智能體感襪的設計與研究

孫超，徐晉辰，張瑜浩

智能體感襪的設計與研究

孫超，徐晉辰，張瑜浩

（上海市浦東新區上海健康醫學院，上海 201318）

近年來，隨著社會老齡化現象越來越嚴重，兒童走丟失蹤率上升，并且人民對生命體征日常監測的需求日益增長，因此，研發了一款智能體感襪，其直接關系到每個家庭的幸福生活指數。這款智能體感襪主要針對人體生命體征（心率、血壓、呼吸率、肌電等）有檢測和響應功能。針對智能體感襪的研究思路與方法、關鍵技術與實踐難點、研究成果和就業前景做了詳細介紹，分析并探討了研發智能體感襪的主要問題及策略。

體感襪；肌電；社會老齡化；心率

1 緒論

1.1 研究背景

近年來隨著社會發展，老齡化現象越來越嚴重，這意味著老人會占社會群體很大的一部分，所以他們的身體健康、人身安全很需要得到保障，老年人發病率高，多為高血壓、糖尿病、心腦血管等疾病，生活不能自理的人數比例大，而且容易走丟失蹤?；诖耍瑸榱四茏畲笙薅鹊亟档屠先松眢w出現不適時沒能夠及時就醫的風險，研發出了智能體感襪。同時希望所研發出的這個產品能適用于解決老人和小孩可能出現走丟或失蹤的情況，這樣可以減少國家社會和家庭的負擔，而且能促使社會更加穩定和諧，提高每個家庭的幸福生活指數。另外，在目前的形勢下智能紡織品主要對人體生命體征（心率、血壓、呼吸速率、肌電等）或人體周圍環境（體溫、體表濕度、空氣質量等）進行監測、響應，也因此，嬰兒、老人等弱勢群體成為智能監測產品的應用突破點。

1.2 國內外研究相關狀況

國外研發人員通過在襪子中植入多個微型傳感器，然后實時監測每只腳5個關鍵穴位（涌泉穴、水泉穴、然谷穴、復溜穴、大都穴）位置的溫度，幫助糖尿病患者監測足部潰瘍的形成。這是因為炎癥發生會引起糖尿病患者足部部分區域溫度升高，通過對腳底發熱情況上下限度的實時預警，就可以起到潰瘍預警的作用。然而，數據采集仍然是最大的挑戰，各廠家爭相開發極低功耗、韌性、印刷式電子元器件，以加速催生能夠不斷監測使用者健康狀況并能以人體設備動態平衡式方法實時采集人體數據的設備。

在2020年IEDM發表的多篇論文中，就提及了韌性與印刷式元器件技術；所提出的方案中包括高性能的柔性CMOS電路與傳感器、省電多模式生物感測技術，以及RFID與醫療貼片應用之柔性金屬氧化物薄膜晶體管電路。其中一個團隊所發表的題為《可穿戴式汗液生物傳感器》論文特別出色，因為該團隊探討了“以廣泛的汗液生物標記頻譜監測人體”。新開發可穿戴式汗液生物傳感器的問世解決了傳感襪的很大難題。此外，還分享了該系統能進行多工人體量測的信號輸送、處理與無線連接的路徑；最終收集到的信息將會以無線方式傳輸到手機，但這之中沒有開發必備的信號處理芯片，只是在韌性電路板上采用現成的微控制器以及其他元件。另外一款汗液傳感器是由美國加州大學伯克利分校的一個研究小組研發的，可以通過測量汗液中的電解質和各種代謝物以及皮膚表面溫度，來分析用戶當前的身體狀況。從目前官方的介紹資料來看，這款汗液傳感器體積稍顯龐大，需要配合發帶或者腕帶使用。未來，研發團隊計劃將這款設備縮小到正常芯片大小，小到能夠添加到智能手表或者腕帶中。目前采用的現成藍牙低功耗芯片與微控制器，都稍顯“大材小用”，未來應會演變成定制化單芯片，還在不斷完善中。

