自感型功能結構研究前沿與展望

馮毅雄，李普衍，邱皓，曾思遠，譚建榮

【專題：智能制造時代的設計理論、方法與技術】

自感型功能結構研究前沿與展望

馮毅雄1,2，李普衍1,2，邱皓1,2，曾思遠1,2，譚建榮1,2

（1.浙江大學 a.流體動力與機電系統國家重點實驗室 b.設計工程及數字孿生浙江省工程研究中心，杭州 310027；2. 湖州綠色智能制造產業技術研究院，浙江 湖州 313000）

對自感型功能結構的研究進展進行歸納和分析，并對其發展前景進行展望。定義自感型功能結構的概念，分析自感型功能結構的設計流程，揭示自感型功能結構的內涵，并從敏感材料、制造方法、響應激勵3個視角對自感型功能結構設計的研究進展進行分類，證明其可以通過元胞性能設計、基元構型制造和序構綜合調控的設計方法進行制備并應用于實際場景中，實現結構—功能的一體化。歸納了自感型功能結構的設計與制造研究進展，總結了自感型功能結構的重點技術和在不同領域的突出性成果，結合自感型功能結構的概念內涵，對其在機械、材料、生物等領域的應用進行了展望。自感型功能結構可以對本體和環境的變化進行感知，按照設計好的特定方式發生功能或性能的變化，具有結構構型高效、感知對象多樣、感知元件集成等特點，在相關領域中具有廣闊的應用前景。

功能結構；環境感知；傳感器；設計方法；先進制造技術

自感型功能結構是一種依據預設意圖在產品微宏觀結構上同時實現形態或性能演變的結構—功能一體化結構與具備感知能力的可設計智能結構。在傳統意義上，功能結構具有比應變大、比強度高等優點，可以同時滿足高剛度、高強度和高穩定性等極端服役性能需求。隨著軟體機器人和柔性電子領域的發展，對功能結構提出了對環境激勵及本體激勵具備自我感知能力的需求。具備自感知本體及環境變化能力的功能結構應運而生，其具有結構高效化、重量輕質化、感知集成化的獨特優勢，在健康監測[1-3]、植入式醫療[4-5]、機器人感知[6-7]等領域具有潛在的應用前景。本文對自感型功能結構設計與制造的研究進展進行了綜述，并對其應用前景提出展望。

1 自感型功能結構的定義與內涵

1.1 自感型功能結構的定義

功能結構首次出現在20世紀70年代，美國哈佛大學Simon教授利用功能結構設計了靜脈腔除栓器。隨著設計理念、新型材料和制造技術的進步，功能結構由整體化功能拼接、一體化功構互融向智能化結構自感知方向發展。自感型功能結構指在材料或結構上創新從而對結構本體及外界環境變化感知并做出響應的功能—結構一體化的可設計智能結構，其研究主要集中在2個方面：一方面是制備新材料應用的自感型功能結構，如炭黑[8-10]、碳納米管[11-12]、石墨烯[13-15]、MXenes[16-17]和納米線[18]等納米導電材料，氧化鋅[19-20]、氮化鎵[21]和壓電陶瓷[22-23]等壓電材料；另一方面是在現有材料上研發新構型的自感型功能結構，如花粉狀層級結構[24]，TPE基碳納米管3D網絡結構[25]，蛛網啟發的裂紋結構[26]等微結構。

1.2 自感型功能結構的設計流程

對于自感型功能結構，其分類與設計制造流程見圖1。無論是制備新材料應用的智能結構還是在現有材料上研發新構型的自感型功能結構，其設計流程都具備如下4個步驟[27-28]。

1）自感型功能結構的材料組分設計。根據設計經驗或是創新性的發現選擇實現感知的敏感材料和基底材料組分，根據材料組分配比與感應元胞的映射關聯機理，有效利用不同材料間相互作用規律，使材料的選擇和分配滿足結構的功能需求。

