中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與納米系統(tǒng)研究所王中林院士張弛研究員團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一款集成聚氨酯基柔性光學(xué)應(yīng)變（PFOS）元件與接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)（CS-TENG）的無(wú)線穿戴式雙模傳感器（WDMS）。該傳感器實(shí)現(xiàn)了下肢肌肉信號(hào)與足底壓力的雙模感知，同時(shí)通過(guò)CS-TENG收集生物力學(xué)能量自供能，結(jié)合嵌入式CNN-LSTM模型完成帕金森?。≒D）和中風(fēng)的高精度識(shí)別與康復(fù)效果量化評(píng)估，為神經(jīng)疾病的居家管理和智能診斷提供了全新的技術(shù)方案。

一、研究背景

帕金森病、中風(fēng)等神經(jīng)退行性疾病常導(dǎo)致下肢運(yùn)動(dòng)功能障礙，表現(xiàn)為步態(tài)拖沓、步長(zhǎng)不對(duì)稱、關(guān)節(jié)活動(dòng)能力下降等特征，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)下肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)和肌肉動(dòng)力學(xué)是實(shí)現(xiàn)疾病早期診斷、病情追蹤和康復(fù)效果評(píng)估的關(guān)鍵。但現(xiàn)有監(jiān)測(cè)技術(shù)存在諸多局限：光學(xué)運(yùn)動(dòng)捕捉系統(tǒng)、儀器化走道等設(shè)備成本高、體積大，僅能在實(shí)驗(yàn)室使用，無(wú)法實(shí)現(xiàn)日常連續(xù)監(jiān)測(cè)?；趹T性測(cè)量單元（IMU）、壓阻/電容式壓力鞋墊、表面肌電（sEMG）的設(shè)備存在形態(tài)僵硬/笨重、依賴有線或頻繁充電、易受運(yùn)動(dòng)偽影和電磁干擾影響的問(wèn)題。壓電、電容、電阻型柔性傳感器受小型化限制，存在絕緣不足導(dǎo)致的漏電流、易受電磁干擾等缺陷；石英光纖傳感器雖電氣安全、抗干擾，但拉伸性差（應(yīng)變極限<1%），無(wú)法適配關(guān)節(jié)大變形。

現(xiàn)有TENG基智能鞋襪多僅監(jiān)測(cè)單點(diǎn)位足底信號(hào)，依賴外部供電的多通道采集和無(wú)線傳輸設(shè)備，無(wú)法捕捉多部位肌肉動(dòng)力學(xué)，也極少針對(duì)神經(jīng)疾病人群開(kāi)展研究。現(xiàn)有傳感系統(tǒng)多為單模態(tài)感知，僅能捕捉步態(tài)動(dòng)力學(xué)的碎片化信息；缺乏自供能能力，依賴外部電源；無(wú)嵌入式診斷智能，僅能被動(dòng)記錄數(shù)據(jù)，難以實(shí)現(xiàn)疾病智能識(shí)別和康復(fù)量化，制約了神經(jīng)疾病居家監(jiān)測(cè)和精準(zhǔn)康復(fù)的發(fā)展。

二、研究亮點(diǎn)

1. 集成3個(gè)PFOS元件和1個(gè)CS-TENG，PFOS監(jiān)測(cè)下肢關(guān)鍵肌肉應(yīng)變信號(hào)，CS-TENG同步實(shí)現(xiàn)足底壓力傳感和生物力學(xué)能量收集，徹底擺脫外部電源依賴，同時(shí)實(shí)現(xiàn)**肌肉應(yīng)變+足底壓力**的雙模步態(tài)數(shù)據(jù)采集，豐富步態(tài)特征維度。

2. PFOS元件基于聚氨酯（PU）光纖制備，拉伸應(yīng)變>900%，工作應(yīng)變范圍0~100%，靈敏度達(dá)12.25 mV/%，線性度R2=0.96，滯后誤差僅4.62%，可耐受20000次循環(huán)拉伸，且具備0~55℃溫度適應(yīng)性、防水性和抗沖擊性，能精準(zhǔn)捕捉細(xì)微肌肉應(yīng)變和關(guān)節(jié)大變形。

3. 傳感器集成于鞋具和下肢肌肉部位，搭配小型化解調(diào)電路板和藍(lán)牙無(wú)線傳輸，實(shí)現(xiàn)步態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、無(wú)線傳輸和移動(dòng)端可視化，佩戴舒適且不影響日?；顒?dòng)，適配居家和戶外場(chǎng)景。

