用于人体足底压力和步态分析的高灵敏度压力传感器

01 研究背景

足底压力和步态是测量人体日常生理信息的关键参数，是下肢骨骼和肌肉结构、周围神经和中枢神经系统协调运动的最终结果。

然而，由于现有足底压力传感器的灵敏度和稳定性的限制，难以准确监测，导致发病率高，治疗困难，致残率和死亡率高。

便携式足底压力柔性传感系统（FSSs）可以实时显示足部患者的运动状态、姿势及相关生理信息，促进个性化康复和医疗治疗，近年来备受关注。（参考文献6、7）

现有的研究表明，增加传感器的尺寸、增加支撑框架或增强结构的可变形性，可以产生具有足底压力检测功能的柔性传感器。（参考文献8~10）

在正常的日常活动中，人的脚受到压缩压力、切向力或两种复杂耦合力和长期动态条件的影响。为满足复杂动态条件下足底压力传感的高精度要求，设备小型化是必然趋势。因为需要通过减小装置尺寸来实现足底压力的空间分辨率，以准确识别足底压力的细微变化，这就要求传感器具有更高的灵敏度、更宽的传感范围、更快的响应时间以及优异的长期使用稳定性。

本文介绍了一种由聚酰亚胺（PI）材料体系和高孔隙率层压离子纤维结构组成的集成离子电子柔性压力传感器。通过调整PI的聚集结构，实现了内部纤维和功能层的大量自粘合。该传感器可以在极高的压力下保持变形，类似于桁架网络的结构变形。因此，该传感器可承受高达4000 kPa的超高压力，具有出色的灵敏度（158.67 kPa−1），超低检测限（0.25 Pa），快速响应时间/弛化时间（2.4 ms/4.7 ms），出色的循环稳定性（1500 kPa压力下150000次循环）和高环境适应性（超高和复杂压缩应力（1969.6 kPa）和剪切应力（347.3 kPa）下10000次循环）。此外，证明了FSS有助于机器系统准确的智能识别足型。准确识别率可达99.8%，在健康检测、机器交互、医疗康复等领域具有广阔的应用前景，为制备复杂应力条件下高性能、稳定的传感电子皮肤提供了有效策略。

02 集成式柔性压力传感器的设计原理

在这项工作中开发的集成传感结构由聚酰亚胺材料系统制成。

确定10 wt %的多壁碳纳米管（CNTs）是添加到聚酰亚胺基质中的最佳浓度。通过在聚酰亚胺基体中加入离子液体（IL）得到离子光纤介质层，提高传感器的传感性能。PI材料不仅可以作为传感器的结构骨干，具有优越的力学性能，还可以通过控制材料的聚集结构，形成大量的自粘合接头，有效地防止功能层之间的力学不匹配。

该电极层的厚度为20 μm，采用刮削工艺制备，以确保最佳的导电性和柔韧性。采用吹丝技术制备了孔隙率高达94.2%的层状离子纤维介电层，并在纤维-纤维之间以及纤维-电极之间建立了自粘合接头。PI矩阵优越的力学性能使传感器结构能够承受高外部压力，而层压离子纤维结构的高孔隙率使其在压力作用下具有更大的变形范围和敏感性。大量的自粘接头内部保证了传感器的结构稳定性。

图1：足底压力综述

图2：集成式离子柔性压力传感器的设计原理及结构表征

 

03 传感特性

电容式传感器的灵敏度定义为S = δ（ΔC/C0）/δ p，其中，C0表示传感器在无应力压力下的电容信号，ΔC表示压力下的电容变化，δ p表示从面积为7mm × 7mm的传感器接收到的压力。 在0 ~ 1000 kPa的压力范围内，灵敏度达到158.67 kPa−1。此外，该传感器即使在较高的压力下也表现出出色的灵敏度，在1000 ~ 2000 kPa的压力范围内达到78.4 kPa−1，在2000 ~ 4000 kPa的超高压区域保持40.44 kPa−1的灵敏度，并具有出色的线性。 值得注意的是，该传感器同时实现了高灵敏度和超宽探测范围，这是由于吹丝技术收集的层流离子纤维总体分布均匀，导致初始和最大电容信号相对均匀。 优异的灵敏度和传感压力范围是由于其离子电容式压力传感机制和高模量的高孔隙结构。一方面，在电流的影响下，介电层中IL的阴离子和阳离子分别产生许多带正极和负极的微电容器。随着电极与介电层之间接触面积的增加，微电容器的数量增加，导致电容显著增强。同样，IL含量越高，可以构建的微电容器越多，电容信号越高，灵敏度性能越好。 图3：传感器的传感特性、传感机理和信号稳定性  

04 足底压力传感与步态分析的FSS

人体健康监测的最极端条件是足底压力分布监测，这在个性化医疗和康复计划的设计中起着至关重要的作用，旨在优化步态，减少疼痛和预防损伤。人体足底的任何区域都承受着复杂的压力（压缩、剪切或两种耦合力），成人承受的压力最高约为1.5 MPa，这就要求足底压力传感器具有足够的感应范围、灵敏度和使用稳定性。此外，人体足底区复杂的压力环境也要求传感器具有足够高的空间分辨率、高压力分辨率和快速响应速度。

因此，开发了一种基于无线通信的足底压力传感和步态分析FSS，它需要在具有挑战性和苛刻的工作环境中具有强大的传感性能。

在聚酰亚胺矩阵（FPC-PI）的柔性印刷电路上，由两个柔性传感鞋垫组成，每个鞋垫有28个传感单元，其中FPC-PI工艺成熟，成本低，柔韧性好，稳定性好，具有信号转换单元，用于制备柔性电路板。

该系统采用无线保真度（WIFI）来传输数据从检测单元到弹性计算服务的感应电容信号。用户界面便于测试仪实时捕捉用户足底压力分布情况。

该FSS有助于收集和实时捕获静态和动态足底压力数据，以生成压力分布图，包括各种步态。此外，分别使用FSS和LCR表测试并比较了使用相同频率（1 kHz）的绝对变化电容和压力曲线。信号变化的一致性表明，研制的FSS可以进行准确的检测，信号可靠性高。

实验对象为三名体重约70公斤的成年男性，运动时足底压力最大约为1.4 MPa。FSS用于检测静态站立和动态行走状态下的足底压力分布，足底压力表现为中性足、旋前足和旋后足。

从结果来看，行走时异常足的足底压力映射比中性足行走的足底压力映射更明显。这可以归因于在运动过程中，与正常足相比，异常足的足底表面的整体承载面积减少。因此，在相同体重下，异常足的足底表面感应区承受更大的压力，在压力图上用较深的阴影视觉上表示。

总体而言，由于传感器的宽传感范围，高灵敏度和高空间分辨率，FSS可以准确识别不同的足部类型和压力分布，可以成为各个领域的专业人员的有用工具，包括运动科学，康复工程和生物力学，用于精确可靠地评估足底压力分布和步态模式。

图4：无线检测足底压力的FSS的实际应用

图5：FSS在机械系统自主识别中的应用

图6：FSS在机械系统自主识别中的应用

03. 分析展望

综上所述，受人体皮肤无界面特性的启发，开发了一种集成柔性压力传感器。该传感器在0 ~ 4000 kPa的检测范围内具有高灵敏度和高稳定性，在1500 kPa下可承受15万次以上的循环，并能在复杂应力条件下抗疲劳。这些进步促进了足底类型的高精度智能识别，用于潜在的临床和生物医学应用，增强了可穿戴设备在健康检测、人机交互和医疗康复方面的能力。

审核编辑 黄宇