2）自感型功能結構的元胞性能設計。自感型功能結構的元胞是通過具有響應功能材料制備，能實現自感知性能特性的最小單元。元胞性能設計以材料本構模型為中心，對單一敏感材料和基底材料建立材料特征模型，側重于表達單一材料或經典組分功能結構對激勵的響應信息。有效表征外界激勵或本體激勵下自感型功能結構的元胞性能，使自感型功能結構的元胞變形模式能很好地用計算機加以形式化表達。

3）自感型功能結構的基元構型制造。自感型功能結構的基元是由若干元胞按照功能需求定向排布組成的能實現簡單功能的功能—結構一體化智能結構。根據問題建模與計算求解方法，在設計過程中輔助設計者建立整體功能模型，通過設計方法對感應元胞進行組合布局，揭示功能基元宏觀性能與變形元胞微觀結構間的構效關系，采取和材料、基元構型匹配的制造方法加以制備。

4）自感型功能結構的序構綜合調控。自感型功能結構的序構是由若干基元組合而成，其對本體和環境激勵的感應與響應具有次序，能實現復雜的功能。設計人員根據設計經驗，依據性能需求選擇功能基元響應的時間序列，功能基元按照一定的規律相互嵌套排列形成滿足性能的自感型功能結構。根據基元構型設計區域與響應感知性能的時空分布和構造機理，通過功能基元最優布局和時間序列最優構型約束，對序構進行綜合調控，實現自感型功能結構的空間序構調控。

圖1 自感型功能結構的分類與設計制造流程

1.3 自感型功能結構的內涵

自感型功能結構涉及機械、材料、力學、電子、生物和計算機等多學科領域，各個領域之間并不是獨立的堆積，而是有機融合協調。自感型功能結構的敏感材料在溫度、壓力、磁場等外界激勵或是拉伸、彎曲、扭轉等本體激勵下，產生的物理、化學信號響應和變化需要被合理地采集、處理并分析。這就要求在設計過程中解決其中不同學科的難點，實現對自感型功能結構有針對性及可預測性的響應，統籌規劃其設計過程。其主要需要解決3個科學問題。

1）自感型功能結構的元胞性能空間分布和構造機理：描述、深化與應用的過程，研究自感型功能結構感知元胞的獲取、建模與演化，實現基于變胞演變的計算機輔助自感型功能結構創新設計。

2）自感型功能結構功能基元制造：功能基元能夠實現自感型功能結構的基礎功能，實現功能基元的制造也就具備了復雜自感型功能結構制造的基礎。需要明晰變形元胞幾何構型的起源及其關鍵功能基元，通過先進制造技術制造功能基元。

3）自感知功能基元序構調控：應用飛速發展的大數據、智能材料技術和人工智能技術，實現可設計的自感型功能結構的性能仿真，在時間序列上確定功能基元綜合與單獨應用時的響應，并實時監測自感型功能結構的感知和響應狀態。

2 自感型功能結構的元胞性能設計

2.1 自感型功能結構元胞的分類

自感型功能結構由于其在柔性驅動器、可穿戴設備、疾病監測預防等領域的潛在應用，因此得到了廣泛的研究[29]。自感型功能結構的最小組成單位為元胞，現有的研究包含了不同的元胞種類，可以分為3種主要類型[30-31]。

1）基于壓電材料的自感型功能結構元胞，利用了壓電材料的壓電效應。在受到外界壓力時，材料內部會產生電荷。通過采集、分析電信號，實現元胞的自感知功能。

2）基于電容材料的自感型功能結構元胞，利用了柔性電極間的電容效應。柔性電極通常被涂覆在彈性體電介質的兩面，當彈性體受到形變激勵時，柔性電極間的間距發生變化，從而改變電容。通過電容變化，采集、分析電信號實現結構的自感知功能。

3）基于液態金屬材料的自感型功能結構元胞，利用液態金屬材料的壓阻效應來感知元胞的變形。這類液體材料通常被封裝在微流道中，當微流道發生拉伸、彎曲等形變時，迫使內部不可壓縮的導電液體發生變形，從而產生電阻變化。通過電阻變化，采集、分析電信號實現結構的自感知功能。

