随着第五代移动通信技术（5G）、人工智能（AI）和物联网（IoT）技术的推进，“智能可穿戴”这个理念逐渐深入人心，市面上也涌现出了大量的可穿戴电子设备，例如：运动手环、智能手表、电子袜子等。可穿戴电子设备在发展过程中也暴露出一些问题，价格昂贵、不能独立使用，续航时间短等问题。
随着电子技术的发展，电子产品的功耗不断降低，但是24小时全天候的工作模式也给可穿戴电子设备的发展带来巨大的压力，探索一种便携的电能补给策略来提高可穿戴电子设备的续航时间成为热门的研究课题。
人体作为一个大的能量单元，每一次呼吸、心跳、摆臂、屈膝都伴随着能量的耗散，通过采集人体运动的能量为可穿戴电子设备补给电能成为解决其续航时间短的最佳方法之一。目前报道的机械能转化方式主要有三种：电磁发电机、摩擦纳米发电机和压电纳米发电机。在采集人体能量的过程中以不妨碍人体的生命活动作为基本要求，同时又要保证穿戴的舒适性，而摩擦纳米发电机和压电纳米发电机以工作原理简单、工作模式多样化、低频下采集效果佳等优点成为采集人体运动能量的最佳选择方式。
脚底包含了人体最高的力学能量，同时人体每天的生命活动都离不开脚的参与，采集人体脚底的运动能量成为研究的热门方向。据麦姆斯咨询报道，近日，中科院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员团队基于摩擦纳米发电机和压电纳米发电机设计了一种柔性、可穿戴的智能鞋垫，该鞋垫能够将脚底的运动能量转化为电能，同时兼具步态识别的功能。
该鞋垫有多层材料复合而成，并通过微加工技术对复合结构内部进行图案化设计。摩擦纳米发电机位于鞋垫的前脚掌部位，压电纳米发电机位于鞋垫的后脚掌部位。摩擦纳米发电机采用两层高分子层（PTFE）和一层金属层（Al）作为摩擦层，三层摩擦层被两层具有大量通孔结构的海绵层隔开。前脚掌落地时，位于顶部和底部的PTFE层向中间层Al挤压，PTFE和Al在通孔内实现接触-分离动作将落脚和抬脚时脚底的能量转化为电能。
压电纳米发电机采用PVDF作为压电材料，为了增大压电材料的输出性能，作者对其上下两面采用不同应力差的材料进行封装，封装完成后对整体进行热加工为拱形状态，拱高为鞋垫厚度的一半左右。该设计方法可以增大压电材料的形变量和应力差从而提高其输出性能。
图1 基于摩擦-压电复合纳米发电机的发电鞋垫的结构图
前后脚的摩擦纳米发电机和压电纳米发电机采用并联工作模式，在行走时一般遵循前脚落地、后脚落地、前脚抬起和后脚抬起的规律，因此行走时两个发电机依次进行工作，由于两类发电机的输出信号不同，通过输出信号可以判别脚底的动作，因此该鞋垫具有步态判别的功能。
图2 复合发电鞋垫行走状态下的输出规律研究
除了正常的行走外，脚底动作还包括踏步和跳跃等，踏步和跳跃相对于行走而言脚底的能量分布均匀集中，在日常生活中爬楼梯就相当于踏步行走。该复合发电鞋垫可以从跳跃运动中采集到最大150 V的开路电压、4 μA的短路电流和250 nC的转移电荷量。
图3 复合发电鞋垫不同运动状态下输出能力比较
为了探究其为电子设备的供电能力，研究了复合发电鞋垫的输出功率和负载的匹配关系，为电能存储元件充电的能力，驱动微型计算器实验和直接驱动LED灯板实验。最后设计了一种可穿戴的足背脉搏监测系统，传感器位于鞋子舌头内侧，可以实时观测足背的脉搏搏动情况，对于足背动脉病人长期监测具有重要意义。该篇文章设计了一种发电鞋垫采集日常运动能量，并将能量进行存储用于足背脉搏监测设备的电能补给。
图4 （a、b）复合发电鞋垫输出功率与负载匹配关系;（c）复合发电鞋垫给不同规格电容充电曲线;（d）复合发电鞋垫直接供能和储能原理图;（e）复合发电鞋垫直接驱动LED灯;（f）复合发电鞋垫储能为微型计算器供电展示;（g）足背动脉监测系统示意图
相关工作以“Hybrid Nanogenerator for Biomechanical Energy Harvesting, Motion State Detection, and Pulse Sensing”为题，发表在Advanced Materials Technologies (DOI: 10.1002/admt.202101332)上。北京航空航天大学石波璟副研究员、中科院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员为论文共同通讯作者。
延伸阅读：
《基于摩擦电的能量收集和传感（TENG）-2020版》
《从微瓦到吉瓦的能量收集技术及市场机遇-2020版》
《热电能量收集及其它零排放热能发电-2022版》
《电子产品的无电池化，对IoT、6G、医疗及可穿戴的市场影响-2021版》
《热电制冷、加热及能量收集-2021版》
《可穿戴技术及市场-2021版》