4. 基于60名受試者的步態(tài)數(shù)據(jù)訓(xùn)練的CNN-LSTM模型，雙模傳感數(shù)據(jù)識(shí)別帕金森病和中風(fēng)的準(zhǔn)確率達(dá)94.23%，遠(yuǎn)超單模態(tài)傳感（CS-TENG僅40.38%，PFOS僅88.46%）；同時(shí)可定量評(píng)估藥物治療和物理康復(fù)的效果，提供客觀的康復(fù)生物標(biāo)志物。

三、研究?jī)?nèi)容

研究圍繞WDMS的設(shè)計(jì)、制備、性能表征、人體多部位監(jiān)測(cè)及AI輔助神經(jīng)疾病診斷與康復(fù)評(píng)估展開(kāi)，核心內(nèi)容分為六大模塊：

（一）WDMS的整體設(shè)計(jì)與工作原理

圖1：WDMS的功能與設(shè)計(jì)

a：WDMS的自供能雙模傳感原理，PFOS將肌肉應(yīng)變轉(zhuǎn)化為光學(xué)信號(hào)，CS-TENG集成足底壓力傳感和能量收集，通過(guò)解調(diào)電路板實(shí)現(xiàn)模式切換和無(wú)線傳輸；

b：AI輔助遠(yuǎn)程步態(tài)識(shí)別流程，雙模數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸至終端，經(jīng)CNN-LSTM模型處理實(shí)現(xiàn)帕金森病和中風(fēng)的診斷；

c：康復(fù)場(chǎng)景的監(jiān)測(cè)與評(píng)估，對(duì)比藥物治療和物理康復(fù)前后的步態(tài)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)康復(fù)效果的定量分析。

WDMS由3個(gè)PFOS應(yīng)變傳感元件、1個(gè)CS-TENG（壓力傳感+能量收集）、小型化可切換模式解調(diào)電路板和AI分析模塊組成，整體集成于鞋具和下肢關(guān)鍵肌肉部位（腓腸肌、股內(nèi)側(cè)肌、股二頭肌）：

1. PFOS：貼附于下肢肌肉，基于比爾-朗伯定律將肌肉拉伸應(yīng)變轉(zhuǎn)化為光學(xué)衰減信號(hào)，實(shí)現(xiàn)肌肉動(dòng)力學(xué)監(jiān)測(cè)；

2. CS-TENG：嵌入柔性PU鞋墊，行走時(shí)通過(guò)接觸分離效應(yīng)產(chǎn)生電信號(hào)，充電模式下將生物力學(xué)能量轉(zhuǎn)化為電能為鋰電池充電，傳感模式下捕捉足底壓力和步態(tài)步數(shù)信號(hào)；

3. 解調(diào)電路板：支持充電/傳感模式的物理/遠(yuǎn)程（移動(dòng)端APP）切換，完成光學(xué)信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換、電信號(hào)的采集和藍(lán)牙無(wú)線傳輸；

4. AI分析模塊：基于CNN-LSTM模型對(duì)雙模步態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取和分類(lèi)，實(shí)現(xiàn)神經(jīng)疾病識(shí)別和康復(fù)效果量化。

（二）WDMS的制備工藝

圖2：WDMS的制備過(guò)程

a：PFOS元件的制備流程，包括PU光纖的混合、脫泡、熱固化，以及塑料光纖的組裝和包層的涂覆；

b：PU光纖的柔性和拉伸性驗(yàn)證，可打結(jié)、拉伸至300%應(yīng)變而不失效；

c：PFOS元件的實(shí)物圖和通光狀態(tài)，驗(yàn)證良好的導(dǎo)光性能；

d：CS-TENG的傳感原理，接觸分離時(shí)的摩擦起電和靜電感應(yīng)產(chǎn)生電信號(hào)；

e：可切換模式電路板的功能示意圖，支持充電/傳感雙模，實(shí)現(xiàn)能量收集、信號(hào)采集和藍(lán)牙傳輸；

f：步態(tài)采集鞋的整體示意圖，CS-TENG嵌入鞋墊，電路板和電池固定于鞋幫，PFOS連接至下肢肌肉。

1. PFOS元件制備：將Clear Flex 30的A、B組分1:1混合脫泡，注入聚四氟乙烯（PTFE）管熱固化（60℃，5h）得到PU光纖；將塑料光纖（POF）軸向?qū)R插入PU光纖兩端，熱固化形成核結(jié)構(gòu)；再將Dragon Skin 20涂覆于核結(jié)構(gòu)表面作為包層，形成“POF-PU光纖-POF”的三層PFOS元件，核-包層的折射率差（PU核心n=1.48822，包層n≈1.41）滿足全反射條件，保證導(dǎo)光性。

