足底壓力測量鞋墊系統設計及發展趨勢

鄧喜樂，Kamen Ivanov ,梅占勇，鄧詠梅,*

(1.西安工程大學 服裝與藝術設計學院，陜西 西安 710048；2.中國科學院 深圳先進技術研究院，廣東 深圳 518055；3.成都理工大學 網絡安全學院，四川 成都 610059)

隨著我國人口老齡化的加劇，足部疾病發病率在持續增加，如糖尿病引起的足部潰瘍、扁平足高弓足以及膝骨關節炎、中風引起的相關足部病癥等步態康復問題一直得到人們的關注。監測足底壓力的變化和分析足底力學分布特征能夠揭示人體步態規律，從而對足部健康做出預測和評價。足底壓力指在靜止或運動時人體在自身重力的作用下，足底在垂直方向上受到支撐面的反作用力。足底壓力分布有一定的規律，人體衰老、下肢受傷或足部疾病都可能會破壞足底壓力的正常分布，因此足底壓力可以作為早期慢病和未病等疾病預測的檢查指標[1]。在疾病預防領域，通過監測分析人體的足底壓力和步態模式對一些疾病作出早期的預測；在醫療保健、康復治療和運動訓練等領域，足底壓力和步態分析可以作為術后康復評估、診斷的重要指標；同時足底壓力分析也在鞋類設計中有較廣泛的應用，根據足底壓力分布特征選擇舒適性更好的功能性鞋墊材料能夠在一定程度上提高穿著者的運動水平[2-4]。除此之外近幾年在人體識別、監測姿勢分配等領域也有了創新性應用，因此開發研究足底壓力測量系統具有重要的意義[5]。

1 足底壓力測量技術的研究現狀

有關足底壓力的相關研究，國外起步較早，經歷了足印法、足底壓力掃描技術、力板與測力臺技術、壓力鞋、鞋墊、智能襪品技術等。足印法，1872年最早記載研究足-地作用力的一次嘗試，通過在鞋底放置充氣袋，人體行走時引起氣壓變化來反映足-地接觸壓力的近似值。雖然早期的研究人員明白作用地面的壓力是矢量力，只能根據變形物質的變形形態及深淺或者圖像的變化做大致的判定。1940年，光學測量法可視形象化技術出現，美國Elftman在1938年設計的力板，利用力-光轉換原理實現測量地面作用力，但這種通過光學壓力掃描分析足底壓力只是定性分析，缺乏定量化。隨著計算機圖形技術的發展，20世紀50年代，開始系統性足底壓力測量與分析等臨床實驗。隨著微電子技術和傳感技術的推進，Darwin利用壓敏電阻傳感器設計的一種測力平臺，采用電-力轉換技術的壓力板得到研究和應用，實現對足部運動狀態進行多點多方位的監測。英國Srinivasan團隊將壓敏電阻集成傳感陣列，開發的多模塊壓力測試板,實現了精確足底壓力測量，但不利于動態研究。近年來為了實現動態足底壓力分布的測量，研究人員將柔性可穿戴能夠執行電子功能的電子裝置比如傳感器、執行器等轉換裝置和電源嵌入鞋內、襪中或者鞋墊內，通過肌電圖技術、現代電子信息技術、微加工工藝、無線通信技術、柔性電子技術與智能紡織品等技術實現可穿戴測量。

目前市場上常用的測量足底壓力分布系統主要有鞋內系統和平臺系統[6]。平臺系統主要有測力臺和測力板，瑞士Kistler公司和比利時RSscan公司對測力臺、測力板進行的研究相對較為深入，其測力臺和測力板的足底壓力數據采樣精確度高，采集的性能可靠，但是繁重的設備和非自然的使用環境，會讓受試者感到不舒適，測試時很難得到人體在自然狀態下的步態數據，從而影響測量結果，且價格昂貴，測試范圍存在局限性，所以常用于實驗室或醫院，而不能用于日常活動的連續監測。鞋內系統主要包括智能襪品和足底壓力測量鞋墊，相較于固定的平臺系統，鞋內系統將傳感器放置在需要測量的部位，可以連續記錄運動中的足部壓力、時間等參數并可以穩定傳輸數據[7]，同時測量系統的柔韌和便攜性強，不受地點限制，穿戴后可以像往常一樣處于自然行走狀態，測得結果更接近人體真實的運動狀態。在鞋內系統中智能襪品相對于足底壓力測量鞋墊來說雖然有彈性，但需要經常換洗，且對柔性傳感器和鞋墊材料有更高的要求，所以研究內容和領域相對很窄。而足底壓力測量鞋墊不需要經常換洗，可以用于多種鞋子的測試,成為了研究的焦點[8]。

