Satu langkah menapak, muncul sinyal listrik. Kaki terangkat, sinyalnya berubah lagi. Dalam sepatu percobaan ini, gerakan yang biasanya berlalu begitu saja dapat diubah menjadi informasi tentang cara pemakainya dalam berjalan. Energi mekanis dari pijakan dipanen. Jalan kaki ke warung mendadak punya sisi lain, ada peluang menghasilkan listrik sekaligus data.
Gagasan tersebut dikembangkan Leilei Zhao dan rekan-rekannya dalam penelitian yang diterbitkan di jurnal InfoMat pada 2024. Mereka merancang sistem analisis pola berjalan yang menggabungkan sensor, pemanen energi, pengolah sinyal, serta platform Internet of Things atau IoT. Tujuannya adalah merekam parameter gerakan dan menampilkannya melalui aplikasi.
Teknologi utamanya bernama triboelectric nanogenerator, disingkat TENG. Untuk membayangkan prinsip dasarnya, ingat balon yang digosok ke rambut lalu dapat menarik benda ringan. Kontak antara bahan tertentu dapat menimbulkan pemisahan muatan listrik. Dalam TENG, peneliti memanfaatkan efek kelistrikan tersebut bersama perubahan jarak antarlapisan untuk menghasilkan sinyal.
Ketika telapak kaki menekan, lapisan bahan saling mendekat dan bersentuhan. Saat tekanan berkurang, lapisan kembali menjauh dengan bantuan material lentur. Perubahan keadaan ini mendorong aliran elektron melalui rangkaian. Siklus kontak dan pemisahan yang berulang mengikuti pijakan, sehingga setiap langkah meninggalkan pola listrik yang dapat dibaca.
Bahan penyusunnya juga dirancang khusus. Peneliti menggunakan membran serat komposit berbasis polimer PVDF, dengan tambahan barium titanat dan nanotabung karbon untuk memperbaiki sifat material. Membran dipadukan dengan kain serat perak serta lapisan elastomer berongga. Struktur lentur dan berpori membantu gerakan antarlapisan sekaligus mempertimbangkan kenyamanan serta pertukaran udara.
Di dalam rancangan sepatu terdapat tiga unit TENG dengan pembagian tugas. Dua unit sensor ditempatkan di bagian depan telapak dan tumit. Satu unit lain di daerah tumit ditujukan untuk memanen energi. Artinya, energi pijakan dimanfaatkan melalui jalur pembacaan gerakan dan jalur pengumpulan energi yang memiliki fungsi tersendiri.
Dua lokasi sensor memungkinkan sistem mengamati urutan telapak menyentuh dan meninggalkan tanah. Misalnya, sinyal dari tumit yang muncul lebih dahulu memberi informasi berbeda dibandingkan ketika bagian depan telapak lebih dahulu menapak. Perbedaan waktu dan urutan sinyal membantu membaca pola pendaratan kaki selama gerakan.
Namun, sinyal mentah belum otomatis siap menjadi angka di aplikasi. Peneliti memasang rangkaian pengolah muatan dan pembanding untuk menghasilkan sinyal digital yang lebih stabil. Secara sederhana, perangkat mengubah respons listrik menjadi penanda keadaan kaki menyentuh tanah atau terangkat. Pengolah kemudian memakai pola waktunya untuk menghitung parameter gerakan.
Dalam pengujian pengolahan sinyal, waktu respons berkurang dari sekitar 66 milidetik menjadi 13 milidetik. Peneliti juga menguji sistem saat berjalan, joging, dan berlari. Hasilnya menunjukkan bahwa perubahan pola langkah dapat direkam, termasuk perbedaan pendaratan dengan tumit, bagian depan telapak, atau bagian tengah kaki.
Data tersebut diproses menggunakan mikrokontroler ESP8266, kemudian dikirim melalui jaringan nirkabel menuju platform Alibaba Cloud IoT. Aplikasi yang dikembangkan menampilkan jumlah langkah, kecepatan, dan percepatan. Dengan koneksi ini, gerakan kaki dapat berubah menjadi catatan yang disimpan dan dilihat dari jauh. Sepatunya dipijak, datanya malah naik ke awan.
Bagian pemanen energinya juga diuji. Pada pengujian mekanis terkontrol, perangkat mampu mengisi kapasitor berkapasitas 100 mikrofarad hingga 3,3 volt dalam sekitar 90 detik. Kapasitor merupakan komponen penyimpan muatan listrik. Hasil ini memperlihatkan kemampuan mengumpulkan energi kecil dari tekanan berulang, dengan kondisi pengujian yang sudah ditentukan.
Angka tersebut perlu dibaca sesuai skalanya. Mengisi kapasitor kecil berbeda dari mengisi baterai ponsel. Penelitian ini berfokus pada pemanenan energi dan pemantauan gerakan, sehingga tidak membuktikan bahwa berjalan beberapa menit dapat menggantikan pengisi daya ponsel. Perangkat komunikasi dan penyimpanan energi tetap perlu dirancang sesuai kebutuhan daya seluruh sistem.
Potensinya menarik untuk pemantauan latihan. Jumlah langkah memberi gambaran aktivitas, sementara urutan kontak telapak dapat menambah informasi tentang cara bergerak. Pelatih atau peneliti berpotensi menggunakan data tersebut untuk mengevaluasi latihan. Pengamatan perubahan pola dari waktu ke waktu dapat menjadi bahan pembanding ketika pengguna bergerak dengan tempo berbeda atau mencoba pola latihan lainnya.
Ada pula pekerjaan lanjutan sebelum teknologi seperti ini menjadi perlengkapan sehari-hari. Peneliti melaporkan keluaran yang stabil dalam pengujian lebih dari dua ribu siklus tekanan. Pemakaian nyata tetap memerlukan evaluasi lebih panjang terhadap ketahanan, kenyamanan, dan keandalan pengukuran. Sepatu harian harus menghadapi lebih banyak variasi daripada alat percobaan di laboratorium.
Daya tarik riset ini terletak pada gagasan bahwa alas kaki dapat menjadi bagian dari jaringan sensor. Langkah yang biasanya hanya dihitung kini juga menyediakan sinyal dan peluang pemanenan energi. Kalau sepatu seperti ini kelak tersedia, kamu ingin memakainya untuk olahraga, memantau aktivitas harian, atau membuat perjalanan ke warung terasa seperti proyek teknologi?
Sumber: Zhao dkk. (2024), InfoMat.