2.2 壓電材料的自感型功能結構元胞

第1種類型的自感型功能結構元胞使用壓電材料作為敏感材料，實現元胞的自感知。常見的壓電材料如氧化鋅（ZnO）[19-20]、氮化鎵（GaN）[21]、壓電陶瓷[22-23]等，具有大壓電常數，寬線性范圍，較高固有頻率，高電阻率和大介電常數等性能[32]。

Liao等[33]設計了一種基于納米發電機的自感型功能結構元胞，元胞的納米發電機利用ZnO制成的壓電細線作為敏感元件，在其外側布置了嵌入銅線的PDMS層，用于傳遞應變，在其內側布置了銦錫合金層和銅電極，用于固定壓電細線的位置并傳遞電荷信號，由此實現元胞的自感知功能，見圖2。

圖2 基于納米發電機的元胞設計

此外，通過將親水性羧甲基纖維素（CMC）懸浮液和石墨烯（G）納米顆粒混合得到的水性碳基導電油墨，也被證明可用于壓電式的元胞設計中[34-35]。Sinar等[35]以石墨納米顆粒和G–CMC作為導電材料，外部覆以高分子材料，使用叉指電極刻印，將ZnO和PDMS復合物作為壓電材料涂在G–CMC基底表面。該元胞設計具有良好的低頻和高頻性能，且材料對環境的污染較小。

此外，感知元胞設計還可通過集成非常規壓電材料的材料，使其具有基于壓電特性的自感知功能，這一創新突破了原有的壓電材料限制。Wu等[36]設計了一種基于柔性集成電磁器件的自感型功能結構元胞。元胞的柔性集成電磁器件包括2部分，一部分是由釹鐵硼粉末、TPU粉末和氣相二氧化硅均勻混合，打印得到的多孔結構；另一部分是由不銹鋼粉打印得到的雙層板螺旋夾芯結構。TPU基底的多孔結構具有彈性，因此柔性集成電磁器件可以很容易地壓縮然后迅速恢復。在外力驅動的壓縮–恢復循環中，不銹鋼粉末制成的螺旋結構中磁通量會產生相應的變化，從而根據電磁感應原理在雙板上產生電勢差。通過測試得到壓力–應變曲線和應變–電勢差曲線并對信號加以處理和分析，可實現元胞的自感知，見圖3。

圖3 基于柔性集成電磁器件的元胞設計

2.3 電容材料的自感型功能結構元胞

第2種類型的自感型功能結構元胞使用電容材料作為敏感材料，實現元胞的自感知。用于實現感知功能的電容材料多為導電材料制成的聚合物，導電材料包括石墨烯[13-15]，炭黑[8-10]，納米線[18]，碳納米管[11-12]等，聚合物基底包括硅基聚合物，乙烯基聚合物等。

Sharma等[37]設計了一種以混合離子納米纖維膜為敏感元件的自感型功能結構元胞。設計的元胞以具有金涂層的PDMS作為電極層，將混合離子納米纖維膜夾在兩層電極層之間，形成夾芯結構。元胞的混合離子納米纖維膜由PVA、LS和MXene納米片3種材料合成，其中MXene表面的功能層通過氫鍵捕獲離子，能降低元胞電極層的初始電容。當PDMS受到了外界壓力刺激時，膜內粒子因受到迅速增加的場強而移動，使得電極層的電容產生顯著變化，能在較寬的線性范圍（0～30 kPa）內表現出很高的靈敏度（5.5 kPa–1），見圖4。

Zhang等[38]設計了一種基于碳潤滑脂的自感型功能結構元胞。碳潤滑脂是一種將碳納米顆粒溶解于有機溶劑中制成的高粘度液體。設計的元胞利用碳潤滑脂作為柔性電極，將其涂抹在具有中空腔室的硅橡膠（Ecoflex 30）結構外表面，并在柔性電極外側再涂覆一層硅橡膠保護層。所設計的功能結構元胞具有較高的靈敏度和良好的線性范圍，見圖5a—5b。Wang等[39]設計了一種基于碳纖維聚合物的自感型功能結構元胞。這一復合材料層的制備主要步驟包括將35 wt%的碳纖維粉末添加到未固化的聚二甲基硅氧烷中，并在砂紙上固化成型。將復合材料層作為電極層，中間填充純的PDMS作為夾芯，測量并分析壓力刺激時電極層間的電容變化，由此實現元胞的壓力感知，見圖5c—5d。

