基于人工肌肉e-Rubber的智能鞋垫传感技术：非线性电容特性在健康监测中的精准测量验证

这篇研究验证了Toyoda Gosei公司开发的电活性聚合物（EAP）人工肌肉e-Rubber（eR）作为电容式传感器的性能，通过建立5阶多项式回归方程（R2>0.999）解决了其非线性响应问题。在三种温湿度条件下（23°C/50%RH至40°C/80%RH）测试显示，独立传感器变异系数<1.25%，而嵌入鞋垫后因结构间隙增至<8%。研究证实eR可通过电容变化（ΔC）精准反推50-400N载荷，为骨关节炎（OA）早期步态分析等健康监测提供了高性价比（<$250）解决方案，同时为自感知执行器（self-sensing actuator）开发奠定基础。

　　

1 引言

电活性聚合物（EAP）人工肌肉因其类生物肌肉的形变特性，在机器人控制领域备受关注。Toyoda Gosei公司开发的e-Rubber（eR）采用介电弹性体多层结构，兼具驱动与传感潜能。本研究聚焦其传感性能验证，旨在通过电容变化（ΔC=ε_rε₀A/d）反推外力，解决EAP材料非线性（如介电常数ε_r与电极间距d的复杂关系）带来的测量挑战，为低成本医疗级智能鞋垫开发提供理论支撑。

2 材料与方法

2.1 传感器结构

eR传感器由两层密度差异的聚氨酯泡沫介电层（150kg/m³与240kg/m³）和三组银浆电极构成，总厚1.47mm。梯度模量设计扩展了可测载荷范围，顶部/底部电极接地以屏蔽噪声。

2.2 传感理论

将eR视为平行板电容器，推导出载荷F与ΔC的非线性关系（ΔC≈C₀·F/EA）。实验发现，<20N时呈线性，>20N则需5阶多项式拟合（R²>0.999）。

2.3 测量系统

在恒温恒湿箱（23-40°C，50-80%RH）中，用力规（0-400N）加载并记录ΔC。20万次耐久测试后，信号漂移率5-10%，需定期校准。

3 结果

3.1 独立传感器性能

所有条件下变异系数<1.25%，置信区间<0.25%。40°C/80%RH时，滞后误差10%（介电层1/2的归一化滞后环面积≤0.1）。

3.2 鞋垫嵌入传感器

因结构间隙影响，变异系数升至<8%，但5阶多项式仍保持高精度（RMSE=3.69N）。动态步态模拟（0.6-2s周期）显示峰值间隔差异不显著（p>0.05）。

3.3 回归模型

载荷估算方程Load(N)=a·ΔC⁵+b·ΔC⁴+...+f中，系数a=2.26×10^-3等通过最小二乘法确定，计算效率优于机器学习。

4 讨论

相比商用压阻式鞋垫（如F-Scan），eR电容传感在长期使用中抗滞后特性突出。虽滞后误差10%不及顶尖水平，但通过双层介电设计平衡了灵敏度与动态范围。未来需解决自感知执行器的信号分离难题，并优化鞋垫结构以减少间隙干扰。该技术为OA早期步态异常筛查及糖尿病足干预提供了新思路，其<250美元的定价策略有望推动预防医学普及。

5 局限与展望

温湿度条件覆盖有限，且未实现驱动-传感同步操作。下一步将探索PET薄膜封装以提升稳定性，并扩展至手指运动监测等场景。