2. CS-TENG制備：在亞克力基板上貼合銅箔電極，覆蓋聚四氟乙烯（PTFE）摩擦層，最后用Kapton膜封裝，通過(guò)接觸分離時(shí)的摩擦起電和靜電感應(yīng)實(shí)現(xiàn)能量收集和壓力傳感。

3. 系統(tǒng)集成：將CS-TENG封裝于PU鞋墊，解調(diào)電路板和鋰電池固定于鞋幫；PFOS元件通過(guò)軟固定貼附于下肢肌肉，與電路板通過(guò)塑料光纖連接，形成統(tǒng)一的穿戴式傳感系統(tǒng)。

（三）WDMS的性能表征

圖3：PFOS元件和CS-TENG的性能表征

a：PFOS元件的靜態(tài)校準(zhǔn)曲線，0~100%應(yīng)變下線性度良好，靈敏度12.25 mV/%；

b：PFOS元件對(duì)不同應(yīng)變幅度的響應(yīng)，信號(hào)與應(yīng)變變化高度同步；

c：PFOS元件在50%應(yīng)變下不同持荷時(shí)間的信號(hào)穩(wěn)定性，無(wú)明顯漂移；

d：PFOS元件的抗沖擊測(cè)試，沖擊后信號(hào)保持正常；

e：PFOS元件20000次循環(huán)拉伸的疲勞穩(wěn)定性，信號(hào)無(wú)明顯畸變；

f：CS-TENG在不同接觸力下的電壓/電流輸出，隨接觸力增大單調(diào)提升；

g-h：CS-TENG在不同工作頻率下的電壓/電流輸出，電流隨頻率提升顯著，電壓保持穩(wěn)定。

1. PFOS元件的性能：2.0mm直徑PU光纖拉伸應(yīng)變>900%，工作應(yīng)變0~100%，靈敏度12.25 mV/%，線性度R2=0.96，滯后誤差4.62%；響應(yīng)速度快，在50%應(yīng)變下不同持荷時(shí)間信號(hào)穩(wěn)定，抗沖擊、防水，0~55℃溫度范圍內(nèi)信號(hào)僅輕微波動(dòng)。20%應(yīng)變下經(jīng)20000次循環(huán)拉伸，光學(xué)信號(hào)無(wú)明顯畸變；LED連續(xù)照射21天，基線波動(dòng)僅1.6%，光氧化老化影響極??；干-濕循環(huán)、模擬汗液浸泡、皮膚接觸8h后信號(hào)均保持穩(wěn)定。

 2. CS-TENG的性能：1Hz頻率下，接觸力從1N增至40N時(shí)，短路電流從2.1μA增至35μA，開(kāi)路電壓從500V增至1150V；1N接觸力下，頻率從1Hz增至5Hz，短路電流提升3.7倍，開(kāi)路電壓保持穩(wěn)定，最大輸出功率0.25W（1MΩ負(fù)載）。搭配電源管理電路后，10μF電容15s內(nèi)可充電至3.3V系統(tǒng)工作電壓；25mAh鋰電池經(jīng)4h行走充電，電壓從3.165V升至3.28V，儲(chǔ)存能量95.7mWh，日常行走的能量收集量可覆蓋系統(tǒng)能耗（10分鐘工作周期凈盈余約280.96mJ）。3Hz頻率下連續(xù)工作1h輸出信號(hào)穩(wěn)定；30%~75%濕度下，開(kāi)路電壓和短路電流僅輕微下降，環(huán)境適應(yīng)性良好。