此外，還有一種基于紡織物的電容材料，這種材料通過編織、刺繡技術將導電紗線嵌入織物結構中制備。應用這一電容材料的自感型功能結構元胞具有靈敏度高，魯棒性好的優點。Atalay等[40]設計了一種基于導電紡織物的自感型功能結構元胞，將導電紡織物（Shieldex M–130）粘附在硅膠電介質層（Ecoflex 30）的兩面，構建電極層。在受到外力拉伸時，電介質層橫截面積縮小，帶動導電紡織物制成的電極層間距縮短，電容發生改變，從而實現元胞的自感知功能，見圖6。

圖4 基于混合離子納米纖維膜的元胞設計

Fig.4 Cell design based on mixed ion nanofiber membrane

圖5 基于導電聚合物的元胞設計

圖6 基于導電紡織物的元胞設計

2.4 液態金屬材料的自感型功能結構元胞

第3種類型的自感型功能結構元胞使用液態金屬作為敏感材料，實現元胞的自感知。用于實現感知功能的液態金屬主要是鎵基合金，包括鎵銦合金和鎵銦錫合金等[41]。

鎵基合金在室溫下或室溫附近呈現出液態，是熔點較低的金屬材料，具有高導熱性、高導電性、低粘度和優越的流動性。由于大塊的液態金屬受其表面張力的影響而不易利用，通常將其封裝在微流道中或是用打印技術打印在柔性基底上[42-44]。當微流道發生拉伸、彎曲等形變時，迫使內部不可壓縮的導電液體發生變形，其長度和橫截面改變。由于其滿足歐姆定律，其電阻變化和拉伸、彎曲應變存在映射關系[45]。Kim等[46]設計了一種能進行低壓檢測的自感型功能結構元胞。該元胞利用三元鎵基合金Galinstan作為敏感材料，將其注入失蠟制造技術所制造的彈性體微流道中，并在微流道上方通過熔融沉積成型技術集成了剛性的微凸點陣列。該元胞設計能夠感知外界對其施加的壓力，且具有極低的檢測極限（≈16 Pa）和在低壓范圍內的靈敏度。在循環壓力的加載下，信號表現出良好的重復性和穩定性，見圖7。

Sun等[47]設計了一種能檢測力輸入幅值和方向的自感型功能結構元胞。該元胞利用鎵銦合金eGaln作為敏感材料，用液態金屬打印機將eGaln圖案打印在塑料薄膜上，通過低溫使液態金屬固化，然后轉移到硅橡膠基底上并封裝。其中eGaln微流道圖案被設計為均勻的三等份，用于檢測外界力激勵的幅度和方向。同時，這種元胞的微流道結構設計放大了信號響應，從而提高了元胞的感知靈敏度，見圖8。

Tapia等[48]設計了一種能感知柔性表面變形的自感型功能結構元胞。該元胞利用共晶鎵銦作為敏感材料，將液態的共晶鎵銦和未固化的硅酮混合，加壓注射在彈性體表面的微流道中，并等待其固化。以該元胞為最小單元，在仿真中初始生成元胞的分布集合，然后通過多目標優化選擇合適的元胞子集。這種元胞構成的子集能感知彈性體表面諸如彎曲、按壓導致的變形并進行三維重建，從而實現功能結構的自感知功能，見圖9。

圖7 低壓范圍自感知的元胞設計

圖8 輸入力幅值與方向自感知的元胞設計

圖9 柔性表面變形自感知的元胞設計

3 自感型功能結構的基元構型制造

自感型功能結構的設計過程中，制備自感型功能結構是重要的一環，功能基元是能夠實現自感型功能結構感知的最基礎結構，實現功能基元的制造就能實現自感型功能結構整體的制造。功能基元的自感型功能結構基元的制備方法和工藝與功能結構所采用的材料有緊密聯系，根據上文提出的壓電、電容、液態金屬3類材料，其對應的制備方法主要包括鑄模澆筑、絲網印刷、3D打印、失蠟成型、光刻成型等[49-51]。由于自感型功能結構的元胞結構尺度較小，通常為微米級，且其內部結構較為復雜，如花粉狀層級結構[24]，TPE基碳納米管3D網絡結構[25]，蛛網啟發的裂紋結構[26]等微結構，因此對制備工藝的精度要求較高[52]。該小節針對壓電材料和電容材料常用的3D打印方法和液態金屬材料常用的微流道制造方法這兩種重要的制造工藝進行了歸納總結。