1.3 主要貢獻與創新

智能體感襪可以通過老人和小孩的腳底，實時記錄他們的心率、血氧飽和度，查看是否超過正常人體水平，襪子裝有尼龍搭扣，將心率血氧儀傳感器貼在腳底，實現實時記錄檢測人體的血壓、心率。如果需要查看，只需要通過手機APP即可讀取所需的數據。如果生命體征超出正常水平，手機APP會馬上發出報警示意信號，并且帶有配合紐扣電池的壓力傳感器，通過人體對襪子產生的壓力改變電阻的大小，傳遞到壓力感應器中，一旦出現走動情況，信號也會傳遞到手機APP中。另外，便攜、方便更換，元器件、傳感器較多，體積較小，需要盡量整合元器件，它所占的空間小。并且，需要將元件固定好，以防損壞。

1.4 研究意義

體感襪能與人的運動行為習慣相互協調；體感襪能實時監測腳部溫度，由于糖尿病患者足部對溫度的敏感度減弱了很多，這就意味著患者以及家人他們根本不可能知道足部潰瘍形成的時間；體感襪的防水抗壓限度需要符合實際生活的要求；利用壓電效應，走路時踩踏產生的能量，甚至機械振動、噪聲產生的能量都可以被采集起來轉化為電能。

2 研究思路與方法

2.1 理論基礎

從元器件方面考慮，要確保體感襪能與人的運動行為習慣能夠相互協調，并且可以及時發出報警信號，而且考慮到遇到意外情況時，防水程度和受壓度的承受上下限，需滿足3種要求的穿戴：穩固穿戴、均衡穿戴、舒適穿戴。此外，需要做好襪子的材料制成和成本預算。在這之中，電阻與電路的搭配連接以及壓力傳感器的敏感度和超低功耗、韌性、印刷元器件的嵌入與無感式接觸，能持續監測使用者健康狀況，并且以非侵入式綠色創新方法即時獲取人體信息的設備，呵護人體腳部以及上肢與下肢的健康。貼合度檢測方面，通過襪子體感貼合度測試來幫助使用者選出合適的尺寸，令智能體感襪與腳部緊密貼合，不僅抗壓防水感應身體各項體征的性能出色，而且更能營造沉浸式無縫貼合的感受。襪子需要緊密貼合人體，所以需要一種極精細的材質。

2.2 研究思路

想讓這款襪子采用半襪半帶的設計，用尼龍搭扣將傳感器輕輕貼在腳底，從而實現監測和具有較高的貼合度。接下來考慮給襪子進行無線快充以及電池與電路的設計。

目前查到的市場資料顯示，微型儲能單元可使用一款超微型電池產品，厚度僅僅為0.18 mm，而且這款微型電池相比于紐扣鋰電池、印刷電池及其他類似體積的薄膜型電池蓄電能力更強，同時，還有許多其他電池所不具備的優點，這款電池內部不含液態或有機聚合物電解質，全部使用固態化學原料。它的包裝極其小巧精致，最小的一款面積僅 26.8 mm×13.9 mm，基本上只有半張郵票的大小，厚度也和郵票差不多，可以毫無壓力緊密地嵌入電路板中?？紤]到人的足部各部分弧度較大，所以使用柔性電路板，它具有配線密度高、質量輕、厚度薄、彎折性好的特點，在柔性電路中，采用了由不銹鋼或者鋁材所制成的剛性元件，它們能夠增加穩定性，為元器件和導線的安裝提供穩固的連接和支撐，并實現壓力的釋放。

因為這是非常精密的裝配設備，所以元器件間的連線會減少，從而提升了可靠性；可以增加接線層，提升設計的彈性與韌性；也可增加電路阻抗，形成高速傳輸電路；可安裝金屬芯層，滿足特殊隔熱等需求。此外，這款電路安裝方便、可靠性高，采用一種黏接劑將剛性元件與柔性電路連接在一起。關于無線充電的底座，想要實現簡約、精致、靈活的硅膠設計，應采用雙線圈設計，并內置散裝裝置，來實現襪子的透氣性與傳感器的和諧平衡。筆者們已經給電路預設了過壓保護、過流保護、溫度保護三重防護措施，可以廣泛兼容，出于對預警提示的考慮，研發出了一款手機APP，通過襪子的傳感器來進行藍牙連接，購買者在使用時，只需查看無線快充底座或者APP，就可以隨時讀取數據以及人體的外置信息。如果生命體征超出預設的安全范圍，底座和APP就會發出噪聲和紅色閃光，提醒看護者。襪子可以通過底座迅速充電，底座離人體的最遠距離為30 m?；诔凸?、柔性、印刷電子元件等，催生了能持續監測使用者健康狀況、以非侵入式方法即時獲取人體信息的設備。

