北理工團隊在柔性復合材料傳感器領域取得新進展——先進結構技術助力性能設計與應用探索

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）、以及來自清華大學的合作研究者姚學鋒共同撰寫。文章系統地總結了課題組在傳感監測方面的研究進展，并展望了未來的發展方向。

圖1  柔性應變/壓力傳感器的應用領域

研究指出，柔性復合材料應變及應力傳感器因其靈敏度高、應變范圍大、形式多樣等顯著優點，在可穿戴電子、智能機械、結構健康監測等領域具有廣闊的應用前景。然而，這些應用領域往往伴隨著大變形、高低溫等極端環境，對柔性傳感器的性能提出了更為苛刻的要求。如何建立導電橡膠類復合材料的力電傳感模型，揭示結構-性能的依賴關系，進而實現傳感器靈敏度、量程、線性度和穩定性的協同提升，成為了該領域亟待解決的關鍵問題。

在這一背景下，楊恒副教授團隊在方岱寧院士先進結構技術新思想的啟發下，開展了深入細致的研究工作。他們通過揭示導電橡膠類復合材料的結構-性能關系，發展出相應的力電傳感模型，并設計實現了該類型傳感器在靈敏度、量程、線性度和穩定性方面的協同提升。

團隊的理論研究取得了重要突破，建立了基于隧道效應和導電網絡的應變電阻模型，以及考慮黏彈性的應變電阻模型和力電耦合數值預測模型。這些模型為柔性傳感器的性能設計提供了堅實的理論基礎。

在傳感性能設計方面，團隊提出了基于內部導電網絡設計、宏觀復合結構設計及表面導電層結構設計的傳感性能調控方法。他們通過交聯網絡、互聯網絡、隔離網絡等多種內部導電網絡設計，以及纖維、多孔結構、負泊松比結構等聚合物結構設計，實現了傳感器性能的精準調控。同時，團隊還提出了多層級結構與變形控制協同設計方法，為同時提升傳感器靈敏度和量程提供了新思路。

在應用方面，團隊初步實現了橡膠類傳感器在人機交互界面、人體運動狀態監測及航天航空結構健康監測等方面的應用驗證。特別是在大型客機艙門密封結構界面監測和柔性變體飛行器變形監測方面，團隊的研究成果展現出了巨大的應用潛力。

對于未來，團隊表示將繼續在傳感機理模型、性能協同設計方法及應用探索等方面開展深入細致的研究。他們將致力于構建大變形導電復合傳感器的宏微觀傳感機理模型，揭示多層級結構與力電性能的內稟關聯機制，并探索結構驅動的傳感器逆向設計方法和結合人工智能算法的多點全場參量解耦及實時反饋技術。

此次研究成果的取得，不僅展示了北理工在柔性復合材料傳感器領域的科研實力，也為智能制造和先進裝備的發展提供了有力的技術支撐。相信在方岱寧院士先進結構技術新思想的引領下，北理工團隊將在該領域取得更多創新性的研究成果，為國家的科技進步和產業升級做出更大的貢獻。

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