3.1 自感型功能結構功能基元的3D打印制備方法

3D打印是自感型功能結構的常見制備方式，作為一種新興的增材制造技術，可實現復雜立體結構的一體式快速打印制造[43]。針對不同的打印原理，3D打印方法可細分為基于光聚合、材料擠出、薄片層壓、粘合劑噴射、動力床融合和直接能量沉積等一系列打印方法，具有可制造復雜結構，可結合新型材料，操作靈活簡單等優點[53-55]。鑒于上述優秀的特性，目前在機械制造領域被用于金屬加工工藝[56-57]，在生物醫療領域被用于打印器官芯片[58]、類腦組織和神經細胞[59]，在化學、建筑等多個領域具有巨大潛力[60-61]。

在3D打印技術中，熔融沉積成型（FDM）是最經濟的方法，該方法將熱熔性材料通過加熱的噴嘴熔融擠出，同時通過步進電機驅動噴嘴在平面上逐層打印，最終形成三維結構[53]。由于熔融沉積成型方法需要將材料從噴嘴擠出，所以用于自感型功能結構基元制造的敏感元件材料需預先將材料制成長絲。Kim等[62]和Christ等[63]采用多壁碳納米管（MWCNT）和熱塑性聚氨酯（TPU）混合制成的打印材料，通過熔融沉積成型的方法制造基元。制造的基元不僅具有優秀的可拉伸性和層間粘合性，在外力的作用下也表現出可通過建模預測的壓阻特性，見圖10a。Lee等[64]和Kim等[65]采用聚偏氟乙烯（PVDF）通過集成的熔融沉積和電暈極化技術制造基元。這種技術通過帶電針和柵極產生和控制的高電場促進了加熱環境下PVDF分子鏈的偶極矩排列。制造的基元具有壓電性能，電壓越高，電活性最高的β相含量越大，產生的電流輸出和壓電系數越大，見圖10b。

墨水直寫式打印（DIW）使用氣動噴嘴或注射器噴嘴擠出具有流變特性的可打印墨水，自底向上逐層制造幾何結構。與熔融沉積成型相比，DIW打印成型的基元具有更復雜的結構，更高的精度和效率[54]。Yan等[66]運用了Vaseem等[67]制備的一種銀油墨溶液，將其作為DIW的打印墨水來打印基元電極。在銀電極的基礎上，利用聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDDA）材料制成的墨水打印傳感層，用于感知空氣濕度的變化。制造的基元在響應時間和遲滯方面表現出優秀的性能，且相對濕度從10%到90%，可獲得大于99%的傳感響應，見圖10c。Chen等[68]利用2種PDMS材料（Sylgard184和SE1700）制成了具有高粘度的墨水并通過DIW技術打印基元。因為墨水具有高粘度，所以制造的基元具有更好的形狀保持能力和更高的機械強度。Peng等[69]和Valentine等[70]均采用了包含DIW打印技術的混合打印工藝用于基元的制造。前者將數字光處理打印（DLP）和DIW集成，可以使用多種墨水和樹脂打印機械性能可調、層間粘合性好的復合材料；后者將自動拾取、放置技術和DIW集成，使任意形狀的基元可以被制造并且可陣列，見圖10d和圖10e。

圖10 熔融沉積法和墨水直寫法

3.2 自感型功能結構的微流道制造方法

在基于液態金屬材料的自感型功能結構基元設計中，需要將液態金屬封裝在制造的基元中，因此需要考慮微流道的設計。其設計方法具有多樣性，微流道的制備也擁有多種方法，其中最主要的是鑄模澆筑和失蠟法2種。

