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一次不經(jīng)意的“崴腳”，一次走路時(shí)的輕微“拖曳”，或許不僅是疲勞的信號(hào)，還有可能是足弓塌陷、神經(jīng)肌肉病變甚至帕金森病的早期征兆。步態(tài)，這一被稱為“健康窗口”的行為特征，長期因難以被精準(zhǔn)、連續(xù)、無感地捕捉，而讓無數(shù)潛在患者錯(cuò)過了最佳干預(yù)時(shí)機(jī)。

如今，這一困境有望被一雙看似普通的鞋墊打破。近日，西安電子科技大學(xué)集成電路學(xué)部郝躍院士團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)出一款能量自主、AI增強(qiáng)的仿生鞋墊。這款設(shè)備不僅能感知“羽毛輕落”的微壓，還能承受“全力起跳”的沖擊，在無需外接電源的情況下，對12種病理步態(tài)的綜合識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)97.6%。

讓傳感器既“敏銳”又“皮實(shí)”

“在門診中，患者因?yàn)樽呗贰悬c(diǎn)不對勁’來就診，但影像學(xué)檢查和常規(guī)步態(tài)評估卻顯示‘正常’。等到癥狀明確時(shí)，往往已錯(cuò)過最佳的康復(fù)干預(yù)期。”該校信息交叉學(xué)部準(zhǔn)聘副教授李迎春道出臨床痛點(diǎn)。

傳統(tǒng)可穿戴設(shè)備在步態(tài)分析領(lǐng)域長期受制于“三座大山”：傳感器靈敏度與量程難以兩全、電池續(xù)航能力不足、海量數(shù)據(jù)缺乏有效分析手段。特別是傳感器，既要能捕捉足底細(xì)微的壓力變化（如足弓輕微塌陷），又要能承受跑步跳躍時(shí)的巨大沖擊，這一矛盾長期無解。

研究團(tuán)隊(duì)從大自然中找到了靈感?！绑氩妒硶r(shí)，腿部既要感知獵物的微弱動(dòng)靜，又要承受自身快速移動(dòng)的強(qiáng)大沖擊。這種分級(jí)機(jī)械傳感結(jié)構(gòu)給了我們重要啟發(fā)?！蔽靼搽娮涌萍即髮W(xué)集成電路學(xué)部教授常晶晶說。

受此啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出雙微結(jié)構(gòu)電容傳感器，實(shí)現(xiàn)了高靈敏與寬量程的統(tǒng)一。其檢測下限低至0.10帕斯卡——相當(dāng)于羽毛輕觸腳底的力度；最大量程高達(dá)1.4兆帕，足以承受劇烈運(yùn)動(dòng)時(shí)的瞬間強(qiáng)沖擊。即便經(jīng)過12000次循環(huán)加載測試，傳感器性能依然穩(wěn)定。

“這相當(dāng)于為醫(yī)生配備了一位24小時(shí)不知疲倦的‘觸覺專家’。”西安電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院副教授李向?qū)幷f，“無論是靜態(tài)站立時(shí)的微弱壓力波動(dòng)，還是奔跑跳躍時(shí)的爆發(fā)性沖擊，它都能精準(zhǔn)捕捉，不漏掉任何可能預(yù)示疾病的細(xì)節(jié)?！?/p>

一雙鞋墊成為“健康哨兵”

攻克了傳感硬件的難題，另一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題擺在眼前：如何擺脫頻繁充電的束縛，實(shí)現(xiàn)真正的“無感監(jiān)測”？

“很多患者一開始愿意配合監(jiān)測，但聽說要每天給鞋墊充電，或者要背著外接電源，依從性就大打折扣?！背＞Ь寡?。為此，團(tuán)隊(duì)將納米鈣鈦礦太陽能電池與高容量鋰硫電池整合進(jìn)鞋墊。其平均光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)11.21%，儲(chǔ)能效率達(dá)72.15%。

這意味著，在戶外或有光環(huán)境下，鞋墊可通過太陽能“自充電”；無光條件下，內(nèi)置電池可保證8小時(shí)以上連續(xù)供電?！澳芰孔灾鳌蹦Ｊ酱蚱屏丝纱┐髟O(shè)備“一天一充”的局限，為長期連續(xù)監(jiān)測提供了可能。

硬件采集的足底壓力數(shù)據(jù)只是原始信息，真正的價(jià)值在于解讀。鞋墊通過16通道無線模塊實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，嵌入的人工智能算法則扮演了“解碼者”的角色。經(jīng)過訓(xùn)練，系統(tǒng)對足弓異常的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)96%，對12種病理步態(tài)的綜合分類準(zhǔn)確率達(dá)97.6%，涵蓋帕金森病慌張步態(tài)、腦卒中偏癱步態(tài)等。

“以往醫(yī)生在診室觀察患者走幾步，容易受時(shí)間短、患者緊張等因素影響。”李迎春分析道，“現(xiàn)在，系統(tǒng)可在患者居家、上班、散步的真實(shí)場景中連續(xù)監(jiān)測，捕捉到的步態(tài)特征更真實(shí)、更全面?！?/p>

目前，這套閉環(huán)可穿戴監(jiān)測平臺(tái)已完成臨床驗(yàn)證，其采集的數(shù)據(jù)與臨床評估具有良好一致性。在產(chǎn)業(yè)化路徑上，當(dāng)前最大的瓶頸在于封裝耐用性。團(tuán)隊(duì)初期計(jì)劃從消費(fèi)電子切入，“預(yù)計(jì)一年內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，并不斷進(jìn)階?！崩钣簩萍既請?bào)記者說，相比之下，醫(yī)療器械的申請流程復(fù)雜，周期較長。