用于实时检测脚步触地和能量生成的压电复合薄膜

《Sensors and Actuators A: Physical》：Piezoelectric composite films for real-time foot strike detection and energy generation

能量收集技术集成于跑鞋可将足部冲击力转化为电能，实时监测足部冲击模式以提升跑步效率和降低损伤风险。通过XRD分析确定KNNS-BNZ-xBF陶瓷与PDMS复合薄膜的最佳组成（xBF=0.006 mol%），其电性能随陶瓷负载量增加而优化，成功检测三种足部冲击模式。

　　本研究聚焦于将能量收集技术应用于跑步鞋中，旨在通过机械能转化为电能，实现对跑步者足部撞击模式的实时监测。这一技术不仅有助于提升跑步效率，还能有效降低运动损伤的风险，同时摆脱对传统外部电源的依赖。研究团队采用了一种新型的复合薄膜材料，该材料结合了无铅压电陶瓷（KNNS-BNZ-xBF）与聚二甲基硅氧烷（PDMS），以提高能量收集效率并确保对足部撞击模式的准确识别。通过对不同x(BF)含量的陶瓷材料进行系统研究，团队发现特定的材料配比能够显著优化其电学性能，进而提升复合薄膜的整体表现。

跑步作为一种广受欢迎的运动方式，其背后涉及复杂的生物力学过程。尽管跑步看似简单，但实际上对身体的协调性、关节活动和肌肉发力有着较高的要求。随着跑步人群的增加，运动损伤的发生率也随之上升，尤其是在初学者中，由于跑步姿势不当或缺乏正确的训练方法，常见的损伤包括胫骨内侧应力综合征、跟腱炎、足底筋膜炎和髌骨腱炎等。这些损伤不仅影响运动员的训练和比赛表现，还可能导致长期的健康问题。因此，对跑步过程中足部撞击模式的监测和分析变得尤为重要。通过实时反馈，跑步者可以及时调整自己的步态，从而减少损伤风险并提高运动效率。

在这一背景下，将能量收集技术整合到跑步鞋中成为一种创新解决方案。这种技术能够利用跑步时足部与地面的撞击所产生的机械能，将其转化为可利用的电能，从而为嵌入式传感器提供持续的电力支持。这种自供电系统不仅可以减少对电池等外部电源的依赖，还能在长时间使用中保持稳定的性能。此外，这种技术还能提供实时的足部撞击数据，帮助跑步者了解自己的运动模式，进而进行针对性的调整。

研究团队选择的无铅压电陶瓷材料（KNNS-BNZ-xBF）具有独特的结构特性，使其在能量收集方面表现出色。该材料的晶体结构由多种相态组成，包括菱面体、四方体和正交体。通过调整x(BF)的含量，研究人员能够调控这些相态的共存区域，从而优化其压电性能。在x(BF)为0.006 mol.%时，材料的电学性能达到最佳状态，这表明该材料在能量收集和信号转换方面具有较高的效率。此外，通过X射线衍射（XRD）分析，研究人员还发现随着x(BF)含量的增加，材料的晶粒尺寸逐渐减小，这一现象可能与材料的微结构变化有关，进一步影响其电学性能。

为了提升复合薄膜的灵活性和耐用性，研究团队选择了PDMS作为基材。PDMS是一种具有优异弹性和机械强度的高分子材料，能够有效吸收跑步过程中产生的冲击力。同时，PDMS还具备良好的热稳定性和化学稳定性，使其在长期使用中不易发生性能退化。通过将无铅压电陶瓷与PDMS结合，研究团队成功制备了一种兼具高能量收集效率和良好柔韧性的复合材料，能够适应不同的足部撞击模式，包括后跟撞击、中足撞击和前足撞击。

实验结果显示，随着陶瓷材料的负载量增加，复合薄膜的电输出也随之提升。在陶瓷负载量达到18 wt%时，材料的开路电压（V_OC）和短路电流（I_SC）均达到最大值，这表明该复合薄膜在能量收集方面具有较高的效率。这一发现为未来的自供电跑步鞋提供了重要的理论依据和技术支持。此外，通过实际测试，研究人员发现该复合薄膜能够准确识别不同的足部撞击模式，为跑步者提供实时反馈，帮助其优化跑步姿势和减少损伤风险。

在实际应用中，这种自供电的复合薄膜不仅可以用于跑步鞋，还可能拓展到其他运动装备和健康监测设备中。例如，该技术可以应用于智能运动鞋、可穿戴健康监测器以及运动康复设备等，为运动员和健身爱好者提供更加智能化和个性化的训练支持。此外，该技术的环保特性也使其在可持续发展领域具有广阔的前景。通过减少对外部电源的依赖，这种技术有助于降低电子设备的能耗，提高其使用效率，同时减少对环境的污染。