2.3 可行性說明

對襪子的整體性構思為：從電池電路、襪子材質、手機APP與藍牙連接、內置傳感器與人體協調的關系、襪子穿戴舒適感與緊密貼合的平衡，實現對人體體征的監測和預警，而且使用了綠色創新技術，材質環保和對人體無害，實現人體與襪子交互的安全性、緊密性，在保證人體舒適感的前提下，安全健康地監測人體生命狀態。智能襪子從整體結構來講是一款針織襪，但不是用線構成的，而是用軟織物傳感器編織而成。這些傳感器貼合腳部，可精確地記錄身體狀態數據以及感應人體的移動狀況，方便用戶對自己的身體狀態進行評估。這款智能體感襪不同于傳統的可穿戴設備，這是一種新型的傳感器，可對人類的生命體征進行收集，是一種探測更精準、更具備洞察力的觀察手段。

3 關鍵技術與實踐難點

3.1 關鍵技術

3.1.1 針織層及貼膚部分

襪子穿著過程中，不耐磨的天然纖維（棉或竹纖維）首先被磨斷，合成纖維耐磨性好，不易斷裂。被磨斷的天然纖維纏繞在合成纖維上，形成小球，這就是起球現象。如果襪子完全是由合成纖維制成，則不會有纖維斷裂，是不會起球的，但是不吸濕透汗，極易臭腳；襪子如果完全是由天然纖維制成，則不會起球，纖維不會磨斷、起毛，不會出現小球，吸濕透汗好，不臭腳，但沒有彈性、不耐穿，成本高，所以，通常實現不起球的主要方式為使成分配比合理，一般襪子的天然纖維含量在80%以上抗起球性就很好，同時可實現吸濕透汗的功能。

3.1.2 微型電路

考慮到人的足部各部分弧度較大，使用了柔性電路板。柔性電路（FPC）是20世紀70年代美國為發展航天火箭技術而產生的，是以聚脂薄膜或聚酰亞胺為基材制成的一種具有高度可靠性、絕佳曲撓性的印刷電路，通過在可彎曲的輕薄塑料片上嵌入電路設計，在窄小和有限空間中堆嵌大量精密元件，從而形成可彎曲的撓性電路。此種電路可隨意彎曲，折疊質量輕、體積小、散熱性好、安裝方便，沖破了傳統的互聯技術瓶頸。在柔性電路的結構中，組成的材料是絕緣薄膜、導體和黏接劑。

3.1.3 傳感器

關于傳感器筆者們首先想到的是來自斯坦福大學的一種全新的可穿戴傳感器，它可以提高心臟監測的精確度以及實用性。據項目負責人、化學工程教授ZHENAN介紹，這種紙片一樣薄、與郵票一樣大的傳感器是由幾種靈活的有機材料打造而成，使用者只需要把它粘在膠帶上然后貼到手腕上即可測試脈搏。筆者們設想，既然可以像創可貼一樣使用，則也可應用襪子上。考慮到老人和兒童是否下床，采用了電阻應變式傳感器，當使用者的足底壓力超過一定限度，即可觸發警戒。但幾乎是同一時間，出現了另一種傳感器，它來自美國加州大學伯克利分校，JAVEY的團隊所發表的題為《可穿戴式汗液生物傳感器》論文引起了人們的注意，因為該團隊探討了“以廣泛的汗液生物標記頻譜監測人體”。新開發可穿戴式汗液生物傳感器的問世解決了體感襪的相關問題。另外一款汗液傳感器可通過測量汗液中的電解質和各種代謝物以及皮膚表面溫度，來分析用戶當前的身體狀況。

