Современная электроника №4/2025

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 11 WWW.CTA.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 4 / 2025 му каналу и посредством персональ- ного компьютера к предварительно обученной нейросети (ИИ), которая в автоматическом режиме распозна- ёт действия пользователя – ходьбу на месте, скольжение, прыжки, бег – и передаёт результат в виде команд в видеоигру. Алгоритм может выделять поведенческие паттерны, присущие конкретному игроку. Но возможные применения умно- го носка не ограничиваются развле- чениями. К примеру, устройство мож- но использовать для идентификации людей в системе управления умным домом. Если добавить датчики тем- пературы и влажности, устройство подходит для отслеживания состоя- ния здоровья или показателей физи- ческой активности спортсменов на тренировке. Трибоэлектрический наногенера- тор (TENG) стал оптимальным вари- антом для сбора отработанной энер- гии и измерения как биофизических, так и химических параметров на основе текстильной платформы из-за особых преимуществ, включая раз- личные варианты материалов, про- стоту изготовления, низкое энергопо- требление и низкую стоимость. Среди иных положительных факторов спо- собность структурного удержания и усталостной прочности при ношении и стирке. Большинство T-TENG рабо- тают в режиме вертикального раз- мещения контактов в автономном режиме. Специалист по фамилии Он и другие разработали узконаправлен- ный датчик T-TENG, который может собирать механическую энергию с различных частей тела для питания модуля Bluetooth [6]. Почему именно электронные носки? Большинство подобных устройств не подходят для измерения давле- ния, особенно на ногах из-за ограни- ченного диапазона чувствительно- сти. Большие усилия направлены на разработку стелек с функциями сбо- ра энергии, поскольку требования к гибкости и комфорту ношения стелек невысоки. Несмотря на то что носки принято стирать чаще, чем стельки, с точки зрения пригодности и дол- говечности обувные стельки также снабжают беспроводными датчика- ми T-TENG. С другой стороны, носки более универсальны в использова- нии в закрытых помещениях; их не снимают и дома, где обувь не всегда применима. Конструкция и технические особенности Хотя поверхностно-структурирован- ный сенсор T-TENG по форм-фактору тонкий и почти неотличим от обыч- ной одежды, диапазон чувствитель- ности датчика до 200 кПа пока услов- но ограничен. В новых разработках использована технология нанесения проводящего слоя на поверхность силиконовой резины с помощью 3D-печатной формы, которая явля- ется недорогой и масштабируемой для массового производства в буду- щем. Датчик T-TENG содержит четыре функциональных слоя, включая тон- кую нитриловую плёнку, плёнку из силиконовой резины с узорчатыми структурами пирамиды с квадратным основанием, как показано на рис. 13, и два контакта прикреплённых к зад- ней части двух слоёв проводящих ток электродов. Не проводящие ток слои текстильного материала дополни- тельно используются для герметиза- ции устройства. При воздействии на горизонтальную поверхность стопой давление на датчик индуцирует дви- жение электронов: происходит пре- образование механической энергии давления в электрический ток. Напряжение на выходе датчика- сенсора при заявленной чувствитель- ности 0,4 В кПа–1 возникает при дав- лении 72 кПа. Возможно давление стопы на основание горизонталь- ной поверхности (грунт) в большом диапазоне до 200–300 кПа. Поэтому желателен большой диапазон чув- ствительности сенсора, по крайней мере, до 200 кПа, чтобы корректно преобразовать давление и рабочую механическую деформацию датчика в электрический ток. Притом динамика напряжения холостого хода датчика T-TENG (без давления стопы) с разра- ботанными поверхностными структу- рами при возрастающих приложен- ных давлениях показана на графике рис. 14с. С применением структуры усечённого конуса в миллиметро- вом масштабе, нанесённой на поверх- ность силиконовой резины, мож- но наблюдать почти в 3 раза более высокую чувствительность по срав- нению с датчиком с плоской структу- рой (первый линейный диапазон от 10 до 70 кПа). Таким образом, диапа- зон чувствительности успешно рас- ширен до > 200 кПа, что делает устрой- ство достаточно чувствительным для восприятия изменённой амплиту- ды напряжения (на выходе датчика) электронным модулем с АЦП. Форма импульсов на выходе датчи- ка в разомкнутой цепи при высоком давлении 244 кПа в двух вариантах исполнения датчиков с/без структур усеченного конуса представлены на рис. 14d, e. Примечательно, что абсо- лютное значение напряжения датчи- ка с усеченным конусом также увели- чивается в 3 раза для увеличенных площадей стопы (давления). Это акту- ально тогда, когда пользователь име- ет условно большой размер обуви или увеличенную площадь давления на грунт, к примеру, если пользова- тель обут не в кроссовки, а в лыжные ботинки с пристёгнутыми лыжами. Характеристики переданного заря- да (Q) и тока короткого замыкания (I-sc) датчика T-TENG проверены и схематически изображены на рис. 14f. Передаваемый заряд T-TENG измерял- ся в вариантах нагрузки 13, 38 и 244 кПа со скоростью воздействия (нажа- тия и отпускания) 15 мм/с –1 (рис. 14f). Исследованиями установлено, что значение напряжения (амплитуда импульсов) на выходе датчика уве- личивается с приложенным давлени- ем, а также из-за увеличенных площа- дей контакта. Аналогичным образом измерялся ток короткого замыкания T-TENG, и та же тенденция справедли- ва при увеличении давления нагруз- ки (рис. 14g). В отличие от напряже- ния холостого хода, амплитуда тока короткого замыкания также зави- сит от скорости нажатия стопы на поверхность и последующего отпу- скания. Как показано на рис. 14h, меньше амплитудных пиков наблю- дается, когда скорость нажатия/отпу- скания уменьшается с 15 до 5 мм/с –1 , и амплитуда пикового тока также сни- жается из-за сниженной скорости воз- действия. Результаты испытаний на прочность и устойчивость к стирке представлены на рис. 15. Трибоэлектрический датчик T-TENG изготавливается и прикрепляется к нижней части носка из хлопкового или совмещённого материала. С под- ключённым к питанию датчиком в носке или стельке походка челове- ка подвергается электронному ана- лизу на основе колебания напряже- ний на выходе датчика. Цикл походки включает четыре основных события,