步频和步速等步态参数的定量分析对于优化体育锻炼至关重要。然而，目前用于人体运动监测的电子传感器仍然受到电池寿命和精度等因素的限制。

近期，暨南大学杨希娅副教授团队开发了一种基于电纺复合纳米纤维摩擦电纳米发电机（TENG）的自供电步态分析系统（SGAS），用于运动监测和步态分析，以调整运动计划。SGAS由传感模块、充电模块、数据采集和处理模块以及物联网（IoT）平台组成。在传感模块内，两个专门的传感单元TENG-S1和TENG-S2，分别位于前脚掌和后脚跟处，以产生与用户脚步同步的信号。这些信号有助于实时监测步数和步速。通过系统研究和优化电纺复合纳米纤维的组成、强度和耐磨性，两个TENG单元的输出得以显著增强。此外，还采用了电荷放大器电路来处理原始电压信号，从而提高了传感信号的可靠性。在信号传输过程中，微控制器单元（MCU）可进一步读取和计算这些完善的数据。最后，妥善调整的信号被无线传输到物联网平台，用于数据分析、存储和可视化，从而增强对人体运动的监测。

图1.（A）TENG的结构设计：（i）TENG-S1、TENG-S2和TENG-P在鞋中的分布；（ii）TENG的结构示意图。（B）人体足底压力分布。（C）不同厚度的Ecoflex方孔阵列弹性体的有限元模拟。（D）不同弹性体厚度对TENG输出性能的影响。（E）TENG的工作机制示意图。（F）利用COMSOL软件对TENG在一个循环中的电势分布进行数值模拟。

图2.电纺复合纳米纤维的微观结构表征。

图3.（A）PVDF/BTO的Voc输出，BTO含量范围为0-25wt%。（B）PVDF/BTO/CNT复合纳米纤维膜的Voc输出，其中CNT含量范围为0.05-0.25wt%，BTO为15wt%。随着BTO和CNT含量的变化，（C）PVDF/BTO和（D）PVDF/BTO/CNT复合纳米纤维膜电性能的变化趋势。（E）各种PVDF/BTO/CNT复合纳米纤维膜的介电常数（在10kHz下）。（F）PVDF、PVDF/BTO和PVDF/BTO/CNT复合纳米纤维膜的断裂压力。

图4.充电模块TENG-P单元的性能分析。

图5.传感模块TENG-S单元的信号处理和工作分析。

该工作以“Triboelectric gait sensing analysis system for self-powered IoT-based human motion monitoring”为题发表在《InfoMat》（DOI:10.1002/inf2.12520）上。

论文链接：https://doi.org/10.1002/inf2.12520