（四）人體多部位的雙模傳感驗(yàn)證

圖4：WDMS的人體多部位監(jiān)測(cè)應(yīng)用

a：CS-TENG與商用小米手環(huán)的步數(shù)統(tǒng)計(jì)對(duì)比，信號(hào)高度吻合；

b：9組對(duì)比測(cè)試的結(jié)果，CS-TENG步數(shù)統(tǒng)計(jì)最大相對(duì)誤差僅5.49%；

c：25mAh鋰電池的充電性能，4h充電電壓從3.165V升至3.28V；

d：WDMS的供電恢復(fù)示意圖，電量耗盡后可通過(guò)行走充電或直流充電快速恢復(fù)；

e：PFOS元件結(jié)合移動(dòng)端APP的下肢肌肉監(jiān)測(cè)示意圖，實(shí)現(xiàn)信號(hào)實(shí)時(shí)可視化；

f-k：健康受試者（f-h）和神經(jīng)疾病患者（i-k）的下肢肌肉應(yīng)變信號(hào)，患者信號(hào)呈現(xiàn)明顯的病理異常，與健康人群形成顯著差異。

1. 足底壓力與步數(shù)監(jiān)測(cè)：CS-TENG的步數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與商用小米手環(huán)對(duì)比，最大相對(duì)誤差僅5.49%，精準(zhǔn)捕捉步態(tài)步數(shù)和足底壓力動(dòng)態(tài)。

2. 下肢肌肉應(yīng)變監(jiān)測(cè)：PFOS元件可精準(zhǔn)捕捉健康受試者腓腸?。谀_）、股內(nèi)側(cè)?。ㄌ龋⒐啥^?。ㄔ靥げ剑┑募∪鈶?yīng)變信號(hào)，信號(hào)與運(yùn)動(dòng)動(dòng)作高度同步；同時(shí)可區(qū)分神經(jīng)疾病患者與健康受試者的肌肉應(yīng)變特征，捕捉病理步態(tài)的異常信號(hào)。

3. 多部位拓展監(jiān)測(cè)：PFOS元件可貼附于手指、手腕、肘關(guān)節(jié)捕捉上肢關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，貼附于咬肌、喉嚨捕捉面部/喉部微運(yùn)動(dòng)，貼附于腰部捕捉呼吸引起的腹部伸縮，實(shí)現(xiàn)全身多部位的微應(yīng)變/大變形監(jiān)測(cè)，具備廣泛的運(yùn)動(dòng)感知能力。

（五）AI輔助神經(jīng)疾病識(shí)別的模型構(gòu)建與驗(yàn)證

圖5：CNN-LSTM輔助的神經(jīng)疾病識(shí)別與康復(fù)評(píng)估

a：CNN-LSTM模型的步態(tài)信號(hào)識(shí)別流程，數(shù)據(jù)采集→預(yù)處理→特征提取→分類(lèi)→疾病診斷；

b：神經(jīng)疾病的典型病理步態(tài)波形，包括拖沓步態(tài)、環(huán)行步態(tài)、步態(tài)凍結(jié)，與正常步態(tài)差異顯著；

c：健康人群、左偏癱、右偏癱、帕金森病患者的步態(tài)信號(hào)均方根（RMS）對(duì)比，患者RMS值顯著更低，運(yùn)動(dòng)功能受損特征明顯；

d：?jiǎn)蜟S-TENG、單PFOS、雙模傳感的疾病識(shí)別準(zhǔn)確率對(duì)比，雙模傳感準(zhǔn)確率達(dá)94.23%，遠(yuǎn)高于單模態(tài)；

e：6個(gè)受試者群體（健康、左偏癱、右偏癱、帕金森病三亞型）的t-SNE特征可視化，各群體在特征空間中聚類(lèi)明顯；

f：雙模傳感的混淆矩陣，各群體分類(lèi)準(zhǔn)確率高，模型魯棒性良好；

g：藥物治療前后的步態(tài)信號(hào)對(duì)比，康復(fù)后步頻、穩(wěn)定性、幅度均顯著改善；

h：物理輔助康復(fù)前后的步態(tài)信號(hào)對(duì)比，康復(fù)后步態(tài)對(duì)稱性提升，信號(hào)更穩(wěn)定。

1. 數(shù)據(jù)集構(gòu)建：采集60名受試者的雙模步態(tài)數(shù)據(jù)，包括15名健康對(duì)照、30名中風(fēng)患者（左/右偏癱各15名）、15名帕金森病患者，涵蓋**1路足底壓力信號(hào)（CS-TENG）+3路下肢肌肉應(yīng)變信號(hào)（PFOS）**的四通道同步數(shù)據(jù)。

