足部活动可以反映人体的许多生理异常，因此运动步态成为健康监测中的重要指标。在物联网飞速发展的今天，拥有一双可以作为健康管家的智能鞋垫是无数有步态问题的患者梦寐以求的事情。如何构建用户友好的智能鞋垫呢？它不仅要求优异的传感性能，实现与患者或监护人实时互动，还要具有弹性、抗菌和长期稳定性等优越性能，为患者提供更加人性化的服务。因此，制备一种高性能柔性压力传感器并集成可穿戴设备至关重要。

近日，西安电子科技大学郝跃院士团队常晶晶教授&李迎春博士在期刊《ACS Applied Materials & Interfaces》上，发表了最新研究成果“Capacitive Pressure Sensor Combining Dual Dielectric Layers with Integrated Composite Electrode for Wearable Healthcare Monitoring”。研究者通过静电纺丝技术和模板法制备了一种集成了双层介电层和多层微结构的柔性电容压力传感器，制作方法简单、经济、稳定、易于批量生产。其中，基于优化的静电纺丝网络和微柱阵列制备双介电层，显著提高了传感器的灵敏度、检测范围、弹性和抗菌性能；采用碳纳米管(CNTs)、二维碳化钛Ti₃C₂T_x (MXene)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)制备一体化柔性电极复合材料，并通过微结构设计提高传感性能，在电导率、稳定性、灵敏度和实用性方面具有协同优势。此外，将所报道的传感器与便携式微型检测仪集成设计了一种智能鞋垫，并将采集到的数据无线传输到手机，为实时监测步态和无创检测疾病提供了前沿的解决方案，为未来可穿戴设备和个性化医疗技术的提供参考。（图1）

图1. 传感器的构建策略、传感机理和应用示意图。

采用有限元分析模拟了传感器微结构在压缩过程中的应力分布和应力变化，发现在压缩过程中，传感机理可分为轻微、中等和大力度三个阶段，分别对应多层结构传感器中不同层的微结构变化。文中设计了力电耦合平台进一步研究电容式压力传感器的传感性能，研究发现该传感器具有低检测限和宽检测范围（1 Pa - 2 MPa）、高灵敏(灵敏度0.091 kPa^–1)、快响应（71 ms响应时间）和高稳定（6000 次稳定循环）的特点。（图2）

图2. 压力传感器的传感性能研究。

所开发的电容式压力传感器具有优异的压力传感特性，可以集成到鞋垫中，用于识别步态和足底压力分布，有助于糖尿病足和中风等疾病的早期诊断和预警。但由于长期穿着没有抗菌活性的鞋垫会促进有害细菌的生长，因此良好的抗菌性能对智能鞋垫也非常重要。还通过在37℃下共培养革兰氏阴性菌大肠杆菌(E. coli)和革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌(S. aureus) 12 h，对TPU和TPU/AgNPs静电纺丝网络的抗菌性能进行了比较研究，发现TPU/AgNPs电纺丝膜具有良好的抗菌活性，为智能鞋垫和其他可穿戴医疗保健产品提供优异的候选材料。（图3）

图3. TPU和TPU/AgNPs静电纺丝网络的抗菌性能。

基于该压力传感器优异的性能，本文还制作了一个4×4的压力传感器阵列，可以检测出不同物体在传感器阵列上的压力分布。还将8个压力传感器与便携式设备集成在一起制成智能鞋垫，并通过蓝牙传输数据信号和提示到手机，可以随时随地进行运动监测和疾病预警。例如，通过步伐的频率变化进行运动计数；通过观察行走过程中足跟、足底和前足压力分布的变化，反映中风患者和糖尿病患者的步态变化；通过对压力位置、频率或幅度的突然异常信号感知，触发跌倒警告，对老人和小孩的监护非常有帮助。（图4）

图4. 4×4传感器阵列上不同物体的压力分布以及由8个传感器组成的智能鞋垫上的足底压力分布。

以上研究成果由西安电子科技大学李欣樾（硕士生）、西北大学刘彦楠副教授、西安电子科技大学丁雅蓉（硕士生）、张苗博士、林珍华教授、郝跃院士、李迎春博士和常晶晶教授共同完成。该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、陕西省自然科学基金、数字医学工程全国重点实验室和中央高校基本科研业务费等项目的资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.4c01042

人物简介：

常晶晶，西安电子科技大学教授，博士生导师，国家级青年人才，西安电子科技大学柔性电子交叉研究中心负责人。近年来主要从事宽禁带氧化物和钙钛矿半导体材料与器件及柔性电子的研究工作等。在Science、Nature Energy、Joule、Research、Applied Physics Reviews、Advanced Materials、JACS、Angew、Advanced Energy Materials、Advanced Science等国际核心期刊上发表SCI论文200余篇，被引用9000余次，研究成果被Science AAAS、Advanced Science News、Materials Views China等学术网站作为研究亮点报道，20余篇文章入选年度热点文章和ESI高被引文章。申请新加坡/美国/中国发明专利80余项，授权专利25项。所做成果获陕西省高等学校自然科学一等奖、海南省自然科学二等奖、陕西省电子学会科学技术奖二等奖、华为火花奖、陕西省自然科学优秀论文奖等。主持参与国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目30余项，包括技术成果转化3项。担任Journal of Materials Science-Materials in Electronics, InfoMat, SmartMat、Ecomat、Nano-Micro Letters、Journal of Energy Chemistry等多个期刊的青年编委和客座编辑，入选2018年福布斯中国教育领域30岁以下精英榜单，2018年科学中国人年度人物电子工程领域提名人等。

李迎春，西安电子科技大学准聘副教授、硕士生导师。具有多学科交叉的教育和研究背景，主要从事柔性传感器开发和可穿戴设备集成用于健康监测的相关研究。现已在ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Agricultural and Food Chemistry和Sensors & Actuators: B. Chemical等高水平期刊上发表学术论文17篇，其中通讯/第一作者9篇；获授权国家发明专利7项；主持国家自然科学基金青年项目、陕西省自然科学基础研究计划青年项目和中央高校基本科研业务费等科研项目4项。相关科研成果被中国聚合物网、X-MOL和智能服装网等多家知名媒体正面报道，并获得多位院士、杰青等同行专家以及Materials Science and Engineering. R. Reports, Materials Today和Advanced Functional Materials等高水平期刊的大篇幅引用和高度评价。