国产精品igao视频网网址不卡日韩,亚洲综合在线电影,亚洲婷婷丁香,黄色在线网站噜噜噜

  隨著人口老齡化加劇和健康意識的提升，可穿戴醫療設備與智能康復器械的需求日益增長。柔性壓力傳感器作為核心部件，被廣泛應用于人體運動監測、康復訓練力反饋、人機交互等領域。然而，傳統傳感器面臨諸多挑戰，如檢測范圍有限，靈敏度與承載能力之間存在固有矛盾；制造工藝復雜，成本高昂；長期使用中易出現信號漂移或結構損壞。在康復訓練場景中，現有傳感器難以在高強度、高頻率的負荷下保持穩定性能。因此，開發一種兼具高靈敏度、寬檢測范圍、優異機械耐久性和低成本制造工藝的柔性傳感器，成為該領域的研究熱點與技術瓶頸。

  東北林業大學李健教授團隊與哈爾濱工業大學趙偉副教授基于負泊松比效應，以TPU/MWCNTs復合材料為耗材，使用激光燒結技術制備了弧形蜂窩柔性壓力敏感元件（AHPSE），以用于人體康復訓練中的力量檢測。該研究利用負泊松比效應，使得AHPSE在縱向壓縮過程中橫向收縮，促進碳納米管導電網絡的形成，在宏觀上建立了負泊松比結構參數與彈性模量、泊松比之間的理論表達式，為宏觀壓阻性能調控提供了可量化的設計依據。實驗結果表明，與傳統的敏感元件結構相比，AHPSE檢測范圍為0.039-2200 kPa、靈敏度為0.028-9.912 kPa^-1、響應/恢復時間約是50 ms和66 ms，耐久性良好（約3735次循環）。該柔性壓力敏感元件的結構不僅增強了傳感器的承壓性能，還提高了傳感器的檢測范圍，在人機交互、人體生理信號監測和智能醫療診斷等領域具有很大的應用潛力，為制造高性能和低成本的柔性壓力傳感器提供了一個策略。

  相關研究以“Flexible piezoresistive sensing device with integrated design and fabrication for health monitoring”為題，發表于《Chemical Engineering Journal》期刊。

研究創新點

  本項研究聚焦于激光燒結TPU/MWCNTs復合材料，結合負泊松比結構，創新點如下：

  1.設計并提出了一種新型壓力敏感元件（AHPSE）。其弧形蜂窩結構顯著改善了結構的承壓性能、應力分布等力學性能。基于該結構，理論推導出幾何參數與傳感性能的定量關系，為傳感器結構與性能的耦合設計提供了新思路。

  2.僅采用選擇性激光燒結（SLS）成型技術，成功制備柔性NPR結構，大幅簡化柔性傳感器的制備流程與技術要求，為推動柔性傳感器的工程應用提供了技術路徑。

  3.本研究制備的柔性壓力敏感元件具有檢測范圍廣（0.039-2200 kPa）、耐久性高（3,735次循環）、滯后率小（7.5%）等性能優勢。該傳感器能精確檢測人體各部位（如手腕、膝蓋、步態及手指）的運動信號，在康復訓練力量監測、人機交互及醫療診斷領域展現出應用潛力。

領先制造工藝：選擇性激光燒結技術（SLS）

  團隊采用選擇性激光燒結（SLS）技術，使用熱塑性聚氨酯（TPU）和多壁碳納米管（MWCNTs）復合粉末材料，實現了傳感元件的一體化成型制造。這種先進制造工藝可實現復雜三維結構的精確制造，保證產品一致性和質量穩定性。

圖1 制備工藝

結構提出：建立結構參數與壓阻性能之間的關系

  團隊從宏觀結構設計入手，創新性地采用弧形蜂窩負泊松比結構（AH 結構），有效規避了傳統直桿型結構在彎曲變形能力差和應力分布不均方面的不足。通過理論建模，建立了關鍵結構參數（θ，d，l，b）與彈性模量（E）、泊松比（υ）之間的解析表達式，揭示了宏觀結構與力學性能之間的定量關聯。研究發現，AHPSE的壓阻性能與結構參數存在定量關系，通過減小θ、d和l，同時增大b，可顯著提升其壓阻響應性能。這一發現為實現壓阻性能的定向優化提供了明確的結構設計準則，為開發高性能柔性傳感材料奠定了理論基礎。

