穿上柔性传感鞋垫能“看穿”疾病预警信号，记者探访西安电子科技大学实验室，揭秘能量自主仿生鞋垫科学原理

既能感知“羽毛轻落”般的微弱压力，也能承受“全力起跳落地”般的剧烈冲击；不用外接电源，走路晒太阳就能自供电；对12种病理步态的综合识别准确率达到97.6%……这不是科幻电影里的装备，而是西安电子科技大学集成电路学部郝跃院士团队研发出的一款能量自主仿生鞋垫，它具有AI增强力学诊断功能。

这款鞋垫通过仿生学设计、自供能技术和人工智能的深度融合，有望为下肢功能障碍性疾病的早期筛查、康复监测和健康管理提供一种全新的无感监测工具。

近日，华商报大风新闻记者来到西安电子科技大学相关实验室，探访了这款鞋垫，并专访了团队中的李迎春老师等。

鞋垫上面分布着一个个小电子元件

在实验室，记者看到，左右两个鞋垫分别装在一双稍宽大舒适的鞋子里，鞋垫上面分布着一个个小电子元件，这些电子元件分别连接着同一个装置，这个装置固定在鞋的侧边。

李迎春老师介绍：“这个仿生鞋垫集智能传感、闭环供电和AI人工智能分析于一体。它不仅能感受比较小的力，也能感受强烈的冲击，而且不会坏，它就是用来接收走路时脚底力量信号的。然后这个信号通过电路传到手机App上，后台会对数据进行分析，最终由专业人员作出诊断。”

接着，李迎春老师进行了演示了，当鞋垫接收到力量时，手机App里，有小圆圈亮了，但颜色不同。“如果使用人是扁平足，所有小圆圈就都是红色。”

据了解，这一科研成果是多个学院交叉合作的成果，涉及材料、电子、AI人工智能、医学等学科领域。

有望成全身健康监测体系重要部分

相当于把下肢健康检测仪缩小成鞋垫

华商报：这款AI仿生鞋垫到底是什么？核心功能是什么？

李迎春：

这款鞋垫是一款智能化的穿戴式设备，外形和普通鞋垫一样，直接塞进鞋里就能穿，是一款能自己供电、自己感知、自己分析健康的黑科技鞋垫。它的核心功能，一是全天候无感监测我们走路、站立时的足部和下肢状态，二是实现自主供电，摆脱插线、充电的麻烦。三是自带AI智能诊断，能精准识别多种异常，相当于把专业的下肢健康检测仪，缩小成了一双能穿在脚上的鞋垫，随时随地守护足部和下肢健康。

华商报：大家都说步态是人体的“健康窗口”，这款鞋垫是怎么通过我们走路、站立，捕捉身体信号的？

李迎春：

我们走路的姿势、脚踩地的力度、脚步的节奏，藏着关节、神经、肌肉甚至大脑的健康信号，很多慢性病、运动损伤、老年病，在出现明显疼痛之前，步态就已经先出现异常了。这款AI仿生鞋垫，就是靠捕捉我们最日常的走路、站立动作，把这些隐藏的健康信号抓出来。鞋垫内部均匀布置了16个柔性电容式压力传感器，分别对应脚后跟、足弓、前脚掌、脚趾等足底关键受力区域，就像在脚底铺了一层细密的“感应网”。当我们静静站立时，传感器会精准记录足底每个位置的受力大小、分布是否均匀、判断足弓是否正常；当我们走路、跑步、上下楼时，传感器会实时捕捉踩地的力度变化、接触时间、脚步对称性，把每一步的细节都完整记录下来，再通过无线传输把数据传给AI模块，相当于给双脚做24小时不间断的动态健康体检。

复刻了螳螂腿的力学结构

小结构管灵敏、大结构管抗造

华商报：这款鞋垫如何实现“能量自主”？

李迎春：

它的能量来自于太阳光，我们将电池板分布于鞋外，不会影响穿鞋的舒适度，它将太阳光吸收转化成电能，直接给鞋垫系统供电，并将多余的能量储存起来，通过发电、储电、用电形成一个完整的闭环系统，解决了传统智能设备“天天充电、忘充就停工”的麻烦。