3.1.4 電池

電池方面，最初關注的是微型核電池，這個思路最早是在1999年被提出來的，原理為：當放射性物質衰變時，就能夠釋放出帶電粒子。如果在這其中采取一定的特殊放法，就能夠把帶電粒子馴服歸攏起來，形成電流。依照這個發現和放電原理，發明了大型的核電池，用于工業和航天業。遺憾的是，核電池必須裝有一個收集帶電粒子的固體半導體，但由于輻射的作用，固體半導體很快就會受損，而為了降低受損程度，核電池就必須做得足夠大。正因為核電池變小很難，所以它就很難在小型或微型電子設備上派上用場。但近幾年情況有了轉機，當把核電池內易受損的固體半導體換成不易受損的液體半導體時，不但能完成收集帶電粒子的使命，而且還可以大幅度“瘦身”。按照新思路研發出的圓形核電池直徑1.95 cm，厚1.55 mm，僅僅比1美分硬幣大一點點，但其電力卻是普通化學電池的100萬倍。但后來了解到這種電池目前還在試驗階段，其中所用的同位素氚價格懸殊，所以放棄了該方案。之后考慮了美國賓夕法尼亞州立大學研發出的新型換能器，可以采集人體低頻運動的能量，為智能手機、可穿戴設備、平板電腦等電子設備供電。美國范德堡大學開發的新型超薄能量采集系統，即使受到極低頻率的人體運動所產生的彎曲或按壓，也可以產生少量電力。有了這種換能器，就可以根據壓電反應使體感襪本身保持“自給自足”的狀態。

3.2 實踐難點

實踐難點具體分為以下幾方面：①從硬件考慮，應確保體感襪能與人的運動行為習慣相互協調，能及時發出報警信號。此外，應考慮防水程度和受壓度的最大限度、襪子的材料成本、電阻與電路的連接、壓力傳感器的敏感度；襪子需要及時快速充電的底座。②從適應人體體征方面考慮。體感襪需要能實時監測腳部溫度，由于糖尿病患者足部對溫度的敏感度減弱了很多，這就代表著患者以及家人根本不可能了解足部潰瘍形成的時間。如果一旦這種潰瘍形成并且受到嚴重感染，鑒于糖尿病患者的特殊體質，嚴重的情況下可能隨時需要截肢，否則就會威脅生命安全。體感襪的防水抗壓限度需要符合實際生活的要求，在實際生活中可能會碰到很多未知的情況，比如下雨下雪會積水的天氣，需要考慮到體感襪的防水抗壓能力。需要注意的是，汗液分析并不是新概念，已經有各種汗液生物標記被開發，用以定義人體健康狀況。比如，在運動領域，人們通常會以汗液分析來進行藥物檢測，汗液氯化物檢測已經是囊腫性纖維化的標準診斷程序。有外國專家表示，可穿戴式生物傳感器已經被應用于室內或戶外的人體活動中，分析新陳代謝、電解質與重金屬等廣泛的汗液成分?！昂挂褐械拟c離子與鉀若過量損失，將導致低鈉血癥、低鉀血癥（hypokalemia）、肌肉痙攣或脫水?！逼渌l現還包括，汗液中的乙醇與葡萄糖據說在新陳代謝上與血液中的乙醇與葡萄糖相關，而汗液乳酸（lactate）可以被潛在視為壓力性缺血（pressure ischemia）的敏感性標記。但今日的汗液分析仍是得將檢體收集起來送到實驗室去才能進行。③外部連接設備。走路時踩踏產生的能量，甚至機械振動、噪聲產生的能量都可以被采集起來轉化為電能，這是一種壓電效應（piezoelectric effect），簡單說是指對壓電材料施加壓力，便會使其產生電位差（正壓電效應）；反之施加電壓，則產生機械應力（逆壓電效應）。從能量角度說，在某些材料中，存在機械能與電能的互換現象。壓電材料因機械形變產生電場，也可因電場作用產生機械形變。

4 研究成果和就業前景

4.1 研究最終目標

隨著21世紀科技發展腳步的加快和創新，人們對生活水平要求的提高，科技逐漸步入了人們的生活，提高了生活的質量，傳遞信息、出行、生產等各方面等嘗到了科學技術發展的甜頭，人們逐漸接受科學技術，從而也推動了科學技術的發展。研究成果緊跟著時代的腳步，結合了科學技術和平時的服裝穿著，避免了身上額外負擔的同時，也能夠實時記錄下穿戴者的個人體征?？梢哉f，智能體感襪是應時而生，作為當代的產物來說，首創先河，加快推動了科技的發展，具有劃時代的意義。

智能體感襪項目的目標在于讓人們關注自己身體的健康情況，疲于工作的同時，對自己身體有一個全面認識。通過采用特殊設計，將脈搏血氧儀傳感器貼在襪子的側邊，從而實現檢測功能，通過連接手機APP可以隨時讀取數據。如果生命體征超出安全范圍，APP會發出紅色警告和閃光，出于對老人和嬰兒健康的考慮，這款智能體感襪主要對人體生命體征（心率、血壓、呼吸率、肌電等）有檢測和響應作用，通過人體的腳底實時記錄心率和血氧濃度，防患于未然。