2. 數(shù)據(jù)預(yù)處理：對(duì)PFOS信號(hào)進(jìn)行基線校正和高通濾波，對(duì)所有通道進(jìn)行中位數(shù)和四分位距歸一化；將連續(xù)數(shù)據(jù)分割為300步的固定窗口作為模型輸入，采用受試者分組交叉驗(yàn)證（80%訓(xùn)練/20%測(cè)試）避免信息泄露，通過(guò)數(shù)據(jù)增強(qiáng)（時(shí)間偏移、高斯噪聲、幅度縮放）降低過(guò)擬合。

3. CNN-LSTM模型設(shè)計(jì)：采用雙分支卷積結(jié)構(gòu)提取足底壓力和肌肉應(yīng)變的空間特征，通過(guò)LSTM層捕捉步態(tài)數(shù)據(jù)的時(shí)間動(dòng)態(tài)特征，最后經(jīng)全連接層和Softmax層實(shí)現(xiàn)分類(lèi)。

4. 模型性能：雙模傳感的疾病識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)94.23%，遠(yuǎn)高于單CS-TENG（40.38%）和單PFOS（88.46%）；t-SNE可視化顯示健康人群、中風(fēng)偏癱人群、帕金森病不同亞型（震顫主導(dǎo)型、強(qiáng)直少動(dòng)型、姿勢(shì)不穩(wěn)步態(tài)困難型）在特征空間中呈明顯聚類(lèi)；混淆矩陣驗(yàn)證了模型的多分類(lèi)魯棒性。

模型可定量評(píng)估帕金森病/中風(fēng)患者的藥物治療和物理輔助康復(fù)效果，康復(fù)后患者步頻從0.8Hz提升至0.9Hz，步間隔變異性從19.63%降至12.51%，步態(tài)對(duì)稱性從0.41提升至0.85，峰值幅度從32.75降至23.28，實(shí)現(xiàn)康復(fù)效果的客觀量化。

將PFOS元件貼附于患者手指，將關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為人機(jī)交互指令，實(shí)現(xiàn)免提視頻播放控制、微型車(chē)輛無(wú)線導(dǎo)航，通過(guò)任務(wù)導(dǎo)向的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)訓(xùn)練提升患者康復(fù)參與度，誘導(dǎo)神經(jīng)可塑性，促進(jìn)運(yùn)動(dòng)功能恢復(fù)。

 四、總結(jié)與展望

本研究成功研發(fā)了一款A(yù)I輔助自供能無(wú)線穿戴式雙模傳感器（WDMS），通過(guò)集成聚氨酯基柔性光學(xué)應(yīng)變（PFOS）元件和接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)（CS-TENG），實(shí)現(xiàn)了“下肢肌肉應(yīng)變+足底壓力”的雙模步態(tài)感知，同時(shí)利用CS-TENG收集行走過(guò)程中的生物力學(xué)能量完成自供能，徹底擺脫外部電源依賴。

該傳感器的PFOS元件具備超高性能（拉伸應(yīng)變>900%、靈敏度12.25 mV/%、20000次循環(huán)耐久性）和良好的環(huán)境適應(yīng)性，可精準(zhǔn)捕捉全身多部位的微運(yùn)動(dòng)和大變形；CS-TENG兼具高輸出性能和穩(wěn)定的能量收集能力，日常行走即可滿足系統(tǒng)能耗?；?0名受試者的雙模步態(tài)數(shù)據(jù)訓(xùn)練的CNN-LSTM模型，實(shí)現(xiàn)了94.23%的帕金森病和中風(fēng)識(shí)別準(zhǔn)確率，同時(shí)可定量評(píng)估藥物治療和物理康復(fù)的效果，提供客觀的康復(fù)生物標(biāo)志物；此外，PFOS元件可拓展為人機(jī)交互接口，提升患者康復(fù)訓(xùn)練的參與度。

該系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)神經(jīng)疾病步態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)單模態(tài)、依賴外部電源、無(wú)智能診斷能力的局限，實(shí)現(xiàn)了“傳感-供能-傳輸-診斷-康復(fù)”的一體化，兼具高穿戴性、高精準(zhǔn)性和高實(shí)用性，為神經(jīng)疾病的居家遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、早期診斷和個(gè)性化康復(fù)提供了全新的技術(shù)平臺(tái)。

文獻(xiàn)鏈接：

https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/advs.202522179