一种自驱动足底按摩柔性鞋垫

技术领域

本发明属于柔性电子器件领域，具体涉及一种自驱动足底按摩柔性鞋垫。

背景技术

随着人民生活水平的日益提高，人民对于健康的重视程度日益加深，对于医疗保健仪提出了更高的要求。由于足部理疗对于延年益寿具有重要作用，近年来，足部理疗仪也层出不穷。

然而，市售的足部理疗仪器体积大，不方便携带，不能随时随地理疗，且价格昂贵，耗电量大。这些缺点限制其更广阔的使用。为了克服上述缺点，使理疗仪更广阔的使用，本发明提出了一种自驱动的柔性足底理疗鞋垫，属于足底理疗仪的一种。还鞋垫贴合于人体，质轻，可随着人走路，随时随地发挥理疗作用。

本发明的自驱动的实现是通过摩擦发电机。2012年，王中林院士率领团队发明摩擦发电机(TENG)。基于摩擦起电和静电感应的耦合作用，TENG可将机械能转化为电能。近几年的发展，不仅实现了高电压、高功率密度，且因任意材料局可摩擦起电而打破传统压电、磁电、热点发电机对材料的限制，成为新的高效的能量转化手段，为能源问题贡献重要力量。目前，基于摩擦纳米发电机的自供能传感器已在各种学科和领域得到了广泛研究，被用于测量各种类型的物理参数，传感器，人机交互，机器人等。经过数年的发展，实现高灵敏性与高分辨率和器件高度集成。近日，TENG也用于人体可穿戴器件，利用电刺激治疗疾病。例如，王旭东等人发明了一种自供电装置，从人体的日常运动中收集能量，通过柔和的低频电脉冲刺激皮肤，从而诱使休眠的毛囊重新激活，进而长出头发。由于该装置无需电池，也没有复杂的电子设备，戴个帽子就能轻松遮住。而且，由于电脉冲非常温和，穿透深度不超过头皮的最外层，因此该装置不会引起任何不良的副作用。这项工作为摩擦发电机在生物体细胞刺激引起激素分泌变化，提供了切实的依据。并为进一步医疗技术的开拓创新，提供了宝贵借鉴。

摩擦发电机用于鞋底发电也有报道。杨亚等人将摩擦发电用于鞋垫中，收集人体走路的能量。但是，将摩擦发电用于鞋垫进行穴位理疗，还没有报道。

利用人走路时候，脚(袜子)与鞋垫之间的摩擦收集人体走路的能量，若用于穴位刺激，需要一定的频率。因此，本发明结合环振荡器。将低频的机械刺激转化为高频的刺激，达到刺激穴位的疗效。

由于在该鞋垫加工中不需要电子束曝光，极大地简化了加工工艺。相对于钙钛矿等，石墨烯廉价，降低成本。石墨烯机械强度高、化学性质稳定、柔性强、质轻，使得此光探测器柔性、稳定耐久、可贴合性，在精密电子、智能器件等方面发挥巨大潜力。

发明内容

本发明需要解决的技术问题如下：

1.解决市面的理疗仪器体积大，不方便携带，不能随时随地理疗且价格昂贵的问题。本柔性足底理疗仪，贴合于人体，质轻，可随着人体的走路，随时随地发挥理疗作用。

2.解决市面的理疗仪器耗电量大，带来能源问题的加重。本文利用摩擦电的接触起电和静电耦合机制，收集人体运动的能量转化为电能，实现自驱动。

3解决市面的理疗仪频率与最佳穴位刺激频率不匹配而达不到最佳疗效的问题，环形振荡器将人体低频运动转化为高频运动。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种自驱动足底按摩柔性理疗鞋垫。鞋垫由上到下分为四层：表面层，电极层，支撑体层和增高层。表面层采用0.5～1mm氟硅树脂这种含氟的薄层塑料，多孔结构利于人体排汗，同时为了避免人体汗液造成短路，表面层四周的高度高于表面层底部，表面层底部有凹槽通道，凹槽通道内部填有亲水纤维，使得汗液不会沾到电极。在表面层中间，有34个金字塔型的凸起，对应足底34个穴位，在凹槽通道边缘按照人体足部穴位的位置分布34根微针电极，每根直径0.5um、长1mm，通过微丝电极的高频电对足部进行刺激。厚度为200nm的银制金属膜作为镂空的电极层。电极层通过镂空的支撑体层，与增高层内部的环形振荡器电路连接，支撑体层材料是硅橡胶。增高层采用苯乙烯-聚丁二烯聚合物的弹性体，内部装有环形振荡器，增高层外壳对环形振荡器起到很好的保护作用，使其在人体重力作用下，环形振荡器不受挤压。基于摩擦起电和静电感应，收集人走路时候，脚底与鞋垫之间接触分离时候产生的摩擦电，贴敷在鞋垫本体的表面层背面的电极层收集电荷，传导到增高层内部装的环形振荡器。环形振荡器将低频的机械刺激转化为高频的刺激，达到刺激穴位的疗效。环形振荡器处理后的高频电刺激由导线穿过表面层多孔塑料，连接到表面层的一个个微丝电极。通过微丝电极的高频电对足部进行刺激，达到按摩效果。