2 足底壓力測量鞋墊的系統設計

2.1 系統架構

足底壓力測量鞋墊主要由4個部分組成：數據采集模塊、信號傳輸模塊、數據存儲處理模塊、終端顯示模塊，框架如圖1所示。數據采集模塊一般由傳感器陣列、導電織物傳感元件和鞋墊材料制成，將多種類型的微型傳感器陣列通過導電線連接嵌入鞋墊的不同位置，構成人體足底壓力信號的采集模塊；信號傳輸模塊在采集完運動數據后需要對數據進行處理包括壓縮打包，針對某些傳感器輸出信號微弱的特點，應用信號加入調理電路對傳感器信號進行增強，在對處理后的數據進行緩存后再發送出去[9-10]；在數據存儲處理模塊中，采用云計算、大數據等相關數據處理技術，對接收到的數據進行有效的系統分析；最后將信號傳輸到智能手機和電腦上的應用軟件，用于數據存儲處理和可視化分析，應用軟件能夠提供用戶界面，實時顯示和分析足底壓力的時間和空間分布，實現數據的終端顯示[11-12]。隨著藍牙、GPRS和Internet無線技術的發展，解決了設備間繁瑣的連線，逐漸實現了足底壓力遠程實時監測與傳輸，突破了監測足底壓力運動方式和運動范圍的局限。

2.2 足底壓力測量鞋墊的設計

2.2.1傳感器

柔性壓力傳感器用柔性的高分子聚合物材料和納米導電材料代替剛性基板材料，具有可彎折性、延展性、輕便等屬性，被廣泛應用于人工智能化領域。目前常用于足底壓力數據采集的單點式薄膜柔性傳感器類型主要有電容式、壓電式和壓阻式傳感器[13]。

圖1 便攜式足底壓力測量鞋墊結構

電容式柔性壓力傳感器由2個隔開的電極板組成，通過非接觸式感應引起電容變化，從而獲得相應的電信號。其優點是可用于靜態或長時間負荷連續監測，但其靈敏度較低，信號標定和電路設計比較復雜。壓電式柔性壓力傳感器基于壓電效應實現壓力和電信號轉換，優點是靈敏度高，結構簡單，大部分只適用于動態測量而不能用于靜態測量，且溫度效應敏感。壓阻式傳感器多采用半導體材料制成，當受到壓力時，會產生與施加的力成比例的電信號，優點是靈敏度高、精度高，缺點是溫度特性差，量程小工藝復雜[14]。

壓力傳感器的結構形式繁多，研制和開發要符合可穿戴設備穿戴舒適性和監測數據可靠性的要求。舒適性體現在傳感器間接接觸人體足部時，嵌入鞋墊內的壓力傳感器和一些剛性微電子器件應該盡可能柔軟、重量輕、體積小、便于攜帶，不影響人體正常行走為首要考慮的因素。柔性壓力傳感器的可靠性主要有壓力測量范圍、線性度、靈敏度、采樣頻率、耐用性等[15]。

傳感器需要具有合適的壓力范圍，范圍太小，超量程使用會降低傳感器性能甚至破壞傳感器。對于運動而言，壓力范圍應該更大，但范圍過大導致信號不明顯，足底壓力測量系統最大壓力高達3 MPa,因此最大壓力的測量上限為3 MPa；再者需要良好的線性度，即當傳感器承載時，實際特性曲線與擬合直線之間的最大偏差值與滿量程輸出值之比，比值越小表示傳感器的線性特性越好。目前柔性壓力傳感器使用的高分子材料大多為非線性彈性材料，不具有良好的線性度，對于不具有嚴格線性度的壓力傳感器，當比值的絕對值>1 kPa-1時，認為傳感器靈敏度好。傳感器還要有合適的采樣頻率，采樣頻率越高，單位時間得到的壓力數據越多，計算速度越慢，這對存儲空間也提出了要求，通常柔性傳感器的采樣頻率要求在200 Hz以上就可以滿足測量要求[16]。由于傳感器是由不同的材料和原理組成的，容易受到環境溫度的干擾，受溫度影響越小，傳感器穩定性越好。根據人體的溫度，在20～37 ℃范圍內，低敏感的傳感器是最優選[17]。最重要的一點是傳感器在大量重復加載循環下還應具有足夠的精度和可靠性，也就是耐用性好。