比如，當人們快要中暑或受傷失血過多等導致人體體征下降或產生異常時，該設備可發出紅色警報和閃光，可以及時實施一些自救或提早進行醫學救治，進而避免出現嚴重的情況和造成二次傷害。這項成果對于每一個人可以說都是一個保險，可及時發現問題并盡快處理，身體健康永遠是第一要素。智能體感襪項目著重針對的人群為老人和兒童，對于年輕人來說，抵抗力較強，而對于老人和兒童來說，稍不留神便可能會釀下大錯。在快節奏的社會中，年輕人都忙碌于職場和各自的事業中，對老人和小孩的照顧也是少之又少，缺乏關照，對他們的健康一無所知，這是最致命的。一些新聞中老人因年事已高，找不到回家的路；一些小孩一個人在家沒人看管，釀成慘劇。而這項研究就是針對這些情況，有了智能體感襪的老人和小孩，他們的人體生命體征會如實反映到手機APP上，年輕人在上班時也能通過手機了解家人的情況，可以及時采取措施，找回失蹤的老人和臨近危險的小孩。同 時，對于那些照顧老人的護工人員來說，這項技術也可以為他們提供準確的方向去照顧那些不能自理的老人，進一步為護工人員分擔相應的工作壓力。智能體感襪增強了人們對健康的重視程度，減少了人們肩上的負擔，為社會穩定發展起到了顯著作用。智能體感襪作為一個新科技，其最終目標不單單針對一些小眾家庭，它要走向世界，去面向更多的人，讓社會接受，讓更多人能夠從中得到便利，從而促進社會的和諧發展。

4.2 應用前景

目前該設備的功能還不是很全面，這只是一個開始，仍可以更深入地研究，智能體感襪還有許多可以改進的地方，如可以提升功能性、舒適性、特殊情況反映的及時性等。智能體感襪的前景是不可估計的，智能體感襪的出現重新定義了襪子，在這之前襪子還只是一個簡單的穿著物，科技的發展給他帶來的不只是外觀的變化，帶來的是從內而外的改變，更與人類生活息息相關。智能手機取代了手機，智能體感襪或將成為第二個“智能手機”迅速改變人們的生活。當然，所有東西都具有兩面性，它帶來便利的同時也帶來不少負面影響，一旦將智能體感襪普及于大眾，資源的消耗量會是一個巨大的數字，為了科學技術的發展而向大自然無限索取，導致生態系統結構和功能受到損害，進而危害人類的利益，威脅人類的生存和發展。在這方面筆者們會深入研究，研制出最環保、最舒適的材料來改善其制作，達到符合所有人預期的成果。對于智能體感襪來說，前方的道路依舊是未知的，還有很多地方可以開發，研究更新的技術，融合更多的功能，完善安全措施，是筆者們現階段的首要任務，也是今后長久的作業。

對于這項技術，筆者們會在體感襪之后研制出更多科技作用于其他事物，將體感襪上的技術運用于其他事物，不斷完善、改良，為人們的生活創造更多便利，科學技術的進步已經為人類創造了巨大的物質財富和精神財富。隨著知識經濟時代的到來，科學技術發展永無止境及其無限的創造力，必定還會繼續為人類文明作出更加巨大的貢獻。隨著現代科學技術知識體系的不斷龐大，現代科學技術日益社會化、體系化和復雜化。在世界這個大的市場上，智能體感襪將會占據一個很高的席位，讓大眾都受益，筆者們始終相信這會是一個新的開始，這會是這個時代的領路人。

研究成果在成功之后，會選擇數名志愿者做體驗調查，得到實際數據，查詢日常工作、運動過程中各項指標的變化幅度，根據個人的不同數據累計統計具體的數值范圍，根據數據再進行下一個階段的研究，將數據堆疊統計，結合每個人身體癥狀產生的問題，找出問題的最有效解決方式，第一時間通知給穿戴者。經過重重檢查，完善整個智能體感襪之后再步入世界市場，邁入人們的生活。

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2095－6835（2021）06－0048－04

D61

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2021.06.016

孫超（1999—），男，本科，研究方向為基于人體機制交互的智能體感襪。徐晉辰（2000—），男，本科。張瑜浩（2000—），男，本科。

〔編輯：張思楠〕