国产“自发电”柔性传感鞋垫看穿疾病预警信号

一次不经意的“崴脚”，一次走路时的轻微“拖曳”，或许不仅是疲劳的信号

来源：科技日报

科技日报记者 王禹涵

一次不经意的“崴脚”，一次走路时的轻微“拖曳”，或许不仅是疲劳的信号，还有可能是足弓塌陷、神经肌肉病变甚至帕金森病的早期征兆。步态，这一被称为“健康窗口”的行为特征，长期因难以被精准、连续、无感地捕捉，而让无数潜在患者错过了最佳干预时机。

如今，这一困境有望被一双看似普通的鞋垫打破。近日，西安电子科技大学集成电路学部郝跃院士团队成功研发出一款能量自主、AI增强的仿生鞋垫。这款设备不仅能感知“羽毛轻落”的微压，还能承受“全力起跳”的冲击，在无需外接电源的情况下，对12种病理步态的综合识别准确率高达97.6%。

让传感器既“敏锐”又“皮实”

门诊中常常遇到这样的情况：患者因为走路“有点不对劲”来就诊，但影像学检查和常规步态评估却显示“正常”。等到症状明确时，往往已错过最佳的康复干预期。这正是传统步态分析面临的临床痛点。

长期以来，传统可穿戴设备在步态分析领域受制于“三座大山”：传感器灵敏度与量程难以两全、电池续航能力不足、海量数据缺乏有效分析手段。其中，传感器的矛盾尤为突出——既要能捕捉足底细微的压力变化（比如足弓轻微塌陷），又要能承受跑步跳跃时的巨大冲击，这几乎是个无解的难题。

那么，破局点在哪里？研究团队从大自然中找到了灵感。螳螂捕食时，腿部既要感知猎物的微弱动静，又要承受自身快速移动的强大冲击。这种分级机械传感结构给了团队重要启发。

受此启发，团队设计出双微结构电容传感器，一举实现了高灵敏与宽量程的统一。其检测下限低至0.10帕斯卡——相当于羽毛轻触脚底的力度；最大量程却高达1.4兆帕，足以承受剧烈运动时的瞬间强冲击。更关键的是，即便经过12000次循环加载测试，传感器性能依然保持稳定。

这相当于为医生配备了一位24小时不知疲倦的“触觉专家”。无论是静态站立时的微弱压力波动，还是奔跑跳跃时的爆发性冲击，它都能精准捕捉，不漏掉任何可能预示疾病的细节。

一双鞋垫成为“健康哨兵”

攻克了传感硬件的难题，另一个现实问题立刻摆在眼前：如何摆脱频繁充电的束缚，实现真正的“无感监测”？

要知道，很多患者一开始愿意配合监测，但听说要每天给鞋垫充电，或者要背着外接电源，依从性就大打折扣。为此，团队将纳米钙钛矿太阳能电池与高容量锂硫电池整合进鞋垫。其平均光电转换效率达11.21%，储能效率达72.15%。

这意味着什么？在户外或有光环境下，鞋垫可通过太阳能“自充电”；无光条件下，内置电池可保证8小时以上连续供电。这种“能量自主”模式，彻底打破了可穿戴设备“一天一充”的局限，为长期连续监测提供了坚实保障。

当然，硬件采集的足底压力数据只是原始信息，真正的价值在于解读。鞋垫通过16通道无线模块实时传输数据，而嵌入的人工智能算法则扮演了“解码者”的核心角色。经过充分训练，系统对足弓异常的识别准确率达96%，对12种病理步态的综合分类准确率更是高达97.6%，涵盖帕金森病慌张步态、脑卒中偏瘫步态等多种复杂情况。

以往医生在诊室观察患者走几步，容易受时间短、患者紧张等因素影响。现在，系统可在患者居家、上班、散步的真实场景中连续监测，捕捉到的步态特征无疑更真实、更全面。

目前，这套闭环可穿戴监测平台已完成临床验证，其采集的数据与临床评估具有良好一致性。在产业化路径上，当前最大的瓶颈在于封装耐用性。团队初期计划从消费电子领域切入，预计一年内实现产业化，并不断迭代进阶。相比之下，医疗器械的申请流程更为复杂，周期也更长，但这无疑是技术走向深度应用的必经之路。