北理工團(tuán)隊(duì)在柔性復(fù)合材料傳感器領(lǐng)域取得新進(jìn)展——先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)助力性能設(shè)計(jì)與應(yīng)用探索

這篇綜述題為“Structure driven piezoresistive performance design for rubbery composites-based sensors and application prospect: a review”，由北理工的尚嘉辰、楊恒（通訊作者）、以及來自清華大學(xué)的合作研究者姚學(xué)鋒共同撰寫。文章系統(tǒng)地總結(jié)了課題組在傳感監(jiān)測方面的研究進(jìn)展，并展望了未來的發(fā)展方向。

圖1  柔性應(yīng)變/壓力傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域

研究指出，柔性復(fù)合材料應(yīng)變及應(yīng)力傳感器因其靈敏度高、應(yīng)變范圍大、形式多樣等顯著優(yōu)點(diǎn)，在可穿戴電子、智能機(jī)械、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。然而，這些應(yīng)用領(lǐng)域往往伴隨著大變形、高低溫等極端環(huán)境，對柔性傳感器的性能提出了更為苛刻的要求。如何建立導(dǎo)電橡膠類復(fù)合材料的力電傳感模型，揭示結(jié)構(gòu)-性能的依賴關(guān)系，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傳感器靈敏度、量程、線性度和穩(wěn)定性的協(xié)同提升，成為了該領(lǐng)域亟待解決的關(guān)鍵問題。

在這一背景下，楊恒副教授團(tuán)隊(duì)在方岱寧院士先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)新思想的啟發(fā)下，開展了深入細(xì)致的研究工作。他們通過揭示導(dǎo)電橡膠類復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，發(fā)展出相應(yīng)的力電傳感模型，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了該類型傳感器在靈敏度、量程、線性度和穩(wěn)定性方面的協(xié)同提升。

團(tuán)隊(duì)的理論研究取得了重要突破，建立了基于隧道效應(yīng)和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)變電阻模型，以及考慮黏彈性的應(yīng)變電阻模型和力電耦合數(shù)值預(yù)測模型。這些模型為柔性傳感器的性能設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

在傳感性能設(shè)計(jì)方面，團(tuán)隊(duì)提出了基于內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、宏觀復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及表面導(dǎo)電層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的傳感性能調(diào)控方法。他們通過交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)、隔離網(wǎng)絡(luò)等多種內(nèi)部導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，以及纖維、多孔結(jié)構(gòu)、負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)等聚合物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了傳感器性能的精準(zhǔn)調(diào)控。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還提出了多層級結(jié)構(gòu)與變形控制協(xié)同設(shè)計(jì)方法，為同時(shí)提升傳感器靈敏度和量程提供了新思路。

在應(yīng)用方面，團(tuán)隊(duì)初步實(shí)現(xiàn)了橡膠類傳感器在人機(jī)交互界面、人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)測及航天航空結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測等方面的應(yīng)用驗(yàn)證。特別是在大型客機(jī)艙門密封結(jié)構(gòu)界面監(jiān)測和柔性變體飛行器變形監(jiān)測方面，團(tuán)隊(duì)的研究成果展現(xiàn)出了巨大的應(yīng)用潛力。

對于未來，團(tuán)隊(duì)表示將繼續(xù)在傳感機(jī)理模型、性能協(xié)同設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用探索等方面開展深入細(xì)致的研究。他們將致力于構(gòu)建大變形導(dǎo)電復(fù)合傳感器的宏微觀傳感機(jī)理模型，揭示多層級結(jié)構(gòu)與力電性能的內(nèi)稟關(guān)聯(lián)機(jī)制，并探索結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的傳感器逆向設(shè)計(jì)方法和結(jié)合人工智能算法的多點(diǎn)全場參量解耦及實(shí)時(shí)反饋技術(shù)。

此次研究成果的取得，不僅展示了北理工在柔性復(fù)合材料傳感器領(lǐng)域的科研實(shí)力，也為智能制造和先進(jìn)裝備的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐。相信在方岱寧院士先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)新思想的引領(lǐng)下，北理工團(tuán)隊(duì)將在該領(lǐng)域取得更多創(chuàng)新性的研究成果，為國家的科技進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)升級做出更大的貢獻(xiàn)。

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