為了應對足底壓力測量對壓力傳感器的需求，近年來，多種新型材料被用于研制新型柔性壓力傳感器。壓電陶瓷材料、PVDF(聚偏二氟乙烯)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)、TPU(熱塑性聚氨酯)等因具有優良的物理性能或化學特性常用作制備傳感器的材料[18-19]；金屬納米顆粒、金屬納米線、導電炭黑、石墨烯及碳納米管等納米導電材料也因其成本低、導電性優異被用于制做柔性傳感器[20-21]。壓電式陶瓷傳感器具有較好的壓電特性、線性特征和抗沖擊力，實驗證明陶瓷傳感器的非線性度小于0.8%FS[22]。PDMS涂敷在導電纖維表面制成的電容式的柔性壓力傳感器，在密集進行了10 000次試驗后輸出信號還很穩定，證明其具有優異的耐久性[23]。石墨烯薄膜制作的柔性壓力傳感器，靈敏度高達0.012 kPa-1，具有良好的穩定性和可重復性，這些都為足底壓力測量鞋墊的研究奠定了基礎[24]。新型柔性傳感器具有成本低、柔韌性、延展性、靈敏度高，耐腐蝕，穩定性好，測量壓力范圍大，廣泛適用于智能化領域。

2.2.2連接方式

紡織品鞋墊與傳感器等電子元件結合主要有3種技術：(1)基于模塊化技術。將電子元件集成于一個或幾個獨立的“盒子”中，作為鞋墊的附件，電子元件和紡織品的功能各自獨立，通過縫紉可將小型的電子元件和導線直接縫合到織物上，以實現所需的功能[25]。(2)基于纖維的技術。部分或全部的電子元件及傳感器直接由纖維和織物構成，通過紡織電路連接電子元器件。紡織電路是建立在紡織品基底上的電路，將高度集成的微電子器件置于纖維紗線中，把包含豐富功能的大量電子模塊編織在一起，分布在給定纖維上，再通過傳統的服裝結構，如織造(針織、梭織)、刺繡、印花等方法制作紡織電路，來傳輸電信號；部分纖維本身含有金屬絲或者經金屬涂層能導電，可直接作為電子元器件之間的導體傳輸電信號[26]。(3)基于嵌入式技術。電子元件是紡織品(鞋墊)的一部分，可通過將電子元件印刷、模壓直接生產，通過織物上的導電紗線連接電路板、柔性傳感器及其他微電子元件，此種方法成本高，過程復雜，制成的鞋墊耐磨。

為了使傳感器在使用中不受溫濕度等外界環境影響，減少因電子器件輻射給人體帶來的負面影響，還需要根據傳感器和鞋墊材料結合方式，對傳感器進行封裝處理，確保穿戴者的舒適性和安全性。

2.2.3足底壓力鞋墊的材料

制作鞋墊的材料、結構不同，人們穿著的舒適性不同，對于足部健康的矯治也不同。太軟的材料對腳底沒有支撐力，容易疲勞；材料太硬，運動中腳和地面產生的作用力對足部關節、膝關節造成傷害。人們在不斷探索和改進鞋墊的材料和制作工藝。

