科技日報訊 （記者頡滿斌 通訊員余若怡）記者5月7日從蘭州大學(xué)獲悉，該校物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授蘭偉、靳志文以及美國俄亥俄州立大學(xué)教授李婧華組成的聯(lián)合團隊，成功研制出一種高集成度、自供能、無線智能鞋墊，可實現(xiàn)足底壓力實時監(jiān)測與多運動狀態(tài)精準識別。相關(guān)研究成果日前發(fā)表在國際期刊《科學(xué)進展》上。
“走路、跑步這些日常動作看似簡單，實則蘊含著身體狀態(tài)的重要信息。步態(tài)可以反映人體的運動狀態(tài)、健康水平及潛在患病風險。”蘭偉說，比如，老年人走路時步態(tài)不穩(wěn)，可能是身體出問題的信號。年輕人運動后長期步態(tài)異常，或許暗示著運動損傷。而步態(tài)監(jiān)測不僅能用于心力衰竭、帕金森、腦卒中等疾病的早期篩查與評估，還能用于運動姿態(tài)糾正、跌倒預(yù)警。
足底壓力監(jiān)測是步態(tài)監(jiān)測的重要組成部分，為步態(tài)監(jiān)測提供了數(shù)據(jù)支撐。“足底壓力監(jiān)測專注于采集足底與支撐面接觸時產(chǎn)生的壓力數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)直觀反映了足部在運動過程中的受力分布、壓力變化規(guī)律，是判斷步態(tài)正常與否的重要依據(jù)。”蘭偉說。
為實現(xiàn)足底壓力監(jiān)測以及步態(tài)實時可視化分析，聯(lián)合團隊研發(fā)出一種智能鞋墊。該鞋墊內(nèi)部集成了22路壓力傳感器，如同在足底構(gòu)建了一張細密的感知網(wǎng)絡(luò)，能夠精準捕捉足底每處細微的壓力變化。當人們踩著這款鞋墊行走、運動時，傳感器采集到的壓力數(shù)據(jù)會被實時傳輸?shù)街悄苁謾C端，通過專門的應(yīng)用程序，將復(fù)雜的壓力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為直觀的動態(tài)可視化圖像。無論是足底壓力的分布區(qū)域，還是壓力值隨時間的變化曲線，都能一目了然地呈現(xiàn)在用戶眼前。
在運動狀態(tài)識別方面，研究團隊運用支持向量機的機器學(xué)習模型，為智能鞋墊打造了“智慧大腦”。該模型通過大量的運動數(shù)據(jù)訓(xùn)練，能夠精準識別坐、站、走、跑、跳、蹲等8種常見運動狀態(tài)。當用戶踩著智能鞋墊運動時，鞋墊中的壓力傳感器采集到的實時數(shù)據(jù)會傳輸給模型，模型可快速對數(shù)據(jù)進行分析處理，判斷出用戶當前的運動狀態(tài)。
蘭偉介紹，未來老年人出門散步，只需穿上這雙智能鞋墊，子女就能通過手機實時查看老人的步態(tài)數(shù)據(jù)。一旦監(jiān)測到步態(tài)異常或老人有跌倒風險，鞋墊會立即發(fā)出警報，為老人的出行安全保駕護航。對于熱愛健身的年輕人，智能鞋墊可以精準識別其跑步、跳躍等運動狀態(tài)，分析足底壓力分布，幫助他們糾正錯誤的運動姿態(tài)，避免因運動不當造成損傷。在兒童成長過程中，家長可以借助智能鞋墊監(jiān)測孩子的步態(tài)情況，及時發(fā)現(xiàn)潛在的足部問題。
為解決智能鞋墊的續(xù)航難題，研究團隊開發(fā)了柔性鈣鈦礦太陽能電池。這種電池就像一層輕薄的“能量膜”，可以貼附在鞋面外側(cè)。它具備高效的光電轉(zhuǎn)換能力，在普通光照條件下，可快速將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，再通過智能電路將電能存儲在鞋墊內(nèi)置的鋰電池中。如此一來，智能鞋墊無需頻繁充電，即可實現(xiàn)長時間自供能運行，徹底擺脫對外部電源的依賴。