华商报：鞋垫的设计灵感来源于螳螂腿，小小的螳螂腿给了团队什么样的启发？怎么把仿生原理用到鞋垫上的？

李迎春：

螳螂的腿看起来纤细脆弱，却有着厉害的力学结构：既能感知到昆虫飞过、微风拂过的极微小动静，又能承受捕食、跳跃时的巨大冲击力，还能反复活动数万次都不损坏，灵敏性、抗压性、耐用性完美结合。团队仔细研究了螳螂腿的分层机械感应结构，发现螳螂腿有弹性柔软的躯干部分，还有负责精准感知的微小刺状结构，两者配合实现了“灵敏又抗造”的效果。团队把这个仿生原理完美复刻到鞋垫传感器的设计上，打造出双微结构感应层：一层是掺杂了导电材料的弹性泡沫，模仿螳螂腿的弹性躯干，负责缓冲冲击力、保证耐用性的同时增加传感范围；另一层是微米级别的金字塔结构，模仿螳螂腿的微刺感应部分，负责捕捉微小压力、提升灵敏度，把螳螂腿的自然优势，转化成了鞋垫的核心性能，这也是它能同时实现超高灵敏和超强耐用的关键。

华商报：鞋垫既能感知“羽毛落地”的微弱压力，又能扛住全力起跳的冲击力，这种又灵敏又抗造的性能，团队是怎么攻克实现的？

李迎春：

这是研发团队攻克了无数技术难题才实现的。首先是超高灵敏度，微金字塔结构能捕捉到低至0.10Pa的微小压力，哪怕是脚轻轻接触，都能精准检测到。其次是超强抗压性，柔性泡沫层能承受最高1.4MPa的冲击力，超过了人类跑步、起跳时足底的最大压力，跺脚、剧烈运动都不会损坏。最后是超耐用，经过测试，传感器反复踩踏12000次之后，感应性能没有丝毫衰减，适合足底反复踩踏的应用场景。因此小结构管灵敏、大结构管抗造，两者协同工作，实现了“轻能感微尘、重能抗冲击”的极致性能。

AI完成数据采集、健康诊断

解决了柔性、电子元件兼容问题

华商报：鞋垫里的“AI大脑”是怎么工作的？

李迎春：

“AI大脑”是它的智慧核心，由两个专业模型分工协作。一个是随机森林模型，专门分析静态站立时的足底压力数据，通过判断足弓部位的受力分布，快速区分正常足、扁平足、高足弓三种足型，准确率达到96%；另一个是1D-CNN卷积神经网络模型，专门分析动态走路时的时序压力数据，捕捉脚步的力度、节奏、对称性变化，识别异常步态。AI只需要分析三类最基础的数据：足底哪个位置用力、用力多大、踩地时间多长，就能把复杂的步态信息转化为清晰的健康结论。

华商报：这款鞋垫能精准识别12种病理步态，都对应哪些常见身体问题？普通人能轻松看懂检测结果吗？

李迎春：

这些异常步态都对应着我们生活中最常见的身体问题。比如拖着脚走路、单侧腿瘸行，大多对应中风后遗症、腿部神经损伤、膝关节炎或踝关节损伤；脚外翻、脚内翻走路，则和足弓发育异常、脚踝旧伤、肌肉力量不均有关；还有走路无力、抬脚困难、脚步拖沓等步态，分别对应糖尿病足、下肢肌肉萎缩、腰椎病变等问题。而且检测结果普通人能轻松看懂，配套的手机App会用彩色热力图展示足底压力：红色区域代表压力过大，蓝色区域代表受力不足，一眼就能看出足底受力是否均匀，同时给出直白的文字结论，比如“扁平足，建议佩戴足弓垫”。

华商报：鞋垫研发时怎么解决柔性、舒适度和电子元件兼容的问题？

李迎春：

鞋垫是要天天贴脚穿戴的，舒适度是重中之重，研发团队从材料、结构、工艺三个方面，优化设计解决了柔性、舒适度和电子元件兼容的问题。首先，所有传感材料都选用柔性材质，如泡沫、软胶等摸起来和海绵一样柔软，弯折、挤压都不会变形。其次，16个压力传感器和指甲盖大小差不多，且仅有0.5mm厚，均匀嵌入鞋垫内部，不会凸起、硌脚，保证长时间穿戴舒适贴合。