圖2 弧形蜂窩結構的靜態力學參數與角度θ的關系

圖3 參數對壓阻性能的影響

負泊松比效應：促進壓阻性能

  通過掃描電鏡觀察和宏觀理論分析，團隊揭示了AHPSE傳感器優異性能背后的微觀機制：MWCNTs作為導電填料分散在TPU基體中，TPU的軟段提供柔性，硬段增強力學強度。激光燒結過程中，TPU熔化促使MWCNTs重新分布并形成連續導電通路。當碳管間距小于隧穿效應有效距離時，形成有效電阻，構成導電網絡。該網絡的等效電阻由有效MWCNTs段電阻與節點電阻共同決定。在受壓過程中，不同于傳統正泊松比結構，具有負泊松比特性的AHPSE發生橫向收縮，孔隙減少，MWCNTs向結構中心聚集并形成新的點接觸和面接觸，間距進入隧穿有效范圍，電導率顯著上升，宏觀表現為高靈敏度。當壓縮率達到40%時，結構進入致密化階段，MWCNTs形成密集滲流網絡，導電機制由隧穿傳導轉為歐姆傳導，靈敏度下降。負泊松比效應有效避免了傳統結構因橫向膨脹導致的碳管分離和通路斷裂問題，為寬范圍穩定傳感提供了結構支持。

圖4 TPU/MWCNTs壓阻敏感元件的工作原理示意圖

圖5 TPU/MWCNTs負泊松比壓阻敏感元件的微觀圖

AHPSE性能的檢測與應用

  經過結構優化（θ=45°, d=0.6, b=4.5, l=7.0）和大量實驗驗證，AHPSE展現出良好的綜合性能：AHPSE在不同壓力區間表現出相適應的靈敏度（超低壓區間為9.912 kPa^-1，低壓區間為3.855 kPa^-1，中壓區間為0.175 kPa^-1，高壓區間為0.029 kPa^-1），檢測范圍為0.039-2200 kPa，遲滯率控制在7.5%，響應時間為50 ms，恢復時間66 ms，具有卓越耐久性。

圖6 經結構優化后AHPSE的壓阻性能

圖7 不同壓力（30、200和550 kPa）下的循環試驗

圖8 厚度不同的AH結構的變形行為

應用實踐：從實驗室到實際場景

  團隊將AHPSE應用于多種康復訓練場景，取得了顯著的效果：可精確識別不同角度的手腕彎曲，實時反饋訓練強度和幅度，為康復進度的評估提供量化數據；可以進行膝關節康復訓練，監測屈伸運動的全過程，識別不同運動階段的特征信號，為康復方案的調整提供依據；能夠分析步態，監測步行姿態；同時可進行手勢識別與人機交互。

圖9 AHPSE的應用

總結

  該團隊提出的基于激光燒結技術的負泊松比壓力敏感元件，巧妙的結合了結構設計和先進的制造工藝，打破傳統技術的局限，實現了高性能與低成本的統一。在結構方面，理論建模與仿真分析結合，引入弧形桿避免應力的局部集中；在制備工藝上，使用激光燒結技術，調節工藝參數使結構具有孔隙率的同時又簡化制備工藝，在多個領域展現出廣泛應用潛力。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.168600

第一作者簡介

  趙文，東北林業大學機電工程學院，副教授，碩士生導師。主要圍繞增材制造技術、機電一體化技術與非標智能生產線開展研究。在國內外相關學術領域累計發表論文二十余篇，參與出版專業教科書兩本，授權俄羅斯國家發明專利7項，實用新型專利1項。

通訊作者簡介

  李健，東北林業大學機電工程學院，教授，博士生導師，副院長，機械專業學位碩士負責人。中國林學會高級會員，黑龍江省機械工程學會增材制造專委會秘書長，東北林業大學3D打印材料與技術研究中心主任。主要從事林果采摘裝備、仿生機器人、增材制造技術等方向的教學與研究工作。先后主持國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目2項、中國博士后特別資助項目、黑龍江省自然科學基金優青項目、中央引導地方項目、黑龍江省重點研發項目等10余項科研課題。曾獲省部級科技獎勵3項，發表論文50余篇，授權專利30項，出版教材、專著4部。現兼任黑龍江省機械工程學會增材制造專委會秘書長，《林業科學》、《森林工程》等期刊青年編委等。