鑄模澆筑是預先用其他容易成型的材料做成零件結構形狀的模具，再在模具空腔中澆注流動性液體，該液體冷卻凝固之后就形成和模具形狀結構完全一樣的零件，在金屬成型領域具有廣泛的應用。由于基于液態金屬材料的自感型功能結構多為硅基，而硅樹脂打印在商用的3D打印機中通常難以實現，因此在制造基元的硅樹脂基底時，常采用鑄模澆筑的工藝，見圖11a。Park等[71]在一種層狀序構設計中應用了鑄模澆筑的工藝，利用3D打印技術制造模具，將與AB膠混合后的硅橡膠倒入模具在60℃下快速固化并脫模。然后將敏感材料eGaln注入模具中成型的3層PDMS層的微流道中，并進行封裝。設計的3層微流道結構分別為一對正交的應變柵結構和同心圓結構，在受到拉伸應變和軸向壓力時分別表現出較大的響應，感知，軸2個方向的拉伸應變和軸的壓力，從而實現三軸應變的自感知。

失蠟法一度被廣泛應用于復雜金屬鑄件的制造中。在中國古代，工匠利用失蠟法制造了精美的青銅器[72]。在最近的研究中，失蠟法被用于氣動手爪和微混合器的制造[73-75]。由于自感型功能結構基元的微流道尺度較小，結構復雜，而常規的3D打印方式難以滿足中空結構的制造，因此在基元制備過程中，將微流道以可溶性材料填充，以支撐微流道上層的結構。填充的可溶性材料在基元制備完成后去除，形成中空的微流道，見圖11b。Hamidi等[76]使用硅樹脂（Ecoflex10）制造基元基底，在微流道處打印犧牲材料（Carbohydrate Glass）后繼續打印用于封裝基元的硅樹脂，將基元置于水中去除可溶的犧牲材料，得到具有微流道層的基元。Kim等[46]利用聚乙烯醇（PVA）的水溶性，將其填充打印在硅基的微流道中，并在其上打印了聚乳酸（PLA）材料的剛性陣列，用水侵入基元去除PVA，得到具有高精度的中空微流道結構。

圖11 工藝流程

4 自感型功能結構的序構綜合調控與應用

自感型功能結構的空間序構調控即是自感型功能結構設計制造的最終步驟，其滿足所有的設計需求。對空間序構而言，如何實現時間序列上的感知與響應和應用過程中的監測是其研究重點。具備自感知能力的功能結構具有傳統功能結構不具備的獨特優勢，在健康監測領域，由于其良好的可拉伸性和輕便性，可用于長期監測病人脈搏、體溫、皮膚接觸壓力等生理指標[1-3,46]。在機器人感知領域，既可用于傳統剛性機器人末端執行器關節角度的感知，也可用于軟體機器人基于各種原理的致動器的閉環控制和柔性結構的本體激勵感知[6-7,48]。在運動檢測領域，可用于足底壓力的感知，在此基礎上進行步態識別。為滿足上述多個領域的不同應用，自感型功能結構序構需要感知多種形式的環境變化或本體激勵。該小節對可感知外界壓力激勵、本體拉伸變形和本體彎曲變形3種自感型功能結構序構進行綜述。

4.1 壓力傳感的自感型功能結構

外界壓力激勵是自感型功能結構序構常見的感知對象。其中，液態金屬可單獨作為感知壓力的序構敏感材料。Wong等[77]提出了一種5×5陣列的空間序構，其表面具有柔順性，可以包覆于人的手指用于觸覺感知，在低負載下具有較好的靈敏度。Gao等[78]提出了一種采用惠斯通電橋結構的空間序構，其中封裝的液態金屬在外力負載下會流到不同的流道，實現不同次序、不同大小的時空響應。另一種基于壓阻效應的序構應用炭黑、石墨烯、碳納米管和液態金屬等導電材料與硅基聚合物混合，形成固態的微通道[79]。Liu等[80]設計了一種基于截齒狀凸臺的層狀序構，將石墨烯納米顆粒與PDMS混合制成敏感層用于感知截齒狀凸臺傳遞的壓力應變。Tapia等[48]利用液態金屬和硅橡膠復合材料，設計了一種壓阻式的網絡狀空間序構，可通過最優化算法提升其感知的精確性。還有一種應用新型材料的3D導電海綿壓力感知序構分類由Ding等[81]提出。Ma等[82]應用了包覆多壁碳納米管（MWCNTs）和石墨烯的導電聚氨酯（PU）海綿制作壓阻式的3D海綿狀序構，在外部壓力（0～5.6 kPa）和大應變范圍（0%～75%）下表現出優秀的相對抗性變化和傳感性能。Li等[83]采用殼聚糖（CS）對聚氨酯（PU）海綿骨架進行處理得到帶正電荷的CS@PU海綿，然后浸涂帶負電荷的MXene片材，制備了具有檢測小和大壓力信號潛力的3D海綿狀序構，其快速響應時間僅為19 ms。