鞋垫能为四大类核心人群提供精准的健康守护

华商报：这款鞋垫主要针对下肢功能障碍性疾病，具体能帮到哪些人群？

李迎春：

能为四大类核心人群提供精准的健康守护。第一类是慢性病患人群，包括糖尿病足、中风后步态异常、帕金森、膝关节炎、腰椎病患者。第二类是足部畸形人群，比如扁平足、高足弓、脚踝内外翻、拇外翻患者，帮助精准判断畸形程度。第三类是术后康复人群，腿部骨折、关节置换、运动损伤术后恢复的人。第四类是高危与运动人群，老年人能预警跌倒风险，长期站立的劳动者能预防足底损伤，运动员能监测发力姿势，减少运动损伤。

华商报：除了医疗场景，这款鞋垫未来还能实现更多跨界功能吗？

李迎春：

未来还能拓展超多跨界实用功能，从健康监测升级为全方位的足部与步态管理工具。它可以实现精准步态矫正，能做日常足部健康护理，实时预警足底压力过大、受力不均的问题，还能用于专业运动监测，更能接入远程医疗系统，监测数据直接同步给医生，在家就能完成复诊、康复指导。未来还能和智能手环、智能家居、健康档案联动，成为全身健康监测体系的重要一部分。

华商报：团队当初为什么会想到做一款AI仿生智能鞋垫？

李迎春：

团队当初研发这款AI仿生智能鞋垫，正是因为发现了当下下肢健康监测的三大核心痛点。第一，传统检测太不方便，医院的步态检测需要大型光学设备、测力平台，价格贵、只能在实验室做，没法日常监测，很多人只有疼得受不了才去检查，错过了最佳干预时机。第二，市面上普通的智能鞋垫要么灵敏度低，测不准微小异常，要么需要天天充电，用起来麻烦，而且只能记步数、测距离，不会分析健康数据。第三，刚需人群缺乏监测工具，老年人、慢性病患者、康复人群，需要长期监测步态，但没有简单易用的设备，下肢问题往往拖成重症。

现在正进行量产优化，价格亲民

华商报：大概多久，普通人能买到、用上这款仿生鞋垫？量产和定价会贴近大众需求吗？

李迎春：

目前这款鞋垫已经完成了临床测试，是成熟的科研成果，现在正在进行量产化优化，预计1-2年就能正式推向消费市场。定价方面，团队会坚持亲民普惠的原则，严格控制生产成本，让价格贴近大众消费水平。后续还会推出家用基础款、医疗康复款、老年防跌款等不同版本。

华商报：这款成果对我国下肢健康无感监测、可穿戴医疗设备领域，有什么样的意义？

李迎春：

它算得上是一次突破性的技术革新。从技术层面来说，它首次把仿生高灵敏感应、自主闭环供电、AI智能诊断三大核心技术完美融合，解决了可穿戴设备“灵敏度不足、续航短、无智能分析”的行业难题。从应用层面来说，它让下肢健康监测从“医院专用”变成“家庭日用”。从行业层面来说，它提升了我国可穿戴医疗设备的核心竞争力，为国家慢病管理、养老健康、远程医疗提供了全新的技术方案，推动整个可穿戴医疗行业向更智能、更实用、更普惠的方向发展。 华商报大风新闻记者 李明 任婷 文/图

李迎春，西安电子科技大学信息交叉学部华山准聘副教授，研究方向是基于柔性传感器的智能可穿戴设备用于人体健康监测。近年来，以通讯/第一作者身份在AdvancedSci-ence、Research、Small等国际权威期刊上发表SCI论文15篇，其中3篇论文被选为期刊封面；申请发明专利20项，其中授权12项，转化1项；主持国家自然科学基金青年项目等科研项目10项。

团队中的丁雅蓉博士也参与了本次科普工作。