智能鞋垫利用人工智能跟踪地面反作用力，误差仅为4.1%，彻底改变了运动、康复和糖尿病足护理。（图片来源：Depositphotos）
一种新的可穿戴技术可能会很快改变人们从伤病中恢复、进行体育训练以及管理慢性健康状况的方式。朴茨茅斯大学的研究团队最近开发了一种智能鞋垫，它不仅支持你的脚，还能跟踪你的身体如何与地面互动——这些数据对医生、运动员和研究人员来说都是至关重要的。
从实验室设备到日常使用
测量脚与地面之间的力（称为地面反作用力或GRFs）长期以来一直是运动科学、康复和损伤预防等领域的重要内容。这些数据揭示了肌肉和关节在运动中的工作方式。但多年来，这种测量需要大型且昂贵的实验室设备，如力板或仪器化的跑步机。这些设备虽然有效，但只能在实验室中使用，无法在健身房、公园或家庭等现实环境中发挥作用。
这就是新型智能鞋垫的用武之地。通过大学和科技公司的合作，这种可穿戴设备提供了一种低成本、移动的解决方案，任何人都可以在实验室外使用。由人工智能驱动的这些鞋垫正在改变科学家和医生对人类运动的理解。
隐藏在你鞋子里的智能技术
每个鞋垫包含两个主要组件。第一个是压力传感器系统，称为CapSense，它可以映射你在移动时的压力变化。第二个是惯性测量单元（IMU），通过加速度和旋转来跟踪脚部运动。这两个传感器将数据输入一个特殊的AI模型。
系统背后的双流注意力模型实时使用这两种类型的数据。它自动选择哪一种数据流在不同部分的运动中更有用。这有助于提高预测GRFs的准确性。在测试中，该系统的预测误差仅为4.1%。相比之下，类似目标的早期设备的误差率在8%到20%之间，这使得新模型更加可靠。
项目的主要研究员张丁煌博士说：“我们希望创造一种比昂贵的实验室设备更实惠和便携的替代品。这些鞋垫可以帮助运动员提高表现，协助医生进行康复治疗，甚至帮助人们追踪他们的运动以维护一般健康。”
为日常生活设计
与笨重的实验室机器不同，这些鞋垫适用于日常穿着。它们包括一个内置的小型电池，可以为传感器供电长达八小时。鞋垫通过蓝牙无线连接到附近的计算机。所有运动和压力数据都存储在带有时间戳的有序文件中，便于随时间跟踪变化。
智能鞋垫已经在许多现实场景中显示出其有用性：
- 运动和损伤预防：运动员可以跟踪每一个动作，纠正不良姿势，并避免受伤。
- 康复：医生和物理治疗师可以观察患者在康复过程中的运动情况，并根据需要调整治疗方法。
- 健康研究：科学家可以收集更好的数据来研究不同人群的行走、跑步或康复方式。
实验设置包括智能鞋垫和力板。参与者穿着一双智能鞋垫在力板上移动。（图片来源：Tim Excell）
团队中的生物力学专家蒂姆·埃克塞尔博士说：“所有的人类运动，无论是精英体育、休闲活动还是康复，都是由力引起的。能够在实验室环境之外准确测量这些力是一个游戏规则的改变者。它有助于提高运动表现，识别受伤风险，并支持受伤或其他状况后的康复。”
不仅仅是运动
虽然智能鞋垫在运动和康复方面有很强的应用，但它们也是受一种更严重的健康问题启发而设计的——糖尿病足护理。许多糖尿病患者患有周围神经病变，这是一种使脚部感觉迟钝的情况。这可能导致未注意到的高压力区域，进而可能发展成溃疡。如果这些溃疡得不到治疗，可能会导致感染，甚至需要截肢。
TG0公司是智能鞋垫的技术支持方，他们希望在问题开始之前就阻止它。通过压力传感器，用户可以及早发现危险区域，糖尿病患者可以采取行动。这个简单的工具可能会挽救肢体和生命。
智能鞋垫原型。（图片来源：TG0）
TG0公司的首席技术官郭留成博士解释了这一愿景：“TG0的使命是利用嵌入式人工智能和低成本材料来革新人机界面。我们希望使它们易于获取、可持续且智能化。通过结合学术研究和行业专业知识，我们改进了低成本智能传感技术。这项研究不仅展示了我们对创新的承诺，还为下一代智能传感解决方案铺平了道路，这些解决方案不仅限于运动领域，还扩展到了更广泛的健康应用。”
合作实现现实世界的影响
这项研究并非孤立进行。它是通过知识转移合作伙伴关系（KTP）实现的，该伙伴关系将大学与企业联系起来，以创建现实世界的解决方案。团队汇集了来自大学计算和健康科学部门的专家，与TG0公司的工程师密切合作。
最终模型经过顶级实验室设备的测试，显示了强大的准确性。完整的研究发表在《智能体育与健康》杂志上。
TG0提供的智能鞋垫数据收集和可视化界面。（图片来源：《智能体育与健康》）
通过结合简单的材料、智能传感器和先进的算法，这个团队使高质量的运动跟踪比以往任何时候都更容易获得。从帮助运动员更好地训练到保护糖尿病患者的脚部，智能鞋垫可能是你能穿上的最强大的工具之一。
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