4.2 拉伸傳感的自感型功能結構

拉伸變形是最為基礎的本體激勵，實現對本體拉伸變形的感知具有重要意義。基于壓阻原理的拉伸應變自感知序構得到了廣泛研究。Gao等[84]采用Ecoflex和eGaln材料，設計了在拉伸向方向上具有超柔性的拉伸應變自感知序構，最大應變可達550%。Zhang等[85]設計了一種二維的拉伸應變自感知序構，包含硅橡膠絲、共晶鎵銦和氧化皮納米層3層結構，可感知周向應變，具有良好的循環電穩定性。Li等[86]在基于壓阻原理的拉伸應變自感知序構研究基礎上，對拉伸變形下的穩定性和可靠性進行系統研究。然而，基于壓阻原理的拉伸應變自感知序構需外接電源和傳感電路，不利于在可穿戴電子設備上的應用，且外部電源和傳感電路有發生故障的可能性[87-88]。Han等[89]在Wang等[90]的基礎上，合成了一種由PVA、PMR復合材料浸泡NaCl溶液得到的柔性導電水凝膠，將其用于制造原電池結構的拉伸應變自感知序構，可以在無外接電源的情況下靈敏地檢測人體運動，見圖12b。

圖12 感知拉伸變形的序構

另一類感知本體拉伸變形的自感型功能結構基于光感應，見圖12c。Yang等[91]利用一種新型光纖布拉格光柵（FBG）設計了一種能感知周向應變的序構，由熔融沉積方法成型。該序構的波長與拉伸變化呈線性關系，測量靈敏度為0.021 8 nm/mm，最大測量誤差為1.59%，具有良好的感知精度和響應。Sareh等[92]設計了一種具有拉伸感知能力的序構，由光纖組成，基于光纖調節通過光纖內部的光強，再將光強轉換為電信號進行處理和分析實現感知。基于光感應的拉伸變形感知序構具有不受電磁場影響的顯著優點，在電磁干擾環境下具有潛在應用前景[93]。

4.3 彎曲傳感的自感型功能結構

隨著軟體機器人和柔性電子領域的蓬勃發展，基于柔性材料的連續體結構得到了大量的研究。不同于傳統剛性機器人，軟體機器人的自由度具有高度冗余的特征，由此對柔性結構各部分彎曲變形的感知變得十分重要[93-94]。基于壓阻原理的自感型功能結構常被用于感知彎曲變形，見圖13a。Cooper等[95]利用靜電紡絲制作流道的方式設計了一種具有雙螺旋液態金屬纖維的角度變化自感知序構。Liu等[96]和Konishi等[97]設計了集成液態金屬微流道的序構，可應用在軟體機器人末端執行器感知氣動手指的彎曲變形。這一類型的序構在感知彎曲變形時具有制備簡單，應用靈活的特點，但在沒有外接放大電路的情況下，序構感知靈敏度較低[45]。

