2026 年 9 月 30 日
一个由英国学者领导的国际工程师团队成功改进了一种医学成像技术，使 3D 打印材料具备感知损伤位置并实时追踪其演变的能力。这项研究为新一代“自我感知”超材料的发展奠定了基础，这类材料通常由复杂的格子结构构成。
未来几年内，此类技术有望应用于医疗植入物、飞机部件及汽车车身等场景。通过详细反馈材料在老化或受冲击时的状态变化，该系统能够监测部件内部因降解或应变产生的损伤。
导电性转化为图像数据
该团队的核心创新在于将碳纳米管融入塑料结构中。通过在附着于材料表面的电极间施加电流，并利用流经碳纳米管的电信号，研究人员采用了电阻断层扫描（EIT）技术来评估材料的结构健康状况。
据团队介绍，发表在《高级功能材料》杂志上的这项新研究，是首次报告利用现场 EIT 技术监测 3D 打印建筑元材料的损坏情况。
EIT 技术在医疗领域常用于无创监测住院患者的肺功能，其原理是通过电极连续测量电流在人体组织等材料中的流动情况。这种非侵入式的测量方式允许重建材料内部图像，从而实现对变化的实时跟踪。
在本次研究中，团队利用 EIT 绘制了实验室设计和打印的结构中电导率的变化图谱。实验对象为横径 48 毫米（约 1.9 英寸）的长方形格子样本。研究人员通过外部电极向结构输送电流，并在结构被拉伸至破裂点的过程中测量电压差异。
突破传统点对点测量局限
这项成果建立在格拉斯哥大学 Shanmugam Kumar 教授领导的可持续多功能材料和增材制造（SM2AM）实验室多年的研究基础之上。
传统的传感方法通常仅在特定点位测量电阻或电导率的变化。虽然这种方法适用于简单结构，但难以全面反映复杂超材料的整体状况。2024 年，SM2AM 实验室曾开发出一套复杂的建模框架，用于预测格子材料在拉伸或压缩时的电导率变化，但该方法的计算复杂度较高。
为解决这一问题，团队转而使用 EIT 技术监测整个结构的导电性分布，而非局限于个别点位的测量。
故障前的裂纹追踪能力
随着材料受到拉伸，晶格内部的导电路径发生改变。这些电气行为的变化提供了关于结构变形和损伤的关键信息。计算机算法将电压波动转化为实时地图，直观展示结构电学特性随损伤发展的变化情况。
该系统不仅能显示损伤发生的位置及其进展过程，甚至能检测到远离测量电极区域的损伤。此外，系统还能在网格完全破裂之前识别出潜在的损坏位置，这为构建实际应用的早期预警系统提供了基础。通过与对结构的直接观测结果进行对比，研究团队验证了其发现的有效性。
数据显示，算法生成的地图能将损伤定位误差控制在约一支柱的范围之内。为了测试系统的检测极限，研究人员故意在某些支架上制造微小裂纹，发现随着压力增加，裂纹会向外扩散。
实现结构性健康监测
詹姆斯·瓦特工程学院的库马尔教授表示：“在这项研究中，我们开发了一种新方法。其效果类似于 MRI 扫描：MRI 可以显示全身的状况，而精心设计的格子架构则控制了传感精度。”
他指出，传统测量手段只能告知特定位置的局部情况，无法详细展示损伤部位及其在整个结构中的扩散路径。“我们的研究表明，通过将精心设计的格子结构与 EIT 相结合，我们可以获得更丰富的结构行为图像，包括在结构最终失效前检测损伤。”
这项技术在结构健康监测及其他先进工程系统领域具有潜在的应用前景。
Akash Deep 等，《在建筑格子中使用现场电阻断层扫描的全场损伤监测》，《高级功能材料》(2026)。DOI: 10.1002/adfm.78620
