全球范围内，每年约有1860万人患糖尿病足溃疡。在糖尿病患者中，80%的下肢截肢案例与足溃疡相关，这种并发症不仅严重影响患者的生活质量，还显著增加患者的死亡风险（图1）。因此，多学科综合护理成为糖尿病足溃疡的首选治疗方法。在临床诊断和早期干预中，可以通过智能鞋垫测量足底压力，进而分析步态、姿势和足部健康。然而，目前的传感器平台体积庞大，仅限于室内或临床环境使用。基于此，开发用于康复和治疗的专用鞋垫已成为重要的发展趋势。
近期，江南大学魏取福教授&吕鹏飞研究员团队在Advanced Fiber Materials上发表了题为“Therapeutic Smart Inside Technology with Archimedean Algorithmic Spiral Triboelectric Nanogenerator Based Power System and Sensors”的研究成果，采用“第一性原理指导”的高效电源，开发出柔性便携的多功能智能鞋垫。Alfred Mensah博士为本文的第一作者，江南大学为第一通讯作者单位，魏取福教授、刘云教授和吕鹏飞研究员为共同通讯作者。
图1 糖尿病足溃疡的形成过程（机械应力和缺血性）（图片版权：JAMA©2024美国医学会）
该鞋垫的阿基米德螺旋结构如图2所示，其具有摩擦纳米发电机（TENG）功能，将生物聚合物材料用作摩擦电极层的自供电系统；同时，该鞋垫具有优异的电压（VOCVOC）、电流（ISC）、电流密度（JSC）和功率密度（PD）等电性能，可应用于临床和个人足底压力测量，性能优于商用FSR传感器。通过这个系统还可以分析步态、姿势和其他足病，为实现柔性、灵活性、多功能便携式鞋底监测技术奠定了基础。该技术由TENG电源提供动力，未来可集成至物联网系统。该智能鞋垫的主要功能是自供电和监测，在10 kPa和6 Hz下进行8000次循环接触和释放，结果显示具有稳定的开路电压，展现出优异的长期服役性能和能量输出稳定性；同时，也证明鞋垫的电源系统可以为多种电子设备供电。
图2 用于发电和足压力测量的摩擦电智能鞋垫功能系统示意图和性能评价
图3a显示了集成智能鞋垫系统的完整组件，图3b显示了TENG鞋垫上产生的电能可以让LED发光。通过实时步态分析和商用力敏电阻器（FSR）测试，表明开发的智能鞋垫可以在实际应用场景中充当传感原件，且传感器鞋垫系统与商业FSR性能相匹配。
图3（a）集成智能鞋垫系统完整组件（b）TENG鞋垫上产生的电能让LED发光
图4为TENG传感器系统用于分析足部与传感器接触状态，包括脚底、脚趾、脚跟、脚弓、中脚、前脚掌区域的接触情况与压力分布，以及足部压力信号采集、模拟和系统集成，彰显了其在实际应用中的价值，也预示着它在市场中具有较大的发展潜力。
图4 基于TENG的压力传感器输出和人体物理监测
论文信息：Alfred Mensah, Shiqin Liao, Jeremiah Amesimeku, Jie Li, Yajun Chen, Yi Hao, Jixing Yang, Qingqing Wang, Fenglin Huang, Yun Liu*, Qufu Wei*, Pengfei Lv*. Therapeutic Smart Inside Technology with Archimedean Algorithmic Spiral Triboelectric Nanogenerator Based Power System and Sensors. Adv. Fiber Mater., 2024.
链接：https://doi.org/10.1007/s42765-024-00443-3
魏取福教授，博士研究生导师。现任江南大学生态纺织教育部重点实验室主任，入选教育部新世纪优秀人才、江苏省“333高层次人才培养工程”首批中青年科学技术带头人和江苏省“六大高峰人才”计划。中国纺织工程学会理事，Textile Bioengineering and Informatics Society (TBIS)国际执委会委员。研究成果获得教育部自然科学二等奖、新疆维吾尔自治区自然科学二等奖和中国商业联合会科学技术奖一等奖等。指导的博士研究生获得全国优秀博士论文提名奖、江苏省优秀博士论文等。先后主持承担了国家重点研发计划、国家高技术研究计划（863）、国家自然科学基金、科技部科研院所专项和教育部创新团队等国家（或省部级）项目及多项企业合作项目。近年来共发表SCI收录论文500多篇，他引13000余次，H-因子55，主编英文学术专著2部，2020-2023连续四年爱思唯尔“中国高被引学者”。
吕鹏飞研究员，吕鹏飞，校聘研究员，江南大学硕士生导师，中国科协青年人才托举工程项目入选者。目前主要致力于功能纺织纤维材料的设计及在柔性可穿戴、软机器人和热管理等领域的应用研究。近年已在Angew. Chem. Int. Edit.、Adv. Funct. Mater.、Nano Today、Energy Storage Mater.、Adv. Sci.和Adv. Fiber Mater.等国际期刊上发表SCI论文90余篇，申请/授权专利15项。主持中国科协青年托举人才项目、国家自然科学基金面上/青年项目、江苏省局重大项目课题、江苏省自然科学基金面上项目、博士后科学基金面上项目、国防培育项目、江南大学高层次人才引进项目和国家/教育部重点实验室开放基金等科研项目10余项，相关研究成果获2021年新疆维吾尔自治区自然科学二等奖、2023年度发明创新奖、2020年江苏省优秀博士学位论文、王善元全国优秀博士学位论文基金和天津市“海河英才”青年人才项目等科研奖励。多次担任Nat. Commun.和Adv. Mater. 等国际学术期刊审稿人。
刘云博士、主任医师、二级教授、博士生导师，现任江苏省人民医院（南京医科大学第一附属医院）副院长、南京医科大学生物医学工程与信息学院副院长，南京医科大学医学信息学与管理研究所所长，国家重点研发计划项目首席科学家，江苏省区域卫生信息化工程中心主任，江苏省卫生拔尖人才，江苏省“333高层次人才培养工程”培养对象、江苏省“六大人才高峰”培养对象等学术荣誉和称号。荣获江苏省科学技术奖二等奖、江苏省医学科技三等奖、江苏信息通信行业科技进步一等奖、南京市科学技术进步三等奖等多项荣誉。先后承担包括国家重点研发计划在内的国家、部省级项目近20项。发表SCI及核心期刊文章近百篇，主编著作2本。拥有国家发明专利4项，软件著作权36项。
