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一次不經意的“崴腳”，一次走路時的輕微“拖曳”，或許不僅是疲勞的信號，還有可能是足弓塌陷、神經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、連續(xù)、無感地捕捉，而讓無數(shù)潛在患者錯過了最佳干預時機。

如今，這一困境有望被一雙看似普通的鞋墊打破。近日，西安電子科技大學集成電路學部郝躍院士團隊成功研發(fā)出一款能量自主、AI增強的仿生鞋墊。這款設備不僅能感知“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)的綜合識別準確率高達97.6%。

讓傳感器既“敏銳”又“皮實”

“在門診中，患者因為走路‘有點不對勁’來就診，但影像學檢查和常規(guī)步態(tài)評估卻顯示‘正?！５鹊桨Y狀明確時，往往已錯過最佳的康復干預期?！痹撔Ｐ畔⒔徊鎸W部準聘副教授李迎春道出臨床痛點。

傳統(tǒng)可穿戴設備在步態(tài)分析領域長期受制于“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，既要能捕捉足底細微的壓力變化（如足弓輕微塌陷），又要能承受跑步跳躍時的巨大沖擊，這一矛盾長期無解。

研究團隊從大自然中找到了靈感。“螳螂捕食時，腿部既要感知獵物的微弱動靜，又要承受自身快速移動的強大沖擊。這種分級機械傳感結構給了我們重要啟發(fā)?！蔽靼搽娮涌萍即髮W集成電路學部教授常晶晶說。

受此啟發(fā)，團隊設計出雙微結構電容傳感器，實現(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——相當于羽毛輕觸腳底的力度；最大量程高達1.4兆帕，足以承受劇烈運動時的瞬間強沖擊。即便經過12000次循環(huán)加載測試，傳感器性能依然穩(wěn)定。

“這相當于為醫(yī)生配備了一位24小時不知疲倦的‘觸覺專家’?！蔽靼搽娮涌萍即髮W機電工程學院副教授李向寧說，“無論是靜態(tài)站立時的微弱壓力波動，還是奔跑跳躍時的爆發(fā)性沖擊，它都能精準捕捉，不漏掉任何可能預示疾病的細節(jié)。”

一雙鞋墊成為“健康哨兵”

攻克了傳感硬件的難題，另一個現(xiàn)實問題擺在眼前：如何擺脫頻繁充電的束縛，實現(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，團隊將納米鈣鈦礦太陽能電池與高容量鋰硫電池整合進鞋墊。其平均光電轉換效率達11.21%，儲能效率達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，內置電池可保證8小時以上連續(xù)供電。“能量自主”模式打破了可穿戴設備“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，真正的價值在于解讀。鞋墊通過16通道無線模塊實時傳輸數(shù)據(jù)，嵌入的人工智能算法則扮演了“解碼者”的角色。經過訓練，系統(tǒng)對足弓異常的識別準確率達96%，對12種病理步態(tài)的綜合分類準確率達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，容易受時間短、患者緊張等因素影響?！崩钣悍治龅?，“現(xiàn)在，系統(tǒng)可在患者居家、上班、散步的真實場景中連續(xù)監(jiān)測，捕捉到的步態(tài)特征更真實、更全面?！?/p>

目前，這套閉環(huán)可穿戴監(jiān)測平臺已完成臨床驗證，其采集的數(shù)據(jù)與臨床評估具有良好一致性。在產業(yè)化路徑上，當前最大的瓶頸在于封裝耐用性。團隊初期計劃從消費電子切入，“預計一年內實現(xiàn)產業(yè)化，并不斷進階。”李迎春對科技日報記者說，相比之下，醫(yī)療器械的申請流程復雜，周期較長。