如今，人口老龄化与残疾人总量的日趋上涨已经逐渐成为了一个亟待解决的社会问题。根据国际卫生组织的数据，到2050年，全球60岁以上的老年人人数便会翻倍并达到世界人口总量的22%。同时，残疾人口的总量如今已超过十亿人，并仍在持续上涨。解决这个社会问题需要医学，公共卫生，生物学，工程学等各个领域的努力。我们正在步入的5G与IoT时代为此也提供了很多便捷的帮助。通过多种智能可穿戴设备，人们已经能越来越容易的监测自己的身体健康并得到相应的帮助。
然而，针对老年人以及残障人士的智能设备的研究仍略显不足，并且大部分老年人并不会去使用智能化的设备，例如智能手机，智能手表等。拐杖，作为他们居家以及出行必备的常用工具，已经成为了一个很有利的潜在的对他们进行智能化医学监测的平台，却始终没有得到充分的研究与利用。最近，新加坡国立大学的李正国教授与南方科技大学的汪飞教授通过结合线性-旋转传动机构以及TENG的自供能传感器，共同提出了一种可以有效收集超低频的人体运动能量并实现多功能高准确度监测的智能拐杖。相关工作以“Artificial intelligence-enabled caregiving walking stick powered by ultra-low frequency human motion”发表在《ACS NANO》上。
拐杖的主要部件与线性-旋转传动机制
该智能拐杖主要由一个可以实现多功能状态监测的混合传感模块与一个可以实现高效率超低频运动能量收集的旋转能量模块，以及相应的能源管理电路及无线发射模块组成。
多功能智能运动监测
混合传感模块由一个具有五块电极设计的按压式摩擦电传感器（P-TENG）与扇叶状的旋转式摩擦电传感器组成（R-TENG）。通过收集拐杖在使用过程中不同接触点，接触顺序，接触时间等信息产生的不同的P-TENG的输出并用深度学习算法对数据进行大数据分析，可以实现高准确度的用户身份识别（99.5%），用户动作识别（100%），用户运动模式评估（100%）。R-TENG则可以通过对线性运动速度的监测来识别用户是否产生跌倒等急需帮助的意外情况。
高性能超低频能量收集
而在旋转能量模块的帮助下，拐杖超低频的线性运动可以通过相耦合的麻花杆-小圆盘转化为高速旋转运动，进而极大提高在低速线性激励下的器件能量输出。与此同时，棘轮棘爪结构可以确保棘轮通过自身的惯性保持一段时间的旋转与能量输出，从而填补没有外在激励时的空缺，进一步降低对老年人运动频率的要求，提高能量转化性能。该拐杖的旋转能量模块可以在低于一赫兹的驱动频率下仍然具有十分高的平均能量收集功率 （1Hz 27.5 mW; 0.083 Hz 6.3 mW）。同时，得益于旋转能量模块的轻量化、模块化设计，我们也可以很轻易的通过多器件叠加来进一步提高输出功率。
多功能居家，户外监测与报警。
该拐杖有多种多样丰富的使用场景。当老年人在家中使用拐杖的过程中，该拐杖可以实时监测用户的身体姿态。与通常被使用的视频监测的功能相比，基于拐杖实现的监测功能可更加保护用户的私密性。当拐杖检测到老人摔倒时，可以及时的发送警报并寻求帮助。而当老年人运动到户外时，该拐杖更可以提供用户座标定位、环境温湿度监测、用户身份识别等功能，可提醒老人根据温度增添衣服，并在检测到异常状态时及时发送用户状态与位置信息并寻求帮助。与此同时，用户在使用拐杖时的人体动能可以通过旋转能量模块为带有多种传感器（GPS，温湿度）的IoT系统进行供电，实现全天候可持续的户外监测。
室内场景 室外场景原文刊载于【高分子科学前沿】公众号
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