2026年10月1日，格拉斯哥大学与悉尼大学的工程师研发出一种3D打印超材料，能够实时显示自身受损位置并追踪损伤扩散过程。这项研究把一种医院常用的成像技术电阻抗断层扫描（EIT）引入含有碳纳米管的3D打印晶格结构。研究团队表示，这是首次报道使用原位EIT技术监测3D打印结构化超材料的损伤。
晶格如何“看见”自己的应变
这些样品由DLP（数字光处理）3D打印技术制备，基体为树脂晶格，内部包含精心排布的支柱与间隙，并掺混碳纳米管使它导电。矩形样品尺寸为48毫米×60毫米。每个晶格外侧连接电极，电流由此流过晶格；在将样品拉伸至断裂的过程中，系统测量由此产生的电压差。随着晶格被拉伸，晶格内部的导电通路随之偏移，电流在结构中的流动方式以及结构表面出现的电压随之改变。一种算法把这些电压读数转换为持续刷新的电导率图，实时显示结构的变形位置与失效起始点。这类图谱还能捕捉远离电极处的损伤，而这些位置恰恰是表面贴装传感器难以探测的盲区。詹姆斯·瓦特工程学院教授Shanmugam Kumar把输出结果比作医学扫描。他说：“输出结果有点像MRI扫描：就像MRI可以显示整个身体正在发生的事情一样，我们的方法可以让我们看到晶格的不同部分在受到应力时是如何响应的。”△相关研究已发布到《Advanced Functional Materials》期刊，研究题目为“用原位电阻抗断层扫描技术对结构化晶格进行全场损伤监测”（传送门）
从“点读数”到“全域地图”
在临床场景中，EIT 用于监测住院患者的肺功能：电极持续测量电流通过人体组织的情况，并据此重建体内图像，全程无需任何侵入性操作。研究团队采用这一思路，正是为了突破传统3D打印晶格传感技术的局限。标准做法只测量特定点的电阻或电导率变化，对简单部件尚可应付，面对复杂超材料却力不从心——在这类结构中，损伤可能从密集的支柱网络中的任意位置萌生。
Kumar指出，晶格设计是方法奏效的关键之一。他说：“精心设计的晶格结构能够实现对传感精度的控制。”换言之，支柱的排布方式既决定部件的机械性能，也决定部件感知自身状态的能力。结构化超材料让工程师能调整内部几何形状，在重量、强度、抗冲击性与柔韧性之间求得平衡。一旦内置传感功能，这类晶格有望用于医疗植入物、飞机部件或汽车车身面板，持续反馈自身磨损状况或对冲击的响应。
12毫米内锁定裂纹
在测试中，这套系统能把每处裂纹的定位精度控制在“一个晶胞”范围内，约等于12毫米。系统还能识别出晶格彻底失效之前损伤逐步累积的区域，研究人员认为，这可作为未来工程部件早期预警系统的基础。不过，研究团队明确表示，这项技术尚未成熟。截至目前，所有测试均采用二维平面晶格，并以缓慢拉伸方式进行，每个试样上手工连接16个电极。分辨率也存在上限：系统能分辨的最小单元是单根支柱；若两处断裂点相距小于两到三个晶胞，会被识别为同一处损伤区域。晶格设计本身也带来权衡，它让脆性树脂在断裂前能拉伸得更远，却也把应变灵敏度（以应变系数 gauge factor 衡量）从固体复合材料的4.2拉低到1.02。Kumar 表示：“这项技术有望在结构健康监测和其它先进工程系统等领域得到应用，但还需要进一步的研究来开发和扩展这项技术，使这项技术能够应用于实际场景。”
为什么非用3D打印不可
传统自感知材料难以同时满足“几何可控”与“全域传感”。DLP 3D打印在这里的作用不只是成型：它把碳纳米管按设计均匀掺入树脂晶格，并精确排布支柱与间隙，使导电通路与机械结构成为同一体。换作注塑或机加工，既难以在微小晶格内实现可控的纳米管分布，也无法让“传感精度”随几何形状被主动设计。正是增材制造的几何自由，让“边受力边自报损伤”成为可能。
来源：南极熊
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