圖13 感知彎曲變形的序構

基于磁感應的自感型功能結構也被用于感知本體的彎曲變形，通常采用霍爾元件作為敏感元件，見圖13 b。霍爾元件在傳統機器人關節角度感知中已有相當成熟的應用，在柔性電子領域中，已有將鉍[98]、石墨烯[99-100]等層狀材料沉積在柔性基底上的研究。Ozel等[101]設計了一種可感知曲率變化的序構，利用永磁體和霍爾元件，精確感知序構變形時彎曲段的曲率（不過濾固有噪聲情況下，測量曲率和實際曲率的均方根誤差為0.023 cm–1），且能實現無接觸傳感。Granell等[102]提出了磁性薄膜中的平面霍爾效應概念，根據此概念設計的自感型功能結構序構可以有效檢測200 nT的磁場，感知序構微小角度的變形。

5 結語

自感型功能結構是利用新型材料和新基元構型對外界激勵和本體激勵具有感知能力的功能結構。自感型功能結構感知元胞利用材料特性形成了不同類型的微結構構型，實現了最基本的功能—結構一體化。由于應用了壓電、電容材料等新型材料，其基元制備主動迎合新的制造技術，如墨水直寫、光固化等成型原理的3D打印技術和微流道制造技術等，為新型材料的應用和復雜結構、微結構的基元拓撲構型制造開辟了潛在的道路。通過檢測壓力、溫度、電磁場等環境激勵或拉伸、彎曲、扭轉等本體激勵，其空間序構能實現多場景下的環境、本體感知。因此，自感型功能結構具有廣泛適用性的空間序構可被應用于健康監測、植入式醫療、機器人感知、運動檢測等多個領域，且具有結構高效化、重量輕質化、感知集成化等關鍵優勢。

文中綜述的自感型功能結構設計與制造方法有獨特優勢，但仍有一定的局限性。例如，目前的自感型功能結構仍處于迸發階段，其主要依賴于材料的創新進行研究，而其可靠性仍有不足；空間序構的監測方法依賴于擬合和經驗公式，缺乏與其本構關系的構建與人工智能算法的應用，且其控制精度也有待提高。因此，需要通過綜合自感型功能結構的元胞性能設計、基元構型分布配置與序構綜合調控的設計方法，設計求解滿足性能指標的最優自感型功能結構，實現自感型功能結構精確的環境及本體感知與響應，為功能—結構一體化的自感型功能結構設計提供理論依據、方法支撐及工具。

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Frontiers and Prospects of Self-sensing Functional Structure Research

FENG Yi-xiong1,2, LI Pu-yan1,2, QIU Hao1,2, ZENG Si-yuan1,2, TAN Jian-rong1,2

(1. a. State Key Laboratory of Fluid Power & Mechatronic Systems b. Engineering Research Center for Design Engineering and Digital Twin of Zhejiang Province, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China; 2. Research Institute for Green Intelligent Manufacturing Industry Technology of Huzhou, Zhejiang Huzhou 313000, China)

This paper aims to summarize and analyze the research progress of self-sensing functional structure and put forward the prospect of its development. In this paper, the concept of self-sensing functional structure was defined, its design process was analyzed, its connotation was revealed, and the research progress of self-sensing functional structure design was classified from the perspectives of sensitive materials, manufacturing methods and excitation. It is proved that it can be prepared by cell performance design, primitive configuration manufacturing and sequence synthesis control and applied to practical scenarios to realize structure-function integration. As a result, the research progress in the design and manufacture of self-sensing functional structures was summarized, and the key technologies and outstanding achievements in different fields of self-sensing functional structures were summarized. Together with the concept and connotation of self-sensing functional structures, its application in machinery, materials, biology and other fields was prospected. Self-sensing functional structure can sense the changes of ontology and environment, and change function or performance in a specified way as designed. It has the characteristics of efficient structure configuration, diverse sensing objects and integrated sensing elements, and has a broad application prospect in related fields.

functional structure; environmental perception; sensor; design method; advanced manufacturing technology

TB472

A

1001-3563(2022)12-0015-15

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.12.002

2022–01–22

國家自然科學基金（52130501）；湖州市重點研發計劃（2019GZ06）；浙江省重點研發計劃（2022C01196）

馮毅雄（1975—），男，教授，博士生導師，主要研究方向為現代機械設計理論與方法、產品數字化設計與制造、折紙與軟體機器人等。

邱皓（1997—），女，博士生，主要研究方向為折紙工程與夾芯結構設計。

責任編輯：陳作