■本报记者 叶满山
近日，兰州大学教授兰伟团队联合中美研究人员，成功研制出一款高集成度、自供能、无线智能鞋垫，创新性地将足底压力监测与步态分析深度融合，借助人工智能技术实现了对人体运动状态的精准识别。相关论文发表于《科学进展》。
从临床需求获得灵感
“这项研究的灵感源于对身边疾病的观察。”兰伟回忆说。一次，他与心内科医生交流，得知心力衰竭患者在临床上有个简单的判断方法，就是请患者走一段路，观察走路姿势、速度等表现。
其实，很多疾病都与足底压力分布密切相关。现有监测手段，如压力平台和实验室步态分析系统，通常局限在特定空间，难以实现日常环境中的连续监测。兰伟意识到，这是一个未被很好满足的临床需求，于是萌生了开发智能鞋垫的想法。
兰伟团队一直关注柔性电子与医疗健康场景的结合应用，并致力于将前沿科技转化为实际产品。当时，该团队正在研究一种性能出色的新型压力传感器，于是一个创新想法在他们脑海中闪现：可以将这种传感器集成到鞋垫中，从而实现对足底压力的实时监测。
这个想法如同一颗种子逐渐生根发芽。兰伟团队决定尝试将传感器、电路设计、系统集成、数据采集与传输以及人工智能算法等先进技术结合起来，共同打造一个完整的智能鞋垫系统。这不仅是一次技术上的跨越，更是从基础研究转化为功能性产品的重要一步。
随着智能鞋垫项目的正式启动，一场跨越学科、跨越国界的合作悄然拉开帷幕。兰伟介绍，该项目核心成员、硕士研究生王齐在完成压力传感器的设计与制备、电路设计、系统集成等关键任务后，前往美国俄亥俄州立大学继续深造。
这一契机，促成了兰州大学与美国科研团队的紧密合作。双方虽然身处不同时区，但凭借对科研的执着追求和共同目标，通过紧密沟通与协作，共同推动了项目的顺利进行。
在中美团队的努力下，智能鞋垫项目取得显著进展。他们通过反复试验与优化，成功实现了传感器性能的大幅提升。同时，美国合作伙伴也在数据处理、动态可视化及论文撰写等方面发挥了重要作用。这一系列的技术突破和创新成果，为智能鞋垫的进一步研发和应用奠定了坚实基础。
多学科交叉集成的创新突破
在智能鞋垫的研发过程中，科研团队遇到了不少技术瓶颈。其中，柔性太阳能电池的研发尤为棘手。由于柔性基底与钙钛矿器件制备工艺之间的不兼容性，导致成膜质量和器件性能难以达到预期。面对这一难题，团队没有退缩，而是迎难而上。
团队尝试了多种柔性基底，并对整个制备流程进行了反复调整。最终，通过二次旋涂法，他们在柔性基底上逐步建立起稳定的结晶条件，成功实现了成膜质量和器件性能的双重提升。这一突破，不仅为智能鞋垫的自供能提供了有力保障，也为柔性电子器件的制备提供了新的思路与方法。
“在传感器性能方面，我们遇到了不小的挑战。”兰伟表示，传统柔性电阻型传感器在线性响应方面存在瓶颈，难以满足高精度监测需求。为了突破这一局限，团队提出“双非线性协同”策略。他们设计并制备了三维多孔硅胶结构，在其表面沉积了碳纳米管和乙炔黑两种导电材料。初步实验验证，这一策略能够实现较为理想的线性响应。
在此基础上，团队对材料配方进行了系统性的筛选与优化，最终找到一个兼具高线性度与良好灵敏度的组合方案。这一创新解决方案，不仅提升了传感器的性能，也为智能鞋垫的精准监测提供了有力支持。
解决了棘手问题，但在智能鞋垫的硬件和软件设计过程中，团队又遇到问题——采集精度、采样率和系统功耗之间的权衡。
为了实现高分辨率的足底压力监测，系统在数据采集和传输上需要一定的频率和精度，但这意味着更高的能耗。尤其是在自供能背景下，功耗控制显得尤为关键。
“为了化解这些矛盾，团队在硬件设计上采用‘按需唤醒’机制。”兰伟告诉《中国科学报》，这一机制使得电路中大多数器件在非采样时处于休眠状态，只有在采样瞬间才被激活，从而显著降低整体功耗。同时，团队还对采样率、数据传输速率和采集精度进行了综合评估，最终选择了32Hz的采样频率。这一频率既能捕捉足底压力分布的快速变化，又避免了功耗的大幅上升，是一个相对理想的平衡点。
服务老年人健康管理
“目前，这款智能鞋垫虽然已构建了完整的技术方案，并在多个方面实现突破，但尚未进入真实医疗场景的试用阶段。”不过，兰伟表示，团队对其应用前景充满信心。他们相信，凭借系统的高集成度、低功耗和优异的数据表现，这款智能鞋垫未来一定可以在真实医疗环境中发挥价值，为患者带来帮助。
对于老年人来说，这款鞋垫在日常健康管理中的作用尤为显著。它可以实现日常步态的长期监测，帮助及早识别步态变化、平衡异常等潜在风险，还能实时监测足底压力分布，为心力衰竭、糖尿病足等慢性疾病提供辅助评估价值。通过与移动端的联动，它还能实现远程数据可视化和趋势分析，便于家属或护理人员随时掌握老年人的活动状态。
“人们穿着看似简单的一双鞋，就能持续、无感地获取身体状态，甚至与医生、家人共享数据，实现早期干预和远程照护。这种以‘脚’为切入点的智能健康管理方式，可能在未来成为可穿戴医疗设备的重要组成部分。”兰伟说。团队还有意将这项技术与养老机构或康复中心结合起来，开展初步的试点应用。他们希望这款鞋垫不仅是一项技术成果，更是真正能服务于老年人健康管理的工具。
相关论文信息：
10.1126/sciadv.adu1598
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