北京理工大学杨恒老师小组近期发表在《Acta Mechanica Sinica》（《力学学报》英文版）上的长篇综述“Structure driven piezoresistive performance design for rubbery composites-based sensors and application prospect: a review”被选为Editor's Pick，并在AMS 力学学报英文版公众号进行了重点报道。这一工作是对课题组近几年在传感监测方面研究工作进展的总结。文章信息如下：Jiachen Shang, Heng Yang*, Xuefeng Yao, Haosen Chen. Structure driven piezoresistive performance design for rubbery composites-based sensors and application prospect: a review. Acta Mech. Sin. 40, 423211 (2024). https://doi.org/10.1007/s10409-023-23211-x。

【编辑荐语】

结构、功能、传感的一体化是智能制造和先进装备的未来！结构健康、功能高效、传感精准不仅将提升它们的重大应用价值，而且为大数据采集与进一步的优化，机械系统的智能化设计提供研究基础。以柔性复合材料对应变及应力传感器高灵敏度、大应变、宽温域、多形式的要求为发展契机，金沙威尼斯的陈浩森教授、杨恒副教授团队和清华大学航天航空学院的姚学锋教授合作，采用导电橡胶类复合材料，通过揭示其结构-性能关系，发展相应的力电传感模型，设计并实现了该类型传感器在灵敏度、量程、线性度和稳定性方面的协同提升。该技术有望应用于人机交互界面、人体运动状态监测及航天航空结构健康监测等事关国家重大需求和国民健康的领域。（魏宇杰）

【研究背景】

近年来, 柔性复合材料应变及应力传感器因其灵敏度高、应变范围大、形式多样等显著优点引起研究人员的广泛关注，其在可穿戴电子、智能机械、结构健康监测等领域有着重要的应用价值。同时,这些应用领域使用环境存在大变形、高低温等特点，对柔性传感器的性能要求更为苛刻。如何建立导电橡胶类复合材料的力电传感模型，揭示结构-性能的依赖关系，进而突破导电橡胶类复合材料柔性传感器灵敏度、量程、线性度和稳定性协同提升的瓶颈问题是该领域极具挑战性的工作。

图1. 柔性应变/压力传感器的应用领域：（a-c）生物信号监测，（d-f）智能机器人，（g-i）人机交互系统，（j-l）结构健康监测。

【研究进展】

设计和调控大应变橡胶类复合材料传感器力电性能的关键是宏微观结构的设计。开展结构设计的前提是获得复合材料传感性能的构效关系和传感机理模型，从而为该类柔性传感器性能设计提供指导。理论方面，基于隧道效应和导电网络的应变电阻模型已经建立；团队建立的考虑黏弹性的应变电阻模型和力电耦合数值预测模型实现了加卸载全过程的传感性能表征和非线性力电行为预测（Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2020, 139: 103943；Composites Science and Technology, 2018, 167: 371-378）。传感性能设计方面，基于内部导电网络设计、宏观复合结构设计及表面导电层结构设计的传感性能调控方法已经初步建立，具体包括交联网络、互联网络、隔离网络、三维模板网络以及双互联网络等内部导电网络设计；纤维、多孔结构、负泊松比结构等聚合物结构设计和裂纹结构、褶皱结构、鱼鳞状结构屈曲结构等导电层设计。团队提出的多层级结构与变形控制协同设计方法为同时提升传感器灵敏度和量程提供了思路（Composites Science and Technology, 2023, 240:110078；Composites Part B: Engineering, 2023, 264:110931；Composites Science and Technology, 2022，221 : 109308；Composites Science and Technology, 2020, 200: 108474）。应用方面，橡胶类复合材料传感器在人机交互界面、人体运动状态监测及航天航空结构健康监测方面等方面的应用已经开展了一些初步的工作。团队初步实现了橡胶类传感器在大变形密封结构界面内部性能在线监测方面的应用验证（Polymer Testing, 2021, 96:107089；Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2019, 118:171-178；Composites Science and Technology, 2018, 167: 371-378）。

图2. 导电橡胶类复合材料传感器的力电响应预测

图3. 导电橡胶类复合材料传感器网络构型调控

图4 基于导电橡胶类复合材料传感器的结构健康监测

【未来展望】

综上，研究人员在方岱宁院士先进结构技术新思想的启发下，开展了先进结构驱动的柔性复合材料传感器性能设计及应用研究。基于橡胶类柔性传感器已经在理论模型、性能调控设计及工艺实现等方面已经取得了一些显著进展，并推动了其在大型客机舱门密封结构界面监测和柔性变体飞行器变形监测方面的应用。但考虑到此类传感器力电响应的非线性、性能设计的多因素耦合特性、应用环境的复杂性等关键问题，该领域仍亟待在传感机理模型、性能协同设计方法及应用探索等方面开展深入细致的研究。大变形导电复合传感器的宏微观传感机理模型、多层级结构与力电性能的内禀关联机制、结构驱动的传感器逆向设计方法、结合人工智能算法的多点全场参量解耦及实时反馈等是下一步研究的重点。