常用的鞋墊材料分為天然材料、高分子材料和3D打印材料。天然材料制成的鞋墊富有彈性，吸濕透氣性好，但耐用性差[20]，因此天然材料不適用智能鞋墊的制作。高分子材料如乙烯醋酸乙烯聚合物(EVA)、聚乙烯(PE)、聚氨酯(PU)、乳膠及多層復合材料，具有質輕、柔軟、防潮隔熱、抗菌彈性好等優點，被廣泛應用于制作各類功能性鞋墊。3D打印鞋墊具有可設計性強、靈活度高、效率高、加工精度高等優點，但其耗材成本和設備成本較高，在研究功能性鞋墊材料時也多有應用[27]。3D打印的間隔織物鞋墊對足底壓力有緩沖作用，通過在轉彎過程中監測人體足部壓力峰值，減少了趾骨1～3的12%的峰值壓力[28]。近年來智能鞋墊開發新型材料，如智能纖維、碳纖維材料、有機硅人體仿生材料，利用混紡交織等方法改進鞋墊材料，具有穿著舒適、吸汗、殺菌、除臭等特點。

鞋墊材料的選擇是足—鞋環境系統舒適性的重要因素，鞋墊材料的硬度、厚度和結構是影響鞋墊舒適性的主要因素。較硬的鞋墊能較大程度地分散足底主要受力區域承受的壓力，人在行走時穿著不同厚度和硬度的EVA鞋墊，厚度在1.5～4.68 mm、硬度在23.7°～33.7°之間穿著舒適性較好，其中硬度33°、厚度4.5 mm鞋墊的舒適性最佳[29-30]，鞋墊的腰窩高度到達足部腰窩整體高度的一半時舒適性最佳[31]。在設計鞋墊的結構時應根據足部的力學特性，通過在足底壓力較大區域，插入復合型材料，或者使用多種材料組合來調節穿著舒適性[32]。

3 發展趨勢與挑戰

3.1 挑戰

盡管現在國內外足底壓力測量鞋墊已經有了一定的研究基礎，但其發展還是存在一些問題:

(1)目前最佳穿著舒適性的鞋墊材料硬度和厚度的研究，尚未達成統一的量化數據[30]。對鞋墊材料舒適性的研究多數停留在對足底壓力進行客觀測量的同時，再結合主觀評價的方法獲得最佳的材料數據，由于主觀評價受個體偏好、身高、體重和生活習慣差異等多方面因素的制約，評價精度不高，因此鞋墊舒適性還有待進一步研究，提出足部的舒適性評價指標尤為重要[33]。

(2)安全性需加強。足底壓力測量鞋墊與人體接觸，要控制、規范輻射或者防止漏電，降低可能對人體造成過敏等傷害，保護人身安全。

(3)提高鞋墊的實用性。目前的智能鞋墊都不能洗滌，盡管電子元件已被封裝，但不能保證濕氣和灰塵影響其精確性。因此，多次使用后應保證鞋墊具有的測量精度和穩定的尺寸，提高鞋墊的耐洗滌性、耐磨性等服用性能。

(4)電池續航能力有待提高。輕便是對可穿戴的基本要求，這也是可穿戴電池續航時間的弊端[34]。傳統符合要求的是鋰電池紐扣電池，隨著可穿戴產品的發展，續航能力難以跟上可穿戴設備的步伐。

3.2 發展趨勢

(1)舒適性更加顯著。在柔性織造物體上進行基板的設計，能夠擁有柔性電路設計，實現良好的緩沖性能和舒適性，朝著更輕便、更舒適的方向轉變，更趨于家用和日常化。

(2)滿足人們的多元需求。人們越來越追求“個性化”和“時尚化”，智能鞋墊的生產將從規模批量個性定制的方向發展，針對部分人群的足部狀況和個人愛好實現量身定制，生產出滿足不同人群特殊需求的產品。

(3)功能更加多元化,實用性更強。從測量足底壓力和運動表現，包括步速、距離、步幅和節奏，到跟蹤健康和評估健康指標，比如卡路里、體重等，智能鞋墊可以為用戶提供個性化的反饋。

(4)無線鞋墊的續航時間更長，電池體積在最小化的前提下，具有較長的使用時間。就傳感器的能量供給而言，目前最可能的解決方案是具有高能量密度的可充電的電化學電池。考慮到生活環境周圍存在大量電磁輻射，因此無線充電有希望成為下一個可靠的能量來源。如今新能源應用也成為理想的能源，太陽能電池和體能發電可再生，且分布廣泛，不污染環境，研究開發可持續和具有能量收集裝置也是智能可穿戴的一個發展趨勢。