鞋垫本体的表面层(含氟的一种薄层多孔塑料)可采用3D打印。根据人体穴位的位置设计好微丝电极引出位置，建立模型。并考虑人体脚部出汗，表面层底部设计凹槽通道，内部填有亲水纤维，及时将人体汗液吸附，保护电路。在3D打印的画图软件中画出模型，用3D打印机打印。

贴敷在鞋垫本体的表面层背面的电极层以及放大器按照如图3连接，采用丝网印刷的方法按照设计图案转移到压敏胶系印章(VHB stamp)，运用转印技术贴敷在鞋垫本体的表面层背面，使得每个电极对应上一步根据穴位的位置设计好微丝电极引出位置。

3鞋垫本体的表面层连同贴敷在鞋垫本体的表面层背面的电极层与质轻柔软的硅橡胶支撑体贴敷，组成鞋垫本体。

在电路板上的环形振荡器由7个反相器逻辑器件组成，用苯乙烯-聚丁二烯聚合物的弹性体封装，组成增高层。

摩擦发电机根据结构分为：接触分离式、滑动式、单电极式等。本发明柔性理疗鞋垫采用单电极式。当摩擦电极性为正的材料棉袜(丝袜)接触鞋垫表面层时候，由于两者摩擦电极序不同，表面分别带有正负电荷。因为处于电荷平衡，棉袜(丝袜)与鞋垫表面层没有发生电荷移动，没有电流。当人走路，摩擦电极性为正的棉袜(丝袜)与鞋垫表面层分离，为了平衡表面层的负电荷，贴敷在鞋垫本体的表面层背面的镂空电极层正电荷移动向表面，电极层剩下负电荷，产生电子移动和电势差。贴敷在鞋垫本体的表面层背面的电极层收集电荷，传导到增高层内部装的环形振荡器。环形振荡器将低频的机械刺激转化为高频的刺激，达到刺激穴位的疗效。

本发明的创新之处如下：

1.自驱动样式的足底穴位理疗鞋垫没有报道。

2表面层采用含氟的一种薄层多孔塑料，多孔结构利于人体排汗，同时为了避免人体汗液造成短路，表面层四周稍稍拱起，有凹槽通道，使得汗液不会沾到电极。

3环形振荡器将人体运动低频刺激转化为高频电刺激，与足底穴位刺激的频率匹配，实现最佳疗效。

4.本发明的理疗鞋垫所采用材料化学性质稳定、柔性强，质轻，柔软，透气，舒适，耐变形。

附图说明

图1为自驱动足底按摩柔性理疗鞋垫示意图。

图2为自驱动足底按摩柔性理疗鞋垫原理图。

图3为自驱动足底按摩柔性理疗鞋垫电极层的电路图。

图4为自驱动足底按摩柔性理疗鞋垫增高层中的环形振荡器示意图。

具体实施方式

1、采用3D打印的方法打印鞋垫本体的表面层。根据人体穴位的位置设计34根0.5um粗、1mm长的微丝电极引出位置，并考虑人体脚部出汗，表面层底部设计凹槽通道，内部填有亲水纤维，及时将人体汗液吸附。

2.贴敷在鞋垫本体的表面层背面的电极层采用丝网印刷(实现设计好图案)的方法转移到VHB stamp，运用转印技术贴敷在鞋垫本体的表面层背面。

鞋垫上每一个穴位对应一个细长的微丝电极，每根微丝电极与相邻穴位的微丝电极分别连接，最后的微丝电极连接到一个放大器上。电路图如图3所示。

3.鞋垫本体的表面层连同贴敷在鞋垫本体的表面层背面的电极层与质轻柔软的硅橡胶支撑体贴敷，组成鞋垫本体。

4.在电路板上的环形振荡器与电极层的放大器连接，由7个长宽1mm*1mm后200nm的由电极和半导体铟镓锌氧化物(Indium Gallium Zinc Oxide)构筑的反相器逻辑器件通过串联首位相接组成，最后一个接地。用苯乙烯-聚丁二烯聚合物的弹性体封装，组成增高层。所述的环形振荡器如图4所示。

当该鞋垫加入到鞋中，人穿上后，当作为摩擦电极性为正的材料棉袜(丝袜)接触鞋垫表面层时候，由于两者摩擦电极序不同，表面分别带有正负电荷。因为处于电荷平衡，棉袜(丝袜)与鞋垫表面层没有发生电荷移动，没有电流。当人走路，摩擦电极性为正的棉袜(丝袜)与鞋垫表面层分离，为了平衡表面层的负电荷，贴敷在鞋垫本体的表面层背面的镂空电极正电荷移动向表面，电极剩下负电荷，产生电子移动和电势差。贴敷在鞋垫本体的表面层背面的电极收集电荷，传导到增高层内部装的环形振荡器。环形振荡器将低频的机械刺激转化为高频的刺激，达到刺激穴位的疗效。