研究团队还探讨了该复合薄膜在不同应用场景下的潜在价值。在运动训练中，实时监测足部撞击模式可以帮助运动员调整步态，提高运动表现并减少受伤的可能性。在医疗健康领域，这种技术可以用于监测慢性运动损伤患者的康复情况，提供数据支持以制定个性化的康复方案。在智能穿戴设备方面，该复合薄膜能够为各种传感器提供稳定的电力来源，使其在长时间使用中保持良好的性能。

为了确保该技术的可行性，研究团队对材料的制备工艺进行了详细优化。通过固相反应法，研究人员成功合成了具有优异压电性能的KNNS-BNZ-xBF陶瓷材料。随后，通过与PDMS的复合处理，进一步提升了材料的柔韧性和耐用性。这一制备过程不仅保证了材料的性能，还为后续的大规模生产和实际应用提供了可能。

此外，研究团队还关注了材料在实际使用中的稳定性问题。由于跑步过程中足部会经历频繁的冲击和压力，因此材料必须具备良好的机械强度和耐久性。通过实验验证，KNNS-BNZ-xBF/PDMS复合薄膜在重复使用中表现出良好的性能稳定性，能够持续提供可靠的电能输出。这一特性使其在实际应用中具有较高的可行性。

在实际应用中，这种自供电的复合薄膜可以嵌入到跑步鞋的鞋底部分，通过足部撞击产生的机械能驱动内置的传感器。这些传感器可以实时监测足部撞击模式，并将数据传输到移动设备或云端平台，供跑步者进行分析和调整。通过这种方式，跑步者可以在训练过程中获得即时反馈，从而优化自己的跑步姿势，提高运动效率并降低受伤风险。

该研究的成果为未来的智能运动装备开发提供了新的思路。通过将能量收集技术与运动监测技术相结合，研究团队成功打造了一种自供电的智能鞋底系统。这种系统不仅能够提供实时的足部撞击数据，还能通过能量收集功能为其他电子设备提供电力支持。这一创新技术的应用，有望推动运动科学和健康监测领域的进一步发展。

研究团队在实验过程中还发现，不同x(BF)含量的陶瓷材料在电学性能上存在显著差异。通过系统分析，他们确定了在x(BF)为0.006 mol.%时，材料的电学性能达到最佳状态。这一发现不仅为材料的优化提供了理论依据，还为后续的材料开发和应用奠定了基础。此外，实验还表明，随着陶瓷材料的负载量增加，复合薄膜的电输出能力也随之提升，这进一步验证了材料选择和配比的重要性。

为了确保材料的性能稳定性，研究团队对复合薄膜进行了长期测试。测试结果显示，该材料在重复使用过程中能够保持良好的电输出能力，说明其具有较高的耐久性和可靠性。这一特性使其在实际应用中能够持续提供稳定的电力支持，为各种传感器和电子设备提供可靠的动力来源。

在实际应用中，这种自供电的复合薄膜不仅能够用于跑步鞋，还可能拓展到其他运动装备和健康监测设备中。例如，该技术可以应用于智能运动鞋、可穿戴健康监测器以及运动康复设备等，为运动员和健身爱好者提供更加智能化和个性化的训练支持。此外，该技术的环保特性也使其在可持续发展领域具有广阔的前景。通过减少对外部电源的依赖，这种技术有助于降低电子设备的能耗，提高其使用效率，同时减少对环境的污染。

研究团队还探讨了该复合薄膜在不同应用场景下的潜在价值。在运动训练中，实时监测足部撞击模式可以帮助运动员调整步态，提高运动表现并减少受伤的可能性。在医疗健康领域，这种技术可以用于监测慢性运动损伤患者的康复情况，提供数据支持以制定个性化的康复方案。在智能穿戴设备方面，该复合薄膜能够为各种传感器提供稳定的电力来源，使其在长时间使用中保持良好的性能。

总的来说，本研究通过开发一种结合无铅压电陶瓷与PDMS的复合薄膜材料，成功实现了对跑步过程中足部撞击模式的实时监测，并展示了其在能量收集方面的高效性。这一技术的应用不仅能够提升跑步效率，还能有效降低运动损伤的风险，同时减少对外部电源的依赖。未来，随着材料科学和电子技术的不断发展，这种自供电的智能鞋底系统有望在运动科学、健康监测和智能穿戴设备等